Введение к работе
Актуальность работы. В последние два десятилетия возрос интерес исследователей к ультрамелкокристаллическим материалам. К таким материалам принято относить нанокристаллические и субмикрокристаллические. Среди альфа-сплавов железа получение ультрамелкокристаллической структуры без высокоэнергетического воздействия возможно у сталей со структурой пакетного мартенсита и магнитных сплавов, рабочая структура которых формируется в результате спинодального распада.
Работа посвящена повышению комплекса механических и специальных свойств низкоуглеродистых мартенситных сталей (НМС) и концентрационно-неоднородных магнитных сплавов на основе системы железо-хром-кобальт (ХК) термическим воздействием.
Дальнейшее совершенствование работоспособности деталей связано с диспергированием структуры и получением нанометрического размера характерного элемента. В связи с этим актуальным является изучение зеренной и тонкой структуры, морфологии и состава фаз, распределения легирующих элементов, структурных составляющих и связь исследованных характеристик с функциональными свойствами альфа-сплавов железа.
К наносплавам относят НМС со структурой низкоуглеродистого мартенсита, если хотя бы один из размеров реек меньше 100 нм, и магнитные материалы системы ХК после окончательной термообработки, если структура состоит из двух альфа-фаз нанометрических размеров со слабо отличающимися параметрами решетки.
Тематика диссертации согласуется с программой развития наноиндустрии в РФ до 2015 года (президентская инициатива «Стратегия развития наноиндустрии», № Пр-688 от 24 апреля 2007 г.), 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», государственные контракты № 4293р/6718 и № 5736р/8277, грантов РФФИ 07-08-96007-р_урал_а и 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).
Особенностью НМС является образование в результате закалки пакетного мартенсита - основной структурной составляющей сталей данного класса, в то время как при закалке ХК для получения требуемых магнитных характеристик мартенситное превращение должно быть полностью исключено. НМС и ХК имеют структуру а-фазы, для установления закономерностей формирования которой при термическом воздействии требуются одинаковые методы исследований, в обоих случаях: для достижения высоких свойств размер характерного элемента структуры должен быть нанометрическим; получение такого размера возможно термической обработкой без применения высокоэнергетических воздействий; существуют достаточно узкие интервалы варьирования характерных элементов структуры, обеспечивающие сочетание высоких эксплуатационных характеристик.
Научная проблема: формирование структуры сплавов железа с ОЦК кристаллической решеткой: низкоуглеродистых мартенситных сталей и концен-трационно-неоднородных сплавов на основе системы железо-хром-кобальт с нанометрическим размером основных характерных элементов при многоцикловой термической и термомагнитной обработках.
Цель и задачи исследования. Изучение процессов структурообразования в а-сплавах на основе железа с нанометрическим размером характерного элемента при различных видах термического воздействия для повышения эксплуатационных характеристик гидравлических забойных двигателей и датчиков моментов.
Создание и исследование новых наноструктурированных мартенситных низкоуглеродистых сталей и магнитных материалов требует решения следующих задач:
Исследовать тонкую структуру и структурно-фазовые переходы при нагреве, многоцикловой термической обработке (МЦТО), высокотемпературной гомогенизации сплавов на основе железа с нанометрическим и субмикронным размером характерного элемента.
Исследовать превращения при термомагнитной обработке, охлаждении и отпуске, установить размеры и законы распределения элементов структуры, определяющих комплекс механических и магнитных свойств наноструктурированных материалов.
Разработка параметров термообработки для объемного наноструктури-рования материалов конкретных изделий: гидравлических забойных двигателей и датчиков моментов.
Положения, выносимые на защиту.
Закономерность смещения начала мартенситного перехода в область повышенных температур по мере роста числа циклов нагрев-охлаждение НМС.
Законы распределения зерен аустенита по размерам при нагреве и существование особого вида структурной наследственности в НМС - наследование закона распределения зерен аустенита мартенситом.
Параметры МЦТО, позволяющие диспергировать зерна аустенита НМС до размера в несколько мкм и обеспечивающие нанометрическую и субмикронную ширину реек низкоуглеродистого мартенсита.
Составы, режимы обработок и параметры структуры концентрационно-неоднородных магнитных материалов на основе системы ХК, обеспечивающие сочетание высоких магнитных и механических характеристик сплавов.
Научная новизна.
1. Обнаружено образование двух морфологических типов мартенсита: реечного и глобулярного фрагментируемых при многоцикловой термической обработке (МЦТО) НМС. Реечный и глобулярный мартенсит обуславливают в целом характеристики прочности и вязкости. Лучшее сочетание характеристик механических свойств обеспечивает МЦТО с двукратным нагревом за каждый цикл до 950 С и 850 С и последующим низкотемпературным отпуском. Такая обработка обеспечивает у НМС 15Х2Г2НМФБ, обладающих структурной на-
следственностью, фрагментированную глобулярно-реечную структуру со средней шириной реек 90 нм, наиболее вероятный размер - 75 нм.
Выявлено, что с высокой вероятностью закон Луа и логнормальное распределение размеров зерен сохраняются в широких интервалах варьирования температуры нагрева НМС, несмотря на возрастание при увеличении температуры отличий среднего и наиболее вероятного размеров зерен. Закон распределения размера реек НМС наследует закон распределения зерен аустенита.
Обнаружено смещение локальных экстремумов на графиках кривых, полученных методом дифференциальной сканирующей калориметрии, в область повышенных температур и рост температуры начала мартенситного перехода при МЦТО НМС по мере увеличения числа циклов нагрев-охлаждение, что обусловлено расслоением твердого раствора в процессе многоцикловой термической обработки.
Установлено, что по мере гомогенизации концентрационно-неоднородных сплавов на основе системы ХК распределение хрома и кобальта стремятся к логарифмически нормальному закону, при этом высокие магнитные и эксплуатационные характеристики соответствуют значениям коэффициентов вариации концентрации ниже 0,1.
Показано, что в концентрационно-неоднородном сплаве 30Х23КСА расслоение твердого раствора с образованием он (фазы с повышенной концентрацией Со) со значением параметра а = 2,8843 А и а2 (фазы с повышенной концентрацией Сг и Мо) со значением параметра а = 2,8950 А происходит в интервале температур 650-500 С. Значение параметра с для он и а2 фаз совпадает: с = 2,8857 А.
Практическая значимость.
Установленные закономерности структурных превращений при термическом воздействии на сталь марки 15Х2Г2НМФБ позволили повысить работоспособность, технологичность и улучшить экологические показатели технологического процесса изготовления деталей («переводник РУ верхний» и «полумуфта шарнира») гидравлических забойных двигателей на предприятии ООО «Фирма Радиус-Сервис».
Разработаны параметры режимов термической обработки промышленной стали марки 15Х2Г2НМФБ, позволяющие достичь прочность (ав) 1500 МПа при KCV более 1,0 МДж/м2. Ранее достигнутые механические свойства промышленных НМС: ав= 1300 МПа, KCV = 0,9 МДж/м2. Новые технологические режимы позволяют получать нанометрический размер реек мартенсита.
Предложены технологические режимы термического воздействия для получения концентрационно-неоднородных магнитных сплавов на основе ХК с нанометрическим размером основных фаз и высокими эксплуатационными свойствами. Магнитные материалы испытаны в составе изделий (ДМ-20, ДМ-21) на ОАО «Пермская научно-производственная приборостроительная компания» и предложены для замены направленно-кристаллизованных сплавов системы железо-никель-алюминий-кобальт.
В качестве объекта следований выбраны сплавы железа со структурой ОЦК, предмет исследований - формирование субмикронных и нанометриче-ских размеров характерных элементов структуры данных сплавов при различных видах термического воздействия.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на следующих конференциях: III Международной конференции «Современная металлургия начала нового тысячелетия», г. Липецк, 31.10-3.11 2006 г.; VI международной научно-практической конференции «Исследование разработка и применение высоких технологий в промышленности», г. Санкт-Петербург, 16-17 октября 2008 г.; Международной научно-практической конференции «Перспективные технологии и материалы», г. Пермь, 2008 г.; XIX Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», посвященной 100-летию со дня рождения академика В.Д. Садовского, г. Екатеринбург, 2008 г.; «X Международная научно-техническая уральская школа-семинар металловедов-молодых ученых», г. Екатеринбург, 7-11 декабря 2009 г.; XX Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», посвященной 100-летию со дня рождения Н.Н. Липчина, г. Пермь, 1-5 февраля 2010 г.
Личное участие. Все экспериментальные исследования по теме диссертации, как в лабораторных так и в производственных условиях, а также обработка и анализ полученных результатов выполнены лично автором.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и приложений. Работа изложена на 187 страницах, включая 64 рисунка, 19 таблиц и 10 приложений. Список использованных источников содержит 124 наименования.
Работа является частью исследований, проводимых каф. МТО ГОУ ВПО ПГТУ.
Автор выражает благодарность д.т.н., профессору Шацову А.А., к.т.н., профессору Иванову А.С., д.ф.-м.н., профессору Спиваку Л.В., к.т.н. Уксусни-кову А.Н., сотрудникам кафедры «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов» Пермского государственного технического университета, за помощь и поддержку, оказанные при выполнении работы.
