Содержание к диссертации
Введение
1 Формирование структуры при мартенситном превращении, конструкционная прочность и упрочнение поверхности сталей 10
1.1 Формирование структуры и свойства низкоуглеродистых мартенситных сталей 10
1.2 Упрочнение поверхности сталей при диффузионном насыщении азотом и углеродом 25
1.3 Постановка задачи 33
2 Материалы и методики исследований 35
2.1 Методики приготовления опытных образцов и проведения экспериментов 35
2.2 Изучение микроструктуры 38
2.3 Электронно-микроскопические исследования 38"
2.4 Дилатометрические исследования 39
2.5 Магнитометрические исследования 39
2.6 Дифференциальная сканирующая калориметрия 43
2.7 Методика рентгеноструктурного анализа 43
2.8 Методика испытаний на одноосное растяжение 44
2.9 Методика определения ударной вязкости и трещиностойкости 44
2.10 Методика дюрометрических исследований 44
2.11 Методика послойного химического анализа 46
2.12 Методика определения эффективного коэффициента диффузии и энергии активации 47
3 Структура и свойства термоупрочненнои низкоуглеродистой мартенситной стали 49
3.1 Состав, фазовые и структурные превращения в низкоуглеродистых мартенситных сталях 49
3.2 Конструкционная прочность низкоуглеродистой мартенситной стали 12Х2Г2НМФБ после закалки и отпуска 63
4 Карбонитрирование низкоуглеродистой мартенситной стали 12Х2Г2НМФБ в расплавах солей 79
4.1 Низкотемпературное насыщение стали со структурой низкоуглеродистого мартенсита азотом и углеродом 79
4.2 .Высокотемпературное карбонитрирование низкоуглеродистой мартенситной стали 12Х2Г2НМФБ в экологически безопасных расплавах солей 94
5 Практическая реализация исследований и проведение натурных испытаний деталей винтовых забойных двигателей из низкоуглеродистой мартенситной стали 109
5.1 Разработка технического задания на состав и технологию термической обработки заготовок валов винтовых забойных двигателей из стали 12Х2Г2НМФБ 109
5.2 Результаты натурных испытаний валов винтовых забойных двигателей из стали 12Х2Г2НМФБ 111
5.3 Результаты натурных испытаний ответственных конструкционных деталей винтовых забойных двигателей относительно небольших габаритов из НМС12Х2Г2НМФБ 113
Заключение 115
Список использованных источников 119
Приложения 138
- Упрочнение поверхности сталей при диффузионном насыщении азотом и углеродом
- Методика определения эффективного коэффициента диффузии и энергии активации
- Конструкционная прочность низкоуглеродистой мартенситной стали 12Х2Г2НМФБ после закалки и отпуска
- Разработка технического задания на состав и технологию термической обработки заготовок валов винтовых забойных двигателей из стали 12Х2Г2НМФБ
Введение к работе
Актуальность работы. Одним из наиболее значительных достижений материаловедения конца ХХ столетия стало создание мартенситных конструкционных сталей. К классу мартенситных относят мартенситостареющие и низкоуглеродистые мартенситные стали (НМС). До последнего времени мартенситостареющие обеспечивали рекордные показатели конструкционной прочности, а НМС – наилучшее отношение цена/качество. Одно из направлений дальнейшего прогресса мартенситных сталей связано с повышением конструкционной прочности рационально легированных НМС. Альтернативой мартенситным являются улучшаемые стали. Стали со структурой низкоуглеродистого пакетного мартенсита (в сравнении со сталями со структурой сорбита отпуска) обеспечивают более высокую конструкционную прочность в сложных условиях нагружения (сложнонапряженное состояние, динамический характер нагружения, низкие температуры эксплуатации) и обладают существенными преимуществами при химико-термическом воздействии. Легирование низкоуглеродистых мартенситных сталей позволяет реализовать мартенситное превращение в крупногабаритных изделиях при замедленном охлаждении на спокойном воздухе и, в результате, отказаться от использования экологически опасных закалочных сред.
Для целенаправленного изменения структуры необходимо знать закономерности ее формирования при нагреве и охлаждении. НМС обладают высокой устойчивостью переохлажденного аустенита в интервале температур нормального и промежуточного превращений, что позволяет получать структуру низкоуглеродистого пакетного мартенсита при достаточно высоких температурах, Мн= 400-380 0С.
Традиционно для большинства используемых в машиностроении конструкционных сталей после закалки на мартенсит проводят высокий отпуск, целью которого является получение структуры сорбита отпуска с характерным комплексом свойств, обеспечивающим работоспособность. Для сталей со структурой низкоуглеродистого пакетного мартенсита характерна высокая конструкционная прочность в свежезакаленном и низкоотпущенном состоянии.
Сохранение субструктуры пакетного мартенсита при нагреве до критических температур обеспечивает отпускоустойчивость НМС. Это оказывает существенное влияние на механизм превращения, структуру и свойства аустенита.
Потеря работоспособности подавляющего большинства конструкций связана с изнашиванием при трении. Повышение долговечности в этом случае достигают за счет упрочнения поверхности изделий. Химико-термическая обработка (ХТО) низкоуглеродистых мартенситных сталей в газообразных насыщающих средах исследована для процессов цементации, азотирования и нитроцементации. Насыщение элементами внедрения в жидких расплавах позволяет интенсифицировать процесс обеспечить высокую скорость нагрева и равномерный нагрев, регулировать в широких пределах скорость охлаждения после обработки. Применяемые в настоящее время жидкие среды часто являются вредными для здоровья человека и окружающей среды. Поэтому представляется целесообразным использование для насыщения новых экологически безопасных расплавов солей, новые технологии имеют и значительные экономические преимущества.
Тематика диссертации соответствует Приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники РФ и Перечню критических технологий РФ. Работа выполнена при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, государственный контракт № 4293p/6718, гранта РФФИ 07-08-96007-р_урал_а, гранта РФФИ 09-08-99001-р_офи, аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы» (раздел «Проведение фундаментальных исследований в области технических наук», № 2.1.2/1225).
Цель и задачи исследования. Целью данной работы является исследование закономерностей структурообразования и формирования свойств при термической и химико–термической обработках низкоуглеродистых мартенситных сталей повышенной конструкционной прочности и технологичности
Для достижения указанной цели в работе поставлены следующие задачи:
-
Исследовать фазовые превращения НМС при термическом воздействии в широких температурно-временных интервалах. Изучить структуру и механические свойства НМС 12Х2Г2НМФБ после термической обработки.
-
Исследовать закономерности формирования структуры, фазового и химического состава, свойств градиентных слоев, образующихся при низко (до 600 оС) и высокотемпературном насыщении НМС 12Х2Г2НМФБ в расплавах солей.
-
Провести апробацию разработанных технологических параметров в производственных условиях и испытания изделий.
Положения, выносимые на защиту
-
Превращение в низкоуглеродистых сталях мартенситного класса со структурой пакетного мартенсита происходит в два этапа при нагреве: по сдвиговому, а затем по диффузионному механизмам. Сдвиговое превращение реализуется в большей степени при аустенитизации отпускоустойчивых НМС.
-
Структура пакетного мартенсита, сформированная при охлаждении в широких интервалах скоростей, в том числе на воздухе, с температур горячей деформации НМС 12Х2Г2НМФБ обеспечивает высокую конструкционную прочность, характеристики вязкости в 1,5–2 раза превосходят аналогичные показатели сталей типа 40ХН2М, 38ХН3МФ со структурой сорбита отпуска.
-
Кинетические параметры процесса диффузионного насыщения элементами внедрения в расплавах на основе цианата калия низкоуглеродистого мартенсита с различной морфологией и размерами реек.
-
Структура и закономерности формирования градиентных слоев при высокотемпературном диффузионном насыщении низкоуглеродистого аустенита азотом, углеродом и кремнием в экологически безопасных расплавах солей на основе хлоридов и карбонатов калия и натрия с добавками азотсодержащих соединений.
-
Параметры технологических процессов термической и химико-термической обработок стали 12Х2Г2НМФБ.
Научная новизна.
-
Методом ДСК установлено, что при нагреве с умеренными (10 град/мин) скоростями НМС с исходно мартенситной структурой превращение начинается по сдвиговому механизму и продолжается диффузионным путем. Долю аустенита, образованного по обратному мартенситному механизму определяет количество низкотемпературной фазы, сохранившей реечную структуру до завершения превращения.
-
Пакетный мартенсит, образованный при закалке НМС 12Х2Г2НМФБ и низком (до 250 оС) отпуске обладает максимальной конструкционной прочностью.
-
Определены кинетические параметры процесса насыщения азотом низкоуглеродистого мартенсита. Сохранение в процессе низкотемпературного насыщения реечной и блочно-реечной субструктуры низкоуглеродистого мартенсита приводит к снижению энергии активации диффузии азота относительно преимущественно ферритной структуры стали. Уменьшение размеров зерен аустенита и элементов структуры мартенсита слабо влияет на протяженность градиентных слоев, но приводит к существенному диспергированию карбонитридной фазы в диффузионной зоне.
-
При исследовании высокотемпературного насыщения азотом и углеродом НМС 12Х2Г2НМФБ в жидких экологически безопасных средах экспериментально доказано отсутствие эвтектоидного распада независимо от скорости охлаждения (V) в интервале варьирования V = 600..30 оС/с. Обнаружено снижение значений энергии активации диффузии азота в низкоуглеродистом аустените, наследующем субструктуру пакетного мартенсита. Установлено, что поверхность содержит a/-фазу, не более 10 % g-фазы и карбонитриды.
-
Экспериментально доказано увеличение в процессе карбонитрирования (низко- и высокотемпературного) НМС 12Х2Г2НМФБ концентрации карбидообразующих элементов и никеля в подповерхностных слоях. Распределения легирующих элементов после проведения насыщения в аустените качественно повторяют зависимости, характерные для низкотемпературного карбонитрирования мартенсита при более широких интервалах выравнивания концентраций.
Практическая значимость.
-
Разработаны режимы термической обработки, повышающие конструкционную прочность НМС, на основании установленных в работе закономерностей фазовых превращений и формирования структуры.
-
Созданные технологические процессы позволили применить НМС 12Х2Г2НМФБ взамен среднеуглеродистых сталей 40ХН2М, 38ХН3МФ, снизить деформацию и коробление при термообработке, исключить использование экологически вредных жидких охлаждающих сред (минеральные масла, щелочи), улучшить качество поверхности, снизить массу изделий, повысить конкурентоспособность продукции. Технологический процесс внедрен в серийное производство деталей (вал, муфта вала) винтовых забойных двигателей на предприятии ООО «Радиус–Сервис».
-
Предложены рациональные технологии упрочнения НМС 12Х2Г2НМФБ в температурных интервалах 500 – 580 оС (структура стали мартенсит) и 800 - 900 оС (структура стали аустенит). Новые технологические процессы обеспечивают высокие механические свойства поверхности и сердцевины после относительно непродолжительной обработки. Высокая устойчивость аустенита диффузионного слоя и сердцевины позволяет совместить высокотемпературное карбонитрирование с закалкой на воздухе. Высокотемпературное карбонитрирование обеспечило повышение более чем на порядок коррозионной стойкости деталей при испытаниях в условиях повышенных влажности и температуры без конденсации влаги.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на следующих конференциях: II Международной школе «Физическое металловедение» и XVIII Уральской школе металловедов–термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», Тольятти, 2006 г; VII Международной научно-технической конференции «Уральская школа-семинар металловедов – молодых ученых», Екатеринбург, 2006 г; III Международной школы-конференции «Физическое материаловедение: «Наноматериалы технического и медицинского назначения», проходившей 24-28 сентября 2007 в городах Самаре, Тольятти, Ульяновске; XIX Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», посвященной 100-летию со дня рождения академика В.Д. Садовского, Екатеринбург, 2008 г; Восьмой ежегодной международной Промышленной конференции «Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях», п. Славское, Карпаты, 11-15 февраля 2008.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и приложений. Работа изложена на 143 страницах, включает 44 рисунка, 14 таблиц и 5 приложений. Список использованных источников содержит 179 наименований.
Упрочнение поверхности сталей при диффузионном насыщении азотом и углеродом
Подавляющее количество деталей машин выходят из строя в результате усталостного разрушения и, в том числе, развития процессов усталости при трении и изнашивании. Зарождение и рост очагов разрушения происходит в поверхностных или подповерхностных слоях. Современная инженерия поверхности, как совокупность методов целенаправленного конструирования структуры и фазового состава в различных зонах поверхностного слоя деталей с учетом условий их эксплуатации, является надежным и доступным путем достижения предельных свойств изделий [112]. Для повышения прочности изделий на практике широко используются многочисленные и разнообразные методы поверхностной обработки, позволяющие целенаправленно, с учетом действия рабочих нагрузок конструировать строение поверхности и структуру приповерхностных слоев. С этой целью в современном машино- и приборостроении широко применяют химико-термическую обработку. Наиболее часто для обеспечения высокой твердости, износостойкости и усталостной прочности детали подвергают цементации, азотированию, нитроцементации, цианированию и карбонитрированию.
Цементацию проводят в однофазной аустенитной области при температуре примерно 930С [7, 113] с целью получения на закаленной поверхности структуры высокоуглеродистого мартенсита. Глубина обогащенного поверхностного слоя углеродом, образованного в течение от 2 до 15 часов, обычно находится в пределах 0,5 - 2,0 мм. До середины XIX века сталь умели получать только методом сквозной цементации железа [6].
Диффузия углерода при относительно низких температурах ограничена тонким поверхностным слоем, граница между цементованным слоем и сердцевиной довольно резкая и после закалки возможно дефектообразование в слое. Значительно ускорить формирование градиентного слоя позволяет ионная цементация [59] и др. современные процессы. Особенностью ионной цементации является использование насыщающей атмосферы пониженного давления. К ее преимуществам следует отнести высокую равномерность науглероживания, отсутствие внешнего и внутреннего окисления, уменьшение коробления деталей. Кроме ускорения процесса в 2 - 3 раза все технико-экономические показатели оказываются достаточно высокими (включая чистоту поверхности).
Как в процессе цементации, так и при закалке и последующем отпуске происходят объемные изменения. При этом создаются значительные внутренние напряжения, которые вызывают деформацию и коробление изделий.
Замена углерода на азот дает ряд преимуществ: снижается температура обработки; не требуется дополнительных припусков, так как насыщение проводят после окончательной термообработки; обеспечивается более высокая твердость, износостойкость и коррозионная стойкость; увеличивается рабочая температура до 400-450 С.
Основополагающие современные исследования азотирования, направленные на изучение кинетики процесса, структуры и свойств азотсодержащих сплавов железа были выполнены в самом начале XX века академиком Н.П. Чижевским. Немецкий инженер А. Фри в 20-х годах разработал специальные азотируемые стали - нитралои, появление которых расширило применение азотирования до промышленных масштабов. Им же была построена первая диаграмма Fe - N [114]. Большой вклад в исследования кинетики и термодинамики насыщения азотом сталей, фазовых превращений азотистых сплавов внесли Ю. М. Лахтин, С. А. Герасимов.
Азотирование проводят преимущественно в диапазоне температур 500 -590 С в течение 20 - 80 часов [115]. Насыщению азотом подвергают изделия, изготовленные из легированных сталей ЗХ2В8Ф, Х12, Х12Ф1, 7X3, 38Х2МЮА, 20Х, ЗОХ и др. [116].
Диффузионный слой после азотирования состоит из нитридной зоны (Б + у7, у7) и зоны внутреннего азотирования (твердого раствора а из которого при охлаждении выделяется У-фаза) [117]. Структура твердого раствора на основе железа и нитриды, формирующиеся при азотировании, являются основными факторами, обеспечивающими работоспособность упрочненных деталей [118].
Насыщение сплавов железа азотом повышает твердость (до 1700 HV) [119], статическую и динамическую прочность, износостойкость и коррозионные свойства материалов [115]. Поскольку температура обработки не превышает 600 С, то структурных превращений, подобных тем, которые протекают при закалке, не происходит, что позволяет проводить охлаждение с любой скоростью. По этой причине деформации и коробления азотированных деталей и инструмента незначительны.
К числу основных недостатков, ограничивающих применение азотирования, как упрочняющего метода обработки, можно отнести: большую длительность, хрупкость, шелушение и пониженную твердость наружной части азотированного слоя.
Высокая хрупкость азотированных сталей связана с увеличением концентрации легирующих элементов на границах бывших аустенитных зерен, что приводит к увеличению количества нитридных выделений. Для уменьшения охрупчивания необходимо снизить концентрацию азота в зернограничных областях, чего можно достичь введением никеля [120].
Сокращение продолжительности насыщения (до 10-15 часов) достигают наложением постоянного или переменного магнитного поля [121]; азотированим в тлеющем разряде [122], что позволяет вместо аммиака использовать газообразный азот [115]; повышением температуры [123].
Совместное насыщение углеродом и азотом - нитроцементацию обычно проводят в газовой среде при температурах от 840-860 до 900 С [124]! В результате диффузии углерода и азота в поверхностном слое образуется углеродо-азотистыи твердый раствор у-железа, который при закалке превращается в углеродо-азотистыи мартенсит, обладающий более высоким сопротивлением износу и меньшим коэффициентом трения, чем углеродистый мартенсит. Износостойкость нитроцементованного слоя с дисперсными карбонитридами превосходит на 40—60 % износостойкость цементованного слоя с включениями цементита.
Преимущество углеродоазотистого мартенсита настолько велико, что в ряде отраслей машиностроения нитроцементацию предпочитают газовой цементации.
Длительность выдержки при температуре 850 С для получения нитроцементованного слоя до 1 мм составляет 5 и менее часов. Снижение температуры нитроцементации до 850 вместо 920 С при газовой цементации, а также температуры закалки нитроцементованных деталей до 820 С уменьшает объемную и локальную деформацию, что служит значительным преимуществом процесса. Однако недостатки, связанные с длительной выдержкой при высоких температурах и фазовыми превращениями при закалке и отпуске, присущи и процессу нитроцементации. Объемные и локальные деформации, получающиеся после нитроцементации, вызывают необходимость принятия дополнительных мер для обеспечения точного размера изделий на выходе в сборку.
В связи с высокими требованиями по точности размеров многих обрабатываемых изделий и ограничением температуры нагрева при окончательной обработке инструмента поиск новой технологии был направлен на использование процесса нитроцементации при температурах ниже точки А], охлаждение от которых не вызывает фазовых превращений и значительных объемных деформаций.
Нитроцементацию при температуре 690-700 С применяют для деталей, работающих в условиях износа при полусухом и сухом трении [125]. Высокие антифрикционные свойства деталей связаны с особенностями морфологии частиц и строения карбонитридной зоны, выявлено, в частности, столбчатое строение карбонитридного слоя и наличие развитой пористости во внешней его зоне. Наличие отдельных микропор [126] в пластичном и вязком карбонитридном слое локализирует микросдвиг и разрушение поверхности трения, при этом ускоряется процесс приработки и уменьшается эффективное контактное давление. Комбинирование низкотемпературной нитроцементации с закалкой позволяет дополнительно увеличить износостойкость поверхности стальных изделий [127].
Низкотемпературная нитроцементация имеет значительные преимущества перед обычным азотированием, но уступает процессу насыщения в расплавах солей по скорости насыщения [124].
Весьма успешно применяют низкотемпературное жидкостное «мягкое азотирование» (Teniferufftride), иначе называемое цианированием [124]. Процесс заключается в поверхностном насыщении стали углеродом и азотом при температурах ниже точки А і в расплавах цианистых солей, преимущественно, натрия и калия. Цианирование можно проводить также в порошкообразных средах, обмазках или в газовых средах, но метод насыщения в расплавах солей нашел наибольшее распространение в промышленности многих стран [128].
Методика определения эффективного коэффициента диффузии и энергии активации
Кинетику насыщения изучали, исходя из предположения, что зависимость протяженности градиентного слоя h до точки с некоторой концентрацией азота с от времени насыщения т определяет уравнение [142, 143]: В1-Ф( _), (2.3) где с0 - концентрация диффундирующего элемента на заданном расстоянии вблизи поверхности; Ф — трансцендентная функция Крампа; Д, — эффективный коэффициент диффузии.
Значения D3tp p определяли по таблицам [142], заменив с/с0 отношением микротвердости на глубине Нслоя к микротвердости на поверхности [143].
Для нахождения зависимости эффективного коэффициента диффузии от температуры предполагали выполнение уравнения Аррениуса (2.4): где D0 - предэкспоненциальный множитель; Q — энергия активации диффузии; R = 8,31 кДж/моль - универсальная газовая постоянная; Г -температура.
Предэкспоненциальный множитель и энергию активации находили методом наименьших квадратов.
Низкоуглеродистые мартенситные стали представляют собой сложнолегированный сплав, содержащий хром, никель, марганец, молибден и часто сильные карбидообразующие элементы. Принципиальным преимуществом НМС является гарантированное получения пакетного мартенсита повышенной конструкционной прочности при замедленном охлаждении крупногабаритных изделий.
Для реализации высокой работоспособности необходимо исключить образование нежелательных структур перлита и бейнита, обеспечить устойчивость аустенита во всем интервале температур диффузионных превращений и предотвратить охрупчивание.
Содержание хрома обычно выбирают 2-3 %, т.к. отношение хром / углерод (вес. %) для исключения бейнитного превращения должно составлять не менее 35 [83, 89, 95], при таком содержании наблюдается снижение температуры бейнитного превращения [144] ниже Мн. Введение сильных карбидообразующих элементов, например, титана может изменять это соотношение [103, 104].
В низкоуглеродистых марганецсодержащих сталях возможно образование микрообъемов, обогащенных и обедненных марганцем как при нагреве в а-области так и при охлаждении в у [145-147]. Даже при низких температурах, когда диффузия легирующих элементов заторможена, перемещение атомов марганца на малые расстояния возможно [145]. Этого оказывается достаточно для того, чтобы в сплаве сформировались два типа областей: обедненных и обогащенных марганцем. Внутри обогащенных марганцем зон происходит процесс частичной замены металлических связей атомов твердого раствора на ковалентные [148]. Такое расслоение твердого раствора приводит к повышению степени локализации межатомной связи в микрообъемах, обогащенных марганцем, увеличению сил Пайерлса - Набарро, следовательно, затруднению пластической деформации. Кроме того, из-за различия атомных радиусов марганца и железа (1,30 и 1,24 А) возникает несоответствие параметров решетки матрицы и обогащенных зон [148], что также затрудняет движение дислокаций и способствует охрупчиванию материала. К подобному выводу пришли авторы работы [149], которые проводили исследования на среднеуглеродистых сталях, содержащих от 0,36 до 0,73 % Мп. Концентрация марганца после отпуска повышалась на границах до 9 % и более. В изломах образцов из стали 38Х2Н2МА концентрация Мп была значительно ниже, чем в сталях 40 и 38ХМА, что позволило сделать предположение о благоприятном влиянии никеля [149]. Аналогичный эффект был обнаружен и в работе [148]: при замещении части марганца (сталь Г8) никелем степень охрупчивания уменьшалась, и для стали, содержащей менее 1 % Мп (сталь Н8), провал ударной вязкости не наблюдался при испытаниях в стандартных условиях. Это означает, что концентрация марганца не должна быть существенно более 1,5-2 %, при одновременном легировании никелем, а в стали, не легированной никелем, с феррито-перлитной структурой- до 1,5 %, с феррито-бейнитной до 1,9 % [150]. Вместе с тем, для упрочнения а-фазы концентрация марганца в низкоуглеродистых сталях должна превышать 1-1,5 %, при одновременном содержании не менее 0,06 % ниобия [110].
Ниобий сильней других карбидообразующих (титана и ванадия) элементов тормозит рост зерна [ПО], а совместное введение ниобия и ванадия обеспечивает упрочнение еще и за счет дисперсионного твердения. Измельчение зерна аустенита и, как следствие, элементов структуры, приводит также к снижению уровня остаточных напряжений [111]. Современные исследования низкоуглеродистых сталей с преимущественно ферритной, феррито-перлитной и феррито-бейнитной структурой направлены не на поиск состава (ясно, что в низколегированных марганцевых сталях предпочтительно иметь добавки ванадия и ниобия), а на изучение процессов, происходящих в материалах [ПО, 147, 150-152].
Введение в сталь некарбидообразующих элементов, как правило, провоцирует охрупчивание при несколько более высоких температурах, чем происходит расслоение твердого раствора, содержащего марганец. В первую очередь это касается никеля [153-157] и, в меньшей степени, кремния [158, 159]. Никель увеличивает количество атомов вредных примесей на границах, что усиливает склонность к хрупкому разрушению. Поэтому концентрация никеля должна быть ограничена 1-1,5 %. Присутствие никеля важно еще и потому, что в тройной системе железо-марганец-никель в достаточно широких интервалах варьирования концентраций расслоение твердого раствора не наблюдали [160].
Присутствие в стали нескольких десятых долей молибдена весьма полезно как для исключения диффузионного распада, так и для предотвращения охрупчивания.
Итак ясно, какими элементами и в каком количестве следует легировать низкоуглеродистые стали.
Конструкционная прочность низкоуглеродистой мартенситной стали 12Х2Г2НМФБ после закалки и отпуска
Тип мартенсита во многом определяют состав стали и термическое воздействие. Основной [56] структурной составляющей традиционных конструкционных сталей, содержащих 0,3-0,4 % С после закалки является пакетный и пластинчатый мартенсит. Количество последнего зависит от содержания в стали углерода и может доходить до четверти всего объема при 0,4 % С. Известно, что двойниковая структура пластинчатого мартенсита [38] и полное закрепление дислокаций атмосферами атомов внедрения [79] отрицательно влияют на релаксационную способность материала, приводят к повышению склонности стали к хрупкому разрушению. Рост количества углерода в аустените способствует развитию в процессе охлаждения бейнитного превращения [83] и, тем самым, снижению характеристик надежности.
Получение блочного мартенсита [138, 165, 166] обеспечивает улучшение характеристик конструкционной прочности (главным образом трещиностойкости), но сопряжено со значительными технологическим сложностями- (термоциклирование, ускоренные нагрев и охлаждение и др.), т.к. продолжительность выдержки при аустенитизации не должна превышать нескольких десятков секунд, а это возможно лишь для изделий диаметром менее 5 мм.
Свойства сталей во многом зависят от процессов, протекающих на стадии аустенитизации. В ряду сильных карбидообразующих элементов (ниобий, титан, ванадий) ниобий наиболее эффективно сдерживает рост зерна аустенита [ПО], а совместное введение ванадия и ниобия обеспечивает дисперсионное твердение.
В конце прошлого века разработан новый класс конструкционных сталей - низкоуглеродистые мартенситные стали, обладающие высокой конструкционной прочностью и уникальной технологичностью при изготовлении термоупрочненных деталей и сварных конструкций. Широкое распространение нашла конструкционная НМС 07ХЗГНМ с прочностью ав=1000 МПа [99]. Сталь позволяет в заготовках сечением до 150 мм производить бездеформационную закалку охлаждением на спокойном воздухе, в том числе с деформационного нагрева, сварку в термоупрочненном состоянии. В последнее время разработана более прочная НМС 12Х2Г2НМФБ с повышенным содержанием углерода [137], обеспечивающая ав 1200 МПа.
Цель настоящего раздела: изучение структуры и конструкционной прочности НМС 12Х2Г2НМФБ.
Структура стали 12Х2Г2НМФБ в исходном горячекатаном состоянии -пакетный мартенсит, рисунок ЗЛО. Распределение по размерам структурных составляющих исследуемой стали подробно рассмотрено в работе [167].
После горячей деформации (ГД) с охлаждением на воздухе структура пакетного мартенсита обеспечивает характеристики: прочность (ав) - 1230 МПа, относительное удлинение 19 %, ударную вязкость (KCV) - 0,65 МДж/м, таблица 3.2. Повышение характеристик вязкости и трещиностойкости в 1,5-2 раза, таблица 3.2, после дополнительной закалки происходит, за счет измельчения структурных составляющих стали при перекристаллизации [167].
Закалка после горячей пластической деформации не повлияла на значение Кс, таблица 3.2, но работа разрушения увеличивается почти в 2 раза. В процессе нагружения образца с трещиной, закаленного на воздухе с температуры ковки, рисунок 3.11 (кривая 1), при достижении критического коэффициента интенсивности напряжений происходит скачкообразный рост трещины. Снижение упругих напряжений при раскрытии трещины тормозит ее продвижение, по достижении очередного критического уровня концентрации напряжений трещина страгивается вновь и процесс разрушения продолжается по этому же механизму. Остановку и скачкообразное раскрытие трещины наблюдали при изгибе до 3-5 раз, рисунок 3.12.а. Излом мелкозернистый, матовый, вязкий с большими скосами и развитой поверхностью, рисунок 3.12.
Разработка технического задания на состав и технологию термической обработки заготовок валов винтовых забойных двигателей из стали 12Х2Г2НМФБ
Положительные результаты исследований позволили разработать техническое задание (приложение 1) на сталь и технологию обработки заготовок деталей винтовых забойных двигателей, изготовить опытные партии деталей винтовых забойных двигателей, провести их натурные испытания. В настоящее время начата подготовка к серийному производству деталей винтовых забойных двигателей из НМС 12Х2Г2НМФБ. Разработка технического задания на состав и технологию термической обработки заготовок валов винтовых забойных двигателей из стали 12Х2Г2НМФБ
К валам винтовых забойных двигателей предъявляют следующие требования: ав 1100 МПа, а0)2 900 МПа, 5 7 %, KCU 0,5 МДж/м2. Свойства должны быть обеспечены в сечении детали 120 мм. Для обеспечения качественной поверхности изделия и возможности механической обработки выбран диаметр заготовки 130 мм. Длина вала винтового забойного двигателя 950 мм, длина заготовки кратна 1160 мм.
Состав новой низкоуглеродистой мартенситной стали 12Х2Г2НМФБ [137] для валов винтовых забойных двигателей, таблица 5.1, обеспечивал получение структуры пакетного мартенсита в заготовках и деталях сечением свыше 150 мм при охлаждении с температуры аустенитизации на спокойном воздухе.
Для обеспечения высоких механических характеристик к металлургическому качеству заготовок предъявляются требования отсутствия усадочных раковин, подусадочных рыхлостей, пузырей, трещин, флокенов, расслоений, пустот, инородных включений, Контроль макроструктуры по ГОСТ 4543-71, п.2.17, п.2.18. Загрязненность стали неметаллическими включениями (оксиды, силикаты, сульфиды) - не более 2,0 баллов (ГОСТ 1778-70). Дефекты макроструктуры: точечная неоднородность, центральная пористость, ликвационный квадрат - не должны превышать 2,0 балла.
Механические свойства заготовок, определенные по методике испытаний ГОСТ 8479-78 после термической обработки, разработанной в ходе данной работы, заключающейся в закалке 950-980 С, на воздухе и отпуске при температуре 290 С, должны соответствовать требованиям таблицы 5.2.
Исследования образцов, вырезанных из различных участков заготовок, показали высокую степень однородности свойств заготовок из стали 12Х2Г2НФМБ по сечению, поэтому для контроля механических свойств достаточно образцов, отобранных с одной стороны заготовки.
Для проведения натурных испытаний на ОАО «Мотовилихинские заводы» была выплавлена опытная плавка из низкоуглеродистой мартенситной стали 12Х2Г2НФМБ, копию сертификата на сталь прилагаем (приложение 2). Масса плавки 2 т. Методом свободной ковки из слитков были изготовлены заготовки для валов винтовых забойных двигателей диаметром 130 мм и длиной кратной 1160 мм, рисунок 5.1.
В связи с необходимостью повышения качества стали провели электрошлаковый переплав на ООО «Камасталь» и последующий прокат. Заготовки были переданы ООО «Радиус-сервис» для проведения механической обработки, изготовления валов винтовых забойных двигателей и проведения натурных испытаний. Исследование проводили на образцах, вырезанных из валов винтовых забойных двигателей, рисунок 5.2, прошедших промышленные испытания. Из различных мест вала, отработавшего полный ресурс, в осевом направлении были вырезаны заготовки размером 15x15x65 мм и изготовлены 112 образцы для испытаний на одноосное растяжение и исследования ударной вязкости. В результате промышленных испытаний в течение нормативного срока, ни один вал не разрушился, на поверхности не было обнаружено трещин и признаков пластической деформации. Один вал был выведен из эксплуатации для определения механических свойств и их стабильности. Механические характеристики образцов из стали 12Х2Г2НМФБ после натурных испытаний приведены в таблице 5.3. Из таблицы 5.3 видно, что механические свойства стали 12Х2Г2НМФБ после промышленных испытаний остаются на высоком уровне и соответствуют техническим требованиям для валов винтовых забойных двигателей. Это так же означает, что обеспечена требуемая стабильность характеристик материала. Структура стали после натурных испытаний - пакетный мартенсит. Натурные испытания показали соответствие характеристик материала валов винтовых забойных двигателей техническим требованиям. НМС 113 12Х2Г2НМФБ использована взамен среднеуглеродистых никелевых сталей 38ХНЗМФА, 34ХНЗМ, 34ХНЗМФА, 30ХН2МФА. Замена обеспечивает повышение прочности в 1,5 раза, ударной вязкости и трещиностойкости в 2 раза, исключены предварительная и окончательная упрочняющая термическая обработка, что позволило значительно сократить продолжительность изготовления детали. Применение стали 12Х2Г2НМФБ увеличивает выход годных деталей, снижает себестоимость и улучшает конкурентоспособность изделий (приложение 3).
В настоящее время валы продолжают функционировать в составе реальных винтовых забойных двигателей, достигнутая продолжительность эксплуатации значительно превышают нормативные сроки.
Похожие диссертации на Формирование структуры и повышение конструкционной прочности низкоуглеродистых мартенситных сталей
