CC BY
114
УДК
ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ КОМПЛЕКСА СВОЙСТВ КРУПНЫХ ОТЛИВОК ИЗ ЛЕГИРОВАННЫХ
СТАЛЕЙ
А.А. Мовлян, доцент, к.т.н., ХНАДУ
Аннотация. Изучено влияние структурной наследственности на механические свойства литой стали 35ХГСЛ с исходной крупнозернистой структурой. В результате нагрева до температуры 1080 оС (выше точки Ь Чернова) ударная вязкость возросла более, чем в три раза, относительное сужение увеличилось вдвое, несколько возросло относительное удлинение, ав сохранилось практически неизменным.
Ключевые слова: структурная наследственность, аустенитное зерно, точка Ь Чернова, отливка, механические свойства.
Введение
Обычно применяемые в практике режимы термической обработки, направленные на исправление литой или сильно перегретой стали путем однократного нагрева несколько выше критической точки Ас3 (нормализация, отжиг) довольно часто не достигают цели. В результате таких однократных нагревов получается неудовлетворительный вид излома, что, как правило, соответствует низким значениям механических свойств, в первую очередь, характеристик ударной вязкости и пластичности стали. Возникает необходимость в применении более сложных режимов обработки: двойной нормализации или двойного отжига, гомогенизации с последующей нормализацией, предварительной высокой нормализации (от 1050° - 1150° С ) с последующей обычной нормализацией или отжигом ( от 850° - 900° С ) и т.п.
Анализ публикаций
Невозможность исправления крупнозернистой структуры с помощью нагрева на 50-60 °С выше точки Ас3 связана со структурной наследственностью, обусловленной соблюдением принципа кристаллогеометрического соответствия превращающихся фаз [1-3].
Структурный механизм образования аустенита при нагреве стали зависит от скорости нагрева. Существуют определенные критические скорости, при нагреве с которыми проявляется эффект восстановления аустенитного зерна. Их значения зависят от химического состава стали - как от содержания углерода, так и от степени легиро -ванности В стали, имеющей кристаллографически упорядоченную структуру, в частности вид-
манштеттову, крупное зерно восстанавливается в результате нагрева выше Ас3 в том случае, если скорость нагрева очень мала (~ 1 - 10 °/мин) либо очень велика (~ 100 - 200 °/мин). Если сталь нагревать с промежуточной скоростью, то фазовая перекристаллизация сопровождается структур -ной, и при нагреве выше точки Ас3 зерно получается мелким.
Нагрев крупных отливок в процессе термической обработки, как правило, происходит со скоростями, не превышающими 10 °/мин и, следовательно, не приводит к исправлению структуры после перехода через Асз. Измельчение восстановленного зерна может быть достигнуто нагревом до более высокой температуры - выше точки Ь Чернова, что обусловлено рекристаллизацией аустени-та, получившего фазовый наклеп при а ® Т превращении.
В работе [2] приведены положения точки Ь Чернова в литых сталях, легированных карбидообразующими (Сг, Мп ) и некарбидообразующими ^, № ) элементами. Для всех исследованных дои заэвтектоидных сталей интервал структурной перекристаллизации лежит в температурной области, значительно превышающей Ас3, причем, чем больше содержание легирующего элемента, тем выше положение интервала.
Эти данные могут быть полезными для назначения режимов термической обработки крупногабаритных отливок из легированных сталей, предназначенной для исправления крупнозернистой структуры и повышения комплекса механических свойств.
Цель и постановка задачи
Крупная отливка из стали 35ХГСЛ в исходном состоянии имела крупное зерно ^ ~ 200 мкм) и низкий комплекс механических свойств. Цель работы - выбрать температуру нагрева в надкритической области, обеспечивающую получение минимального зерна и оптимального комплекса механических свойств.
Влияние структурной наследственности на механические свойства литой стали 35ХГСЛ с исходной крупнозернистой структурой
Нагрев заготовок осуществлялся со скоростью, не превышающей 2 °/мин, до температур надкритического интервала, включая точку Ь Чернова. После соответствующей выдержки заготовки охлаждали в масле, окончательной термической обработкой служил отпуск при 500 °С с охлаждением в масле. В исходном состоянии сталь имела такие механические свойства: св = 1300 МПа, у = 20 %, 5 = 9 %, КСи = 14 Дж/см2. После нагрева до температуры, немного превышающей А с3 (880 °С), в стали сохранилось крупное зерно. При этом временное сопротивление едва превысило 1000 МПа, значение КСи оказалось ниже 30 Дж /см2. Обращает на себя внимание то обстоятельство, что хотя зерно сохранилось крупным и ударная вязкость находится на низком уровне, значения относительного удлинения и поперечного сужения значительно возросли по сравнению с исходными ( 5 = 15 %, у = 52,5 %). Эти результаты свидетельствуют о том, что состояние стали нельзя охарактеризовать каким-либо одним структурным фактором. Ударная вязкость является свойством стали, очень чувствительным к размеру зерна. Что же касается пластичности, то на ее показатели, кроме размера зерна, оказывают влияние энергия границ зерен, угол разориентировки зерен, распределение дислокаций и т.д.
С повышением температуры нагрева в надкритической области значения ударной вязкости постепенно возрастают, достигая максимума после нагрева выше точки Ь Чернова. Это связано с тем, что рекристаллизация, приводящая к измельчению зерна, при медленном нагреве протекает в довольно широком температурном интервале. Максимальное значение КСи соответствует 10-кратному измельчению зерна.
Временное сопротивление при переходе через А с3 сначала растет довольно быстро, достигая 1250 МПа, а затем остается примерно на одном уровне. То обстоятельство, что значение св после нагрева до температуры выше точки Ь Чернова не превысили исходного, объясняется тем, что величина зерна в результате такого нагрева изменилась от 100 - 200 до 10 - 20 мкм. Известно, что для сталей с разме-
ром зерна в пределах d = 10 - 20 мкм наблюдается слабая зависимость Св от d.
Значения относительного удлинения и поперечного сужения в результате нагрева выше 880 °С резко снижаются, вновь возрастая лишь после нагрева до температуры выше точки Ь Чернова. При дальнейшем повышении температуры (> 1100 °С ) значения 5 остаются постоянными, а у продолжают расти в то время как ударная вязкость снижается вследствие роста аустенитного зерна. Это еще раз свидетельствует о том, что на показатели пластичности оказывает влияние не только величина зерна, но и состояние границ зерна, характер дислокационной структуры. Кроме того, известно, что пластичность существенно зависит от разнозернистости.
В результате нагрева до температуры выше точки Ь Чернова сталь получила следующий комплекс механических свойств: Св = 1260 МПа; у = 42 %; 5 = 11,5 %; КСи = 50 Дж/см2. По сравнению с исходным состоянием ударная вязкость возросла более, чем в три раза, у увеличилось вдвое, несколько увеличилось относительное удлинение, при этом св сохранилось примерно на одном и том же уровне. Обычно применяемый режим термической обработки (нагрев на 30 - 50 °С выше Ас3) позволил получить более высокие значения у и 5, однако при этом КСи достигла всего 25 Дж/см2, а Св оказалось ниже исходного значения.
Выводы
Для исправления крупнозернистой структуры и получения оптимального комплекса механических свойств крупных отливок, для которых исключена возможность ускоренного нагрева, их следует нагревать до температуры выше точки Ь Чернова.
В легированных сталях точка Ь Чернова лежит в температурной области, значительно превышающей Ас3. При этом некарбидообразующие элементы оказывают большее влияние на повышение температуры структурной перекристаллизации, чем карбидообразующие.
Приведенные экспериментальные данные могут быть полезными для назначения режимов термической обработки крупногабаритных отливок, где исправление структуры встречает трудности. Замена многократных нагревов выше А с3 однократной нормализацией от температуры выше точки Ь Чернова обеспечивает необходимый комплекс свойств и упрощает и удешевляет процесс термической обработки.
Литература
1. Садовский В.Д. Структурная наследственность
в стали. - М.: Металлургия, 1973. - 205 с.
2. Дьяченко С.С. Образование аустенита в желе-
зоуглеродистых сплавах. - М.: Металлургия, 1982. - 126 с.
3. Дьяченко С.С. Фазовые превращения и наслед-
ственность в железоуглеродистых сплавах // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1991. - № 6. - С.24 - 26.
Рецензент: С.С. Дьяченко, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 15 июня 2006 г.
