ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВЛИЯНИЯ СОСТАВА, СТРУКТУРЫ И ТЕХНОЛОГИИ МЕХАНО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА КОМПЛЕКС СВОЙСТВ НОВЫХ СТАЛЕЙ НА Fe-Cr-Ni ОСНОВЕ ДЛЯ УПРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ
Актуальность темы. Развитие новых технологий непосредственно связано с созданием и качественным улучшением свойств и служебных характеристик материалов. Среди них особое место занимают стали и сплавы для пружин и упругих элементов. Высокопрочные коррозионно-стойкие стали для упругих элементов различных областей применения и условий эксплуатации, должны обладать повышенной надежностью, теплостойкостью, конструкционной прочностью и отсутствием формоизменений в процессе эксплуатации. Использование коррозионно-стойких хромоникелевых аустенитных сталей типа 18-8, а также сталей мартенситного класса 30Х13, 40Х13 в качестве материала для упругих элементов ограничивается низкими значениями релаксационной стойкости, а также низкой технологичностью, что является особенно важным для получения проволоки тонких и особо тонких сечений. Разработанная аустенитная сталь 03Х14Н11К5М2ЮТ - материал, удовлетворяющий вышеперечисленным требованиям, в связи с особенностями ее легирования, обладая высокой технологичностью, позволяющий проведение интенсивной холодной пластической деформации для формирования высокопрочного состояния.
Дальнейшая разработка и внедрение в промышленность новых прогрессивных материалов данного класса связана с необходимостью выявления закономерностей влияния состава и структуры, а также процессов деформационного упрочнения на заданный комплекс физико-механических свойств. Кроме того, многокомпонентная система легирования коррозионно-стойких сталей нуждается в жесткой балансировке фазового состава, т.к. колебания химического состава при выплавке, даже в узких пределах могут резко изменить фазовый состав, структуру и, соответственно, служебные и технологические свойства.
В связи с этим для многокомпонентных высоколегированных коррозионно-стойких сталей актуальной задачей является оценка влияния химического состава и параметров механо-термической обработки на различных этапах технологических переделов при получении проволочной заготовки на структуру, фазовый состав и требуемый комплекс свойств для упругих элементов.
Работа выполнялась в соответствии с одним из основных направлений научной деятельности кафедры «Металловедение» УрФУ в рамках госбюджетной научно-исследовательской работы: №2243 «Теоретические основы создания принципиально новых безуглеродистых высокопрочных коррозионностойких сплавов на Бе-Сг-М основе с дополнительным легированием Со, Мо, Т1 и А1 с получением ультрамелкозернистого и наноструктурных состояний», а также проектов в аналитической целевой программе «Развитие потенциала высшей школы» (2010-2013 гг).
Цель работы. Установить основные закономерности формирования структуры, фазового состава и свойств новых сталей типа 03Х14Н11К5М2ЮТ при различных режимах деформационно-термической обработки в процессе изготовления проволочной заготовки для упругих элементов ответственного назначения с требуемым уровнем физико-механических свойств.
Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:
1. Определить концентрационные интервалы содержания основных легирующих элементов в сталях типа 03Х14Н11К5М2ЮТ для обеспечения необходимого комплекса высоких физико-механических свойств и сохранения аустенитного класса стали.
2. Исследовать роль метастабильного аустенита, как фактора повышения прочностных свойств и характеристик ударной вязкости в метастабильных аустенитных сталях.
3. Оценить влияние снижения содержания кобальта (с 5,0 до ~1,0 мас.%) на фазовый состав, структуру, физико-механические свойства и склонность к выделению интерметаллидных фаз новых сталей.
4. Установить температурные интервалы и последовательность процессов образования и растворения интерметаллидных фаз для научно-обоснованного выбора оптимальных параметров термообработки.
5. Исследовать влияние степени стабильности структуры на упругие свойства и релаксационную стойкость стали 03Х14Н11К5М2ЮТ.
Научная новизна
Впервые экспериментально установлена роль влияния легирования кобальтом (с 5,0 до ~1,0 мас.%) на изменение последовательности, состава и температурных интервалов выделения высокотемпературной /-фазы. Показано, что содержание кобальта 5,0 мас.% значительно снижает количество %-фазы в закаленной стали 03Х14Н11К5М2ЮТ.
Методами рентгеноструктурного фазового анализа, микрорентгеноспектрального анализа, просвечивающей электронной микроскопии, терморентгенографии и термического анализа установлены температурные интервалы выделения упрочняющей интерметаллидной фазы №Л1 (300..5000С) и нежелательной при производстве проволоки тончайших сечений %-фазы (700.. 1000° С).
Описаны закономерности образования и распада 5-феррита в исследованных аустенитных сталях с различным содержанием кобальта. Показано, что старение 5-феррита в сталях с пониженным (~1,0 мас.%) содержанием кобальта сопровождается выделением частиц интерметаллидной %-фазы в интервале температур 600..700° С.
Комплексными исследованиями методами рентгеноструктурного фазового анализа, микрорентгеноспектрального анализа и просвечивающей электронной микроскопии, с привлечением измерения магнитных характеристик исследуемых материалов при глубоком охлаждении и последующем отогреве до комнатной температуры было выявлено, что аустенит исследуемых сталей обладает термической стабильностью в широком интервале температур от криогенных до 500° С.
Определена температура последеформационного старения, обеспечивающая повышенную релаксационную стойкость стали 03Х14Н11К5М2ЮТ при рабочих температурах до 400° С в условиях нагружения.
Практическая значимость
На основе проведенного комплексного исследования определены допустимые концентрационные интервалы содержания основных легирующих элементов аустенитных сталей на Бе-Сг-№ основе, обеспечивающих воспроизводимость заданного комплекса физико-механических свойств.
С учетом закономерностей протекания фазовых и структурных превращений в сталях, в том числе с пониженным содержанием кобальта, определены режимы термопластической обработки, обеспечивающие высокие эксплуатационные свойства. Выявлено, что стали с пониженным содержанием кобальта обладают несколько меньшей технологичностью при волочении, но могут быть использованы для пружин и упругих элементов, не испытывающих тяжелого нагружения и воздействия высоких температур.
Показано, что новые аустенитные стали обладают повышенными характеристиками хладостойкости и теплостойкости и могут обеспечить надежную работу пружин и упругих элементов вплоть до 400° С.
Отработана технология получения высокопрочной проволоки (закалка + деформация + последеформационное старение 500° С) для упругих элементов и медицинского стержневого инструмента из исследуемой стали, обладающей повышенной технологичностью при волочении, что позволило сократить число промежуточных смягчающих отжигов при производстве проволоки. Изготовлена опытная партия проволоки разных типоразмеров, проведены успешные полупромышленные испытания в ПТО «Медтехника», г. Казань.
Полученные данные могут быть использованы при чтении курсов лекций и проведении лабораторных практикумов для студентов специальности «Материаловедение в машиностроении».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на 7 международных и всероссийских конференциях и школах: V Российской научно-практической конференции «Физические свойства металлов и сплавов» (Екатеринбург, 2009); XVII международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (Самара, 2009); Х международной научно-технической конференции «Уральская школа-семинар металловедов - молодых ученых» (Екатеринбург, 2009); «Берштейновских чтениях по термомеханической обработке металлических материалов, посвященные 90-летию со дня рождения профессора М.Л. Берштейна» (Москва, 2009); «International conference “Hot Forming of Steels & Product Properties» (Grado, Italy. September 2009); «XIX Петербургских чтениях по проблемам прочности» (Санкт- Петербург, 2010); «The 6th International Conference on Advanced Materials and Processing. ICAMP6» (Lijiang, PR China. July 2010).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 15 научных работ, из них: три статьи в ведущих рецензируемых журналах по перечню ВАК; семь статей в сборниках научных трудов; пять работ в сборниках докладов и тезисов конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложения. Работа изложена на 146 страницах, содержит 63 рисунка, 7 таблиц и библиографический список из 117 источников.
1. Установлены концентрационные интервалы по содержанию хрома ~ от 13,0 до 15,0 %, никеля от 11,0 до 12,0 %, кобальта от 4,0 до 5,5 %, алюминия от 0,5 до 1,0 %, не изменяющие, в сложнолегированной аустенитной стали марки 03Х14Н11К5М2ЮТ, структурного класса и не приводящие к существенному изменению физико-механических свойств. Подтверждена воспроизводимость фазового состава (практически 100 % аустенит) и механических свойств (5 ~ 60 %) аустенитной стали, что является важным для условий промышленного производства.
2. Показано, что кобальт подавляет образование 5-феррита в исследуемых кобальтсодержащих сталях. Увеличение содержания кобальта (4,5..5,0 мас. %) улучшает однородность структуры аустенитной стали, вследствие подавления образования 8-феррита. Стали с пониженным (~ 1,0 мас. %) содержанием кобальта обладают меньшей технологичностью при волочении (предельная степень деформации для них е ~ 3, в то время как для сталей с 4,5.. 5,0 мас. % е ~ 5), но могут быть использованы для пружин и упругих элементов, не испытывающих тяжелого нагружения высокотемпературного воздействия.
3. Методом терморентгенографии, электронной микроскопии, ДСК, РСФА и МРСА экспериментально установлены температурные интервалы существования интерметаллидных фаз, №А1 и %-фазы, в метастабильных аустенитных сталях при нагреве. Показаны температурные интервалы существования фаз: №А1 300..5000С, %-фазы - 700..10000С. Выявлено, что №А1 является упрочняющей фазой, частицы имеют сферическую форму, размер порядка 6..10 нм и равномерно распределены по объему зерна. Показано, что нагрев в область температур существования %-фазы является технологически нежелательным, с точки зрения формирования структуры для холодной пластической деформации волочением.
4. Показано изменение состава %-фазы с увеличением содержания в аустенитных сталях кобальта. Отмечено, что в кобальтсодержащих (4,5..5,0 мас. %) сталях обнаруженная высокотемпературная интерметаллидная /-фаза переменного состава, дополнительно содержит кобальт. Его наличие обуславливает следующее изменение ориентировочного состава /-фазы: (Бе,К1)42,0Сг13,0М02,0А11,0 ^ (Ее,№)39,0Сги,0Мо2,0Со2,0А11,0 (согласно атомным процентам по данным МРСА) из расчета на 58 атомов элементарной ячейки /-фазы.
5. Методами ДСК и терморентгенографии показаны процессы образования и распада 5-феррита при нагреве. В 5-феррите аустенитных сталей с пониженным содержанием кобальта (~1,0 мас. %) при нагреве до температур 600.. 7000С происходит распад ö-феррита, сопровождаемый выделением частиц интерметаллидной %-фазы (ö^y+%). Конец распада ö-феррита приходится на температуру несколько выше 700° С. При нагреве до температур 1000° С и выше происходит диссоциация %-фазы, аустенит обогащается ферритообразующими элементами, что приводит к образованию ö-феррита, за счет y^ö превращений.
6. Установлено, что оптимальной температурой нагрева под закалку, с точки зрения формирования комплекса физико-механических свойств (оВ~ 550 МПа, о0,2~ 280..300 МПа, 8 ~ 60 %, у ~ 80 %) для проведения последующей холодной пластической деформации, является температура 1000.. 1050° С в воду.
7. Показано, что все исследуемые стали в закаленном от 1000° С состоянии имеют высокую ударную вязкость, конструкционную прочность и низкую склонность к хрупкому разрушению вплоть до криогенных температур (KCV20= 3,69 МДж/м2, KCV-196= 1,93 МДж/м2).
8. Выявлено, что упрочнение при старении закаленных аустенитных сталей незначительно, однако аустенит исследуемой стали является деформационно-нестабильным и практически полностью превращается в мартенсит деформации при холодной пластической деформации (е ~ 3,0). Прочностные свойства при этом возрастают ~ в 5 раз, по сравнению с закаленным состоянием.
9. Доказано, что аустенит исследуемой стали является термически стабильным в широком интервале температур от жидкого гелия до 500° С. Предложена обработка (по режиму закалка+деформация+старение 500° С, 1 ч), при которой сталь в состоянии максимального упрочнения обладает высоким сопротивлением релаксации напряжений при длительных нагревах до температуры 400° С, является теплостойкой и может быть использована для высоконагруженных пружин и упругих элементов.
10. Отработана технология (закалка + деформация + старение 500° С, 1 ч) получения высокопрочной проволоки для упругих элементов и стержневого медицинского инструмента, обладающей высокой технологичностью при волочении, что позволило сократить число промежуточных смягчающих отжигов при производстве проволоки. Изготовлена опытная партия проволоки разных типоразмеров, проведены успешные полупромышленные испытания в ПТО «Медтехника», г. Казань.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
