CC BY
29УДК 621. 785
Е.Г.Терещенко, В.В. Галкин, А.А. Дербенев
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ВЫСОКОПРОЧНОЙ КОРРОЗИОННОСТОЙКОЙ СТАЛИ МАРТЕНСИТНОГО КЛАССА ПОСЛЕ ВЫСОКОГО ОТПУСКА
Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева
Дана оценка влияния режимов высокого отпуска на механические свойства, коррозионную стойкость и состояние структуры на примере коррозионностойкой стали мартенситного класса .Приведены данные о сравнении указанных характеристик после горячего прессования, высокого отпуска, а также отпуска с предварительной закалкой. Показано влияние длительности отпуска на механические свойства и размер зерна.
Ключевые слова: прессованный профиль, мартенсит, карбиды, коррозионное растрескивание, величина зерна, механические свойства.
Цель исследования
Коррозионностойкая высокопрочная сталь 08Х15Н5Д2Т поставляется с химическим составом, указанным в табл. 1, и принадлежит по структуре после нормализации к классу мартенситных сталей со стареющим мартенситом, при этом содержание остаточного аусте-нита колеблется от 2 до 10 % [1].
Таблица 1
Химический состав стали 08Х15Н5Д2Т
Элемент Fe Cr Ni Cu Ti Si Mn S P С
Содержание Осн 13,5- 4,8- 1,75- 0,03- < 0,7 < < 0,018 < < 0,08
14,8 5,8 2,5 0,15 1,0 0,02
Из этой стали изготавливаются многообразные полуфабрикаты - листы, ленты, прокат, поковки, штамповки, которые применяются для изготовления сложнонапряженных деталей различного назначения, в основном в авиастроении, в том числе для элементов герметичных емкостей. В соответствии с требованиями чертежей и в зависимости от условий эксплуатации упрочняющая термическая обработка выполняется по двум основным схемам:
1. Закалка + старение. Эта схема обеспечивает предел прочности:
ов= 115.. ,135кгс/мм2 (1128.. .1324 МПа);
2. Закалка + высокий отпуск для обеспечения предела прочности:
ов= 90.. ,100кгс/мм2(883...981 МПа).
Обрабатываемость резанием упрочненных полуфабрикатов затруднена, поэтому перед механической обработкой они подвергаются специальному охрупчивающему отжигу при температуре 660-680°С, после которого сталь приобретает структуру, состоящую из мартенсита и многочисленных карбидов типа Cr2зC6, расположенных внутри и по границам зерен.
Целью настоящей работы было сравнение механических свойств, коррозионной стойкости, а также структурных характеристик для установления возможности выбора экономно-оптимального варианта высокого отпуска, обеспечивающего заданные эксплуатационные характеристики стали, термически обработанные с пределом прочности ов =100±10 кг-с/мм (981±98 МПа).
© Терещенко Е.Г., Галкин В.В., Дербенев А.А., 2013.
Методика исследования
Исследование проводилось на образцах, изготовленных из унифицированного прессованного профиля мартенситно-стареющей стали 08Х15Н5Д2Т промышленной выплавки, имеющей химический состав, указанный в табл. 2.
Таблица 2
Химический состав исследуемых образцов
Основные элементы Сг N1 Си Т1 С
Содержание 15,5 4,95 2,1 °,13 °,°7
Исходное состояние образцов - горячепрессованное, без термической обработки.
Заготовки образцов, размером 12х12х70 и 2,5х15х150, подвергались термической обработке в лабораторных печах типа СНОЛ по заданным режимам, указанным в табл. 3, после чего проводились механические испытания, металлографический анализ и определение коррозионной стойкости.
Режимы термической обработки назначались на основании требований получения заданных чертежом свойств.
Для сравнения приведены также результаты испытаний образцов в исходном состоянии, после специального охрупчивающего отпуска (670°), и после закалки с 1= 95°°С.
Проведение исследований выполнялось по стандартным методикам:
- определение показателей механических свойств ов,о°,2,5,у проводилось по
ГОСТ 1497; КСИ - по ГОСТ 9454, измерение твердости НВ - по ГОСТ 9012. .
Микроструктура исследовалась на обломках ударных образцов.
Коррозионная стойкость определялась на образцах размером 2х15х150 по ГОСТ9.901.2 методом коррозионного растрескивания.
Представляла также интерес количественная оценка зеренного состояния стали, которая проводилась по методике, изложенной в [2]. В настоящей работе определялась средняя площадь зерна Бср.
Результаты исследования
Результаты исследований представлены в табл. 2, и на снимках микроструктур (рис. 1-4).
Из приведенных результатов табл. 2 видно, что максимальные значения предела прочности - ов, предела текучести - о°,2, при наименьших относительном удлинении 5, относительном сужении у и ударной вязкости КСИ, - имеют место в случае, когда образцы подвергнуты закалке с 1= 950±10°С, когда большая часть легирующих элементов находится в твердом растворе, а структура стали - мартенсит закалки. В таком состоянии сталь не применяется.
В остальных случаях наибольшие значения предела прочности 970...995 МПа и предела текучести 864.877 МПа сталь имеет в состоянии поставки, т.е. после горячего прессования, что может быть объяснено имеющим место «пресс-эффектом», и при этом другие показатели - о°,2, 5, у - также высокие. Немного ниже лишь относительное удлинение и твердость НВ.
Микроструктура этих образцов -мартенсит и карбиды, расположенные как внутри, так и по границам бывшего аустенитного зерна (рис. 1).
Таблица 3
Результаты механических испытаний образцов после термической обработки
Номер Режим термооб- ов,МПа 00,2,МПа 5,% V,% HB, КСи,кгс/см2
образца работки d отп.
1 Отпуск 620°С, 917 792 20,0 66,7 3,8 17,70
выдержка 1 ч 931 804 20,0 66,2 3,8 19,70
2 Отпуск 620°С, 893 794 20,0 67,8 3,75 19,70
выдержка 2 ч 922 843 19,2 66,6 3,8 20,20
3 Отпуск 620°С, 907 789 20,0 66,7 3,85 17,90
выдержка 3 ч 897 789 20,0 67,4 3,8 21,00
4 Отпуск 620°С, 907 721 20,0 69,6 3,8 18,90
выдержка 4 ч 888 718 19,2 67,8 3,9 19,20
5 Закалка 950 С, 965 867 20,0 65,0 3,6 18,60
выдержка 941 828 19,2 65,5 3,7 17,50
30 мин, охла-
ждение в воде,
отпуск 610°С,
выдержка 1 ч
6 Закалка 950 С, 882 828 20,0 65,5 3,7 19,20
выдержка 939 833 20,0 64,4 3,7 19,00
30 мин, охла-
ждение в воде,
отпуск 610°С,
выдержка 2 ч
7 Закалка 950 С, 916 811 19,2 68,0 3,75 18,50
выдержка 931 815 19,2 65,5 3,75 17,80
30 мин, охла-
ждение в воде,
отпуск 610°С,
выдержка 3 ч
8 Закалка 950 С, 936 804 18,0 66,5 3,75 17,90
выдержка 921 815 18,0 65,5 3,7 18,90
30 мин, охла-
ждение в воде,
отпуск 610°С,
выдержка 4 ч
9 Отжиг 670 С, 911 809 20,0 69,0 3,8 19,50
выдержка 2 ч 931 828 18,0 68,5 3,8 19,80
10 В исходном со- 970 864 16,8 68,0 3,65 15,80
стоянии 995 877 16,8 67,5 3,65 18,50
11 Закалка с 950°С, 115,0 102 14,0 63,0 13,,8
выдержка 115,0 103 16,0 63,5 13,,0
30 мин, охла-
ждение в воде,
выдержка 30 мин
Высокий отпуск при температуре 62°°С без предварительной закалки, как следует из табл. 3, приводит, по сравнению с исходным состоянием, к понижению предела прочности до 888.. ,922МПа, предела текучести до718...843 МПа.При этом наблюдается повышение значений относительного удлинения до 19,2.20%, ударной вязкости до 17,7.21,0 кгс/см , относительного сужения 65,0.68,0 %. Объяснение этому находим в анализе микроструктуры - наблюдается заметное увеличение размеров зерен, т.е. при этих режимах
(Г = 620иС, выдержка 1...4 ч) происходит собирательная рекристаллизация горячепрессо-ванной стали (рис. 2).
Рис. 1. Микроструктура стали в исходном (горячепрессованном) состоянии.
Увеличение х340 8ср 79-84 мкм2
Рис. 2. Микроструктура стали после отпуска при температуре 620°С без предварительной закалки. Увеличение х340 8ср 109-138 мкм2
Структура стали после отпуска 6200С - мартенсит и карбиды Сг23 С6 [1], выделившиеся как внутри зерен, так и в виде сетки по границам аустенитного зерна (рис. 2).
Следует обратить внимание на то, что в этой группе образцов зерна имеют различную форму и неоднородны по размеру.
Изменение свойств можно объяснить, очевидно, процессами собирательной рекристаллизации, проходящей неодинаково и неодновременно [3].
В табл. 3 показана также некоторая зависимость свойств от времени отпуска при температуре 6200С: при увеличении длительности отпуска наблюдается небольшое уменьшение предела прочности, предела текучести при почти неизменных значениях твердости и небольшом понижении относительного удлинения. Это может быть объяснено ростом и коагуляцией карбидной фазы Сг23 С6.
Образцы, подвергнутые отпуску при температуре 6100С с предварительной закалкой,
показали более высокие по сравнению с режимами 1-4 механические свойства: Ов= 882-965 МПа; о°,2 =8°4-867МПа;5 = 18-20%; у = 65-68% КСИ=17,5-18,9 кгс/см2.
Для этой группы образцов характерно более заметное изменение свойств с увеличением длительности отпуска.
Микроструктура стали в этом случае также представляет собой мартенсит и карбиды, однако зерна бывшего аустенита заметно мельче и однороднее (рис. 3).
Рис. 3. Микроструктура стали после закалки с температуры 950°С и отпуска при температуре 610°С. Увеличение х340 8ср 56 мкм2
Значит, при термической обработке по этим режимам произошла полная перекристаллизация стали.
На рис. 4 показаны образцы, термически обработанные по режимам 4 и 8, испытанные на коррозионное растрескивание с последующим загибом до угла 180° . Очевидно, что образцы испытание выдержали.
Рис. 4. Вид образцов после испытания на коррозионное растрескивание с последующим изгибом до 180°
Выводы
1. Проведено исследование влияния высокого отпуска на структуру, механические свойства и коррозионную стойкость коррозионностойкой высокопрочной мартенсито-стареющей стали 08Х15Н5Д2Т, находящейся в различных исходных состояниях.
2. Установлено, что наиболее высоким комплексом свойств обладает сталь после термической обработки по режиму: закалка 9500С,выдержка 30 мин, охлаждение в воде, отпуск 6100С, выдержка 1 -2 ч, которая обеспечивает мелкозернистую микроструктуру с однородными зернами.
3. Длительность отпуска понижает прочностные характеристики за счет увеличения размеров и количества карбидной фазы Cr23 C6.
4. Образцы выдержали испытание на коррозионную стойкость.
Библиографический список
1. Потак, Я.М. Высокопрочные стали / Я.М. Потак. - М.: Металлургия, 1972.
2. Галкин, В.В. К вопросу о построении диаграмм рекристаллизации металлов / В.В. Галкин, Е.Г. Терещенко, А.В. Кошелев, А.А. Дербенев // Заготовительные производства в машиностроении. 2013. №3. С. 43-46.
3. Арзамасов, Б.Н. Материаловедение / Б.Н. Арзамасов. - М.: Машиностроение, 1986. - 384 с.
Дата поступления в редакцию 21.11.2013
E. Tereshenko, V. Galkin, A. Derbenev
HIGH-STRENGTH, WEAR RESISTANCE STEEL OF THE MARTENSITIC TYPE STRUCTURE AND PROPERTIES INVESTIGATION AFTER THE HIGH TEMPERING
Nizhny Novgorod state technical university n.a. R. E. Alexeev
Purpose: Comparison of the mechanical properties, corrosion resistance, and also structural characteristics for the establishment of a possibility of a choice of economical and optimum option of the high tempering providing set operational characteristics of steel, thermally processed with strangth was the purpose of the real work ов =981±98 МПа.
Design\methodology\approach: Technique Research was conducted on the samples made of the unified pressed profile of martensit-growing old steel 08Х15Н5Д2T. Preparations of samples, 12х12х70 and 2,5х15х150 in size, were exposed to heat treatment in laboratory furnaces on the set modes, then mechanical tests, the metalgraphic analysis and determination of corrosion resistance were carried out. Research limitations\implications: It was established that the highest complex of properties steel after heat treatment on a mode possesses: training 9500C, endurance of 30 min., cooling in water, tempering 6100C, endurance 60-120 min which provides a fine-grained microstructure with uniform grains.The duration of tempering is lowing the strength characteristics at the expense of increase in the sizes and quantity of the carbide phase Cr23 C6.The samples were pass the test for corrosion resistance.
Originality\value: The research of the high tempering influence to the structure of the steel, to the mechanical properties, to the size of the austenitic grain and the corrosion resistance of the corrosion-resistant high-strength steel 08Х15Н5Д2T being in various initial conditions was conducted.
Key words: pressed block profile, martensite, carbons, corrosion crack formation, grain damnation, mechanical properties.
