Введение к работе
іктуальность темы. Конструкционные и специальные стали составляют фиальную базу машиностроения. Уже сегодня создана очень широкая енклатура высококачественных легированных сталей и продолжается іаботка еще более совершенных для эксплуатации в экстремальных условиях .ішєшшх статических, динамических, циклических удельных нагрузок, іератур, агрессивных сред, износа.
іместе с тем, использование этих сталей в мировом машиностроении и >енно в условиях Украины делается все более проблематичным. Это связано с чэянтга возрастающим дефицитом и стоимостью основных легирующих іентов таких, как никель, вольфрам, молибден, кобальт, ниобий, ванадий и др. 'азличными исследователями, в основном, в ФТИМС НАН Украины іаботаньї оптимальные параметры комплексного легирования азотом и ідием углеродистых и низколегированных конструкционных ей.обеспечиваюшие повышение комплекса их механических, служебных и гологических свойств более эффективное, чем традиционное легирование йгбденом, вольфрамом, никелем.
Скопленный автором опыт показывает, что и в случае легированных (иальных сталей комплексное легирование азотом и активными прообразующими элементами (V, Nb, Ті) является эффективным методом лшения всего комплекса их свойств при существенном снижении степени ірования никелем, молибденом, вольфрамом, ванадием, ниобием. Однако, до ановки настоящей работы отсутствовало теоретическое и технологическое ;нование оптимальных пределов легирования азотом, ванадием, ниобием, ном специальных сталей различных классов.
( первую очередь, это относится к сталям инструментальным (штамповым), юзионностойким, жаропрочным, которые наиболее массово используются в иностроении из перечня специальных сталей.
[аправленная на создание теоретических и технологических основ разработки ^пользования специальных сталей с карбонитридным упрочнением работа а выполнена в Институте проблем литья Академии наук Украины (с 1996г.-ико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины) в период 4998 г.г.
;впзь работы с научными программами, планами, темами. Диссертация является обобщением научных исследований и результатов, таенных автором при вьшолнении научно-исследовательских работ по ановлениям Государственных и директивных органов, в том числе:
Государственной научно-технической программы 07 "Машиностроителі продукция; Республиканской научно-технической программы РН.82.( "Материалоемкость"; контрактов №91144/07-29-96 и №97-92026/07-29-9' Минпромполитики Украины, тем по программам ГКНТ и Миннауки Украї 5.43.07/092-92; 07.02.04/048-92; 7.02.04/089-92; 5.42.03/042-93; 5.42.08/143 06.02.03/003K-95; 04.03.02/002К-95; 4.3/25-94; 05.02/00490-97; 04.01/00502-97; НИР по планам НАН Украины 2.21.1.146; 0.16.05.18.182; 1.6.5.226; 1.6.5. 1.6.5.404.
В постановке задачи исследований, их методическом обоснова критическом обсуждении полученных результатов большую помощь ав-оказал консультант член-корреспондент НАН Украины Бабаскин Ю.З., проведении ряда экспериментальных исследований и их практической реализг помощь автору оказали сотрудники отдела дисперсионно-упрочненных спя ФТИМС, руководители металлургических служб и работники ] машиностроительных предприятий, которые осваивали разработанные в раї стали и технологии. Автор выражает им искреннюю благодарносп признательность за оказанную помощь.
Цель и задачи исследований - Исследование, анализ и теоретиче> обобщение влияния азота и нитридных фаз на формирование структуры и сво: средне- и высоколегированных специальных (инструментальных штампо: коррозионностойких ферритных и мартенситных, жаропрочных аустенип сталей и разработка теоретических и технологических основ создали производства экономнолегированных сталей с карбонитридным упрочнением.
Для достижения поставленной цели исследованы, определены и разработав
- допустимые пределы легирования азотом и нитридообразующими элемент
основанные на растворимости азота в жидком и твердом метг
термодинамических и кинетических параметрах выделения и раствор^
нитридов, морфологических закономерностях их выделения;
механизм и закономерности влияния легирования азотом нитридообразующими элементами на процессы кристаллизации, затвердевг формирования дендритной структуры сталей, затвердевающих в б (а) -модификациях кристаллической решетки;
- механизмы и закономерности влияния азота и нитридных фаз на формиров
микро- и субструктур мартенситных, ферритных и аустенитных сталей, в
числе, на формирование мартенсита и структур его отпуска, проц
расслоения и распада пересыщенного твердого раствора в однофа;
ферритных и аустенитных сталях, сегрегацию в них элементов и
механизм релаксации в этих сталях структурно-термических напряжений
выделении фаз внедрения;
исимости механических, служебных и технологических свойств штамповых, савеющих 13% хромистых, коррозионностойких однофазных ферритных типа І8Т, жаропрочных аустенитных и аустенито-ферритных с 6-24% никеля 2Й от легирования азотом и нитридообразуюшими элементами, структурного эяния, химической и структурной неоднородности металла; псретные марки сталей с карбоштридным упрочнением указанных ютассов и олоппг их выплавки и термической обработки.
аучная новизна полученных результатов. Установлено, что предельная гнь легирования азотом мартенситньгх, однофазных ферритных и гнитгшх специальных сталей, кристаллизующихся в 5(a)- кристаллической :тке, лимитируется его растворимостью в твердом металле, а аустенитных, таллизующихся в у-кристаллической решетке - в расплаве. Предельная ;нь легирования V, Nb, Ті в основном лимитируется закономерностями эграничного и ликвационного выделения нитридов размерами более 5 мкм. первые экспериментально подтверждено, что при комплексном легировании ш и нитридообразующими элементами, решающее модифицирующее ние на дендритную структуру связано с концентрационным уплотнением )м фронта кристаллизации, связанным с этим уменьшением линейной эсти кристаллизации и изменением теплофизических условий затвердевания, гктивпость модифицирования азотом возрастает с повышением скорости ждения, расширением интервала затвердевашія и уменьшением легированием :оэффициента распределения, который в аустенитных сталях дополнительно целяется влиянием легирования на температуру 8-»у превращения в овале затвердевания.
ікономерное, повышающееся с увеличением количества нерастворившихся іустенитюации нитридов ванадия, уменьшение размера аустенитного зерна и шение плотности первичных и вторичных дислокаций, снижение ературы Мн по мере увеличения количества твердорастворных азота и хая, снижение ванадием диффузионной подвижности углерода обеспечивают ктивное диспергирование мартенсита и1 продуктов его распада, снижение )сти роста и коагуляции фаз выделения, повышение температуры пика ;рсионного твердения и снижение скорости разупрочнения при высоком же мартенситньтх легированных специальных сталей.
і основе анализа зависимостей влияния азота и высокотемпературных ідньїх фаз на процессы расслоения и распада пересыщенного твердого ора, сегрегационные процессы, формирование микро- и субструкгуры іьіє установлен механизм подавления необратимого высокотемпературного ічивания высокохромистого феррита высокотемпературной нитридной \, связанный с заменой механизма релаксации структурно-термических
напряжений с двойникования на полигонизацию и подавлением зернограт сегрегации элементов и фаз внедрения.
В результате выполненных исследований формирования струк механических, технологических и эксплуатационных свойств созданы научі технологические основы разработки нового поколения высококачестве экономнолегированных специальных сталей и технологий их производства.
Практическое значение полученных результатов. Разработаны і специальных сталей с карбонитридным упрочнением и технологи! производства. Опытно-промышленная проверка и внедрение в произво, показали значительное повышение эксплуатационной долговечности изделі них при сокращении расхода дефицитных и дорогостоящих легируї элементов. Так, замена сталей 5ХНМ(Л) на сталь 5ХНМАФ(Л) пові долговечность молотовых и прессовых штампов в 1,6-2,5 раза, в том числі сокращении расхода молибдена на 2,0-3,5 кг/т. Сталь 5ХНМАФ(Л) внедреі предприятиях п/я А-3595 г.Челябинск, Челябинском тракторном за Херсонском заводе карданных валов, КП «Киевтрактородеталь» и yen опробована в производстве на предприятиях п/я А- 3681 г.Волгоград. «Буммаш» г.Ижевск, п/я Г-9408 г.Каменск-Уральский, п/я Р-6189 r.Bej Салда, п/я В-2780 г.Красноярск, ПО «Уралхиммаш», АО Ново-Крамато} машиностроительный завод. Замена сталей 45ХЗВЗМФС, 40Х5МФ1С и друг 30Х6МАФЛ повысила долговечность тяжелонагруженных прессовых штамі пресс-форм в 2-2,5 раза при сокращении суммарного расхода вольф молибдена и ванадия на 30-50 кг/т. Сталь 30Х6МАФЛ внедрена на Херсої заводе карданных валов, КП «Киевтрактородеталь» и успешно опробовг производстве на киевских КиГАЗ «Авиант» и ПО «Арсенал». Замена 20Х13Л на сталь 20Х13АФЛ почти в 2 раза повысила долговечность pat колес насосов для перекачки грунтовых сероводородосодержащих вод. < 20X1ЗАФЛ внедрена на Тульском оружейном заводе и успешно опробов; производстве на Сумском «МНПО им. Фрунзе» и ПО «Нижневартовск-не Разработанная коррозионностойкая ферритная сталь 04X18АФ практичесі служебным и технологическим свойствам не уступает аустенитным сталям Х18Н12Т. Она успешно опробована на Сумском «МНПО им. Фр) Жаропрочные аустенитные стали с карбонитридным упрочнением повышаю 5 раз эксплуатационный ресурс оснастки термического и обжиг оборудования при уменьшении на 20т170 кг/т расхода никеля. < 30Х18Н18АФБЛ внедрена на Челябинском тракторном заводе, 30Х24Н1ОАТС2Л и 30Х23Н7АТС2Л приняты МВК и внедрены на Куйбншеї сталелитейном заводе, сталь 40Х25Н19С2АФТЛ успешно опробована ге «КамАЗ».
ичный вклад соискателя состоит в том, что, будучи инициатором, водителем и ответственным исполнителем работы, он принимал средственное участие в разработке методик, выполнении расчетов и гриментов, анализе и обработке экспериментальных данных. Обобщение ченных результатов, написание статей в соавторстве выполнялось под водством и при непосредственном участии автора. Основные научные и этические положения, представленные в диссертации, разработаны автором о. Освоение и внедрение в производство разработанных сталей и технологий одилось при непосредственном активном участии автора совместно с дашками отдела дисперсионно-упрочненных сплавов ФТИМС и гниками соответстветствующих предприятий.
пробация результатов диссертации. Основные положения и результаты гы доложены и обсуждены на международных, всесоюзных и украинских іеренциях: "Вторая конференция по высокоазотистым сталям" (Киев, 1992 г.), гья международная конференция - Высокоазотистые стали - HNS93" (Киев, г.), "Мировой конгресс литейщиков" (Беинг, Китай, 1995г.), Семинар пейской комиссии ООН "Новые материалы и их применение в іностроении" (Киев, 1992г.), Восьмой семинар с международным участием >аботка, производство и применение инструментальных сталей и сплавов" в, 1998г.) и еще на 23 всесоюзных и украинских научно-технических еренниях в период 1978-1998 г.г.
[убликацнн. Содержание работы опубликовано в 67 научных трудах , в том г одной монографии (с соавторами) , 6 статьях без соавторов и получено 37 5СКИХ свидетельств на изобретения и патенты. Основные публикации, >ские свидетельства и патенты приведены в списке опубликованных эиалов (см.ниже).
груктура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 273 шцах текста, 115 рисунках и 57 таблицах, состоит из вступления, пяти лов, выводов, списка литературы из 230 названий и 31 приложения на 112 пщах.
