УДК 621.789

ИССЛЕДОВАНИЯ НА ЭНЕРГОДИСПЕРСИОННОМ СПЕКТРОМЕТРЕ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ Р2М8 ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЕЕ СТРУКТУРНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ, СПОСОБСТВУЮЩИХ УПРОЧНЕНИЮ

 

RESEARCH ON ENERGYDISPERSIVE SPECTROMETER

HIGH-SPEED STEEL P2M8 TO DETERMINE ITS STRUCTURAL CHANGES THAT PROMOTE HARDENING

 

Барчуков Д.А. (ТвГТУ, г. Тверь, РФ), Романенко Д.Н. (ЮЗГУ, г. Курск, РФ)

Barchukov D.A. (Tver State Technical University, c. Tver, RF),

Romanenko D.N. (Southwest State  University, c. Kursk, RF)

 

Рассмотрены результаты исследований, подтверждающие возможность упрочнения быстрорежущих сталей в результате их поверхностного пластического деформирования и последующего отпуска.

The results of studies confirming the possibility of hardening of high speed steels as a result of their surface plastic deformation and subsequent tempering, has been considered.

 

Ключевые слова: наплавленная быстрорежущая сталь, поверхностное пластическое деформирование, дисперсные вторичные карбиды

Key words: welding high speed steel, surface plastic deformation, dispersed secondary carbides

 

Известен способ упрочнения наплавленной быстрорежущей стали [1], реализация которого позволяет устранять практически до нуля содержание остаточного аустенита в наплавленных быстрорежущих сталях. Последнее достигают за счет применения ударного поверхностного пластического деформирования (далее – ППД) наплавленных закаленных быстрорежущих сталей в процессе охлаждения после наплавки в температурном интервале мартенситного превращения.

Закалку осуществляют с температур кристаллизации быстрорежущих сталей в процессе наплавки. При соответствующих скоростях охлаждения в температурном интервале возможного выделения из твердого раствора вторичных карбидов получают мелкозернистую структуру быстрорежущих сталей с дисперсными первичными карбидами, что подтверждается микроструктурой наплавленной быстрорежущей стали Р2М8 в поверхностном слое, полученной на растровом электронном микроскопе JEOL JSM-6610LV в режиме обратно-рассеянных электронов (рис. 1).

Микроструктура наплавленной быстрорежущей стали Р2М8 после наплавки представляет собой игольчатый мартенсит, остаточный аустенит и карбиды. Избыточные карбиды образуют сетку размером 10…15 мкм, которая эффективно сдерживает рост зерна при кристаллизации и способствует сохранению мелкозернистой структуры. Карбидная сетка кроме одиночных карбидов содержит ледебуритную эвтектику (рис. 1 а).

  

Рисунок 1 – Микроструктура наплавленной быстрорежущей стали Р2М8 (×5000, квадратами обозначены зоны микроанализа):

а – до ППД; б – после ППД

 

После ППД происходит раздробление и получение тонкой и прерывистой сетки эвтектических карбидов, дополнительное измельчение которой становится возможным при холодном пластическом деформировании стали в температурном интервале мартенситного превращения при охлаждении с температур закалки (рис. 1 б).

Микроанализ наплавленной Р2М8 до и после ППД выполняли на энергодисперсионном спектрометре INCA ENERGY 350 X-MAX20, функционирующим как аналитическая приставка, совместимая с растровым электронным микроскопом JEOL JSM-6610LV, с собственным программным обеспечением в составе комбинированной системы микроанализа, управляемой из единой программной оболочки Energy+.

Энергодисперсионный спектрометр прост и удобен в использовании, позволяет быстро определять качественный и количественный состав образца, выполнять картирование одновременно всех элементов в образце, с его помощью легко автоматизировать трудоемкие операции микроанализа (поиск частиц и микровключений и др.). При рентгеноспектральном микроанализе изучается состав микрообъёма, в котором происходит возбуждение рентгеновского излучения электронным пучком. Результаты представлены в табл. 1 и 2.

 

Таблица 1 – Количественный весовой анализ химического состава быстрорежущей стали Р2М8 до ППД (без учета углерода)

Спектр

Al

V

Cr

Fe

Mo

W

Итог

Спектр 1

 

2.21

6.45

66.63

19.58

5.13

100.00

Спектр 2

 

2.20

6.77

65.92

19.74

5.37

100.00

Спектр 3

 

0.58

3.75

89.4

4.21

2.05

100.00

Спектр 4

0.24

1.37

7.22

70.38

16.78

4.01

100.00

 

Таблица 2 – Количественный весовой анализ химического состава быстрорежущей стали Р2М8 после ППД (без учета углерода)

Спектр

V

Cr

Fe

Mo

W

Итог

Спектр 1

2.18

6.82

66.7

19.28

5.03

100.00

Спектр 2

0.67

3.64

89.69

4.20

1.80

100.00

Спектр 3

0.78

5.01

84.32

7.21

2.68

100.00

 

Ограненные (угловатые) карбиды со светлым контрастом, внутри которых видны темные частицы – обогащенные ниобием первичные карбиды МС, наблюдаемые как внутри матричных зерен, так и по их границам. Использование этого сильного карбидообразующего элемента улучшает структуру быстрорежущей стали на стадии первичной кристаллизации.  В состав эвтектики входят карбиды М2С (табл. 1, спектры 1, 2).

В результате ППД происходит нарушение сплошности отдельных избыточных карбидов, проявляющееся в их фрагментации.

Суммарное содержание легирующих элементов (V, Cr, Mo, W) в теле зерна (табл. 1, спектр 3 и табл. 2, спектр 2) составляет 10,31…10, 59 %.

Достигаемое в результате ППД снижение в структуре стали количества остаточного аустенита, что подтверждается ранее проведенными исследованиями [2], позволяет не выполнять отпуск трехкратным, а снизить его кратность до 1…2.

Увеличение твердости в результате выполнения отпуска возможно за счет сохранения высоколегированного твердого раствора и выделения мелкодисперсных равномерно распределенных в структуре стали карбидов.

  На рис. 2 представлено изображение микроструктуры быстрорежущей стали Р2М8 после наплавки, ППД и двухкратного отпуска. Цифрами отмечены участки анализа. Результаты количественного весового анализа химического состава быстрорежущей стали Р2М8 представлены в табл. 3.

Рисунок 2 – Микроструктура наплавленной быстрорежущей стали Р2М8 после наплавки, ППД и двухкратного отпуска (×2000, квадратами обозначены зоны микроанализа)

 

Таблица 3 – Количественный весовой анализ химического состава быстрорежущей стали Р2М8 после наплавки, ППД и двукратного отпуска (без учета углерода)

Спектр

Si

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Nb

Mo

W

Итог

Спектр 1

 

 

2.07

6.50

0.70

65.54

 

21.09

4.11

100.00

Спектр 2

 

 

2.17

6.21

0.65

66.77

 

19.81

4.39

100.00

Спектр 3

0.62

 

0.76

3.67

0.64

90.14

 

4.17

 

100.00

Спектр 4

 

1.07

2.56

2.07

 

34.59

47.64

 

2.07

100.00

Спектр 5

 

1.15

1.59

2.46

 

50.62

42.49

 

1.68

100.00

 

Таблицы 1–3 сформированы на основе полученных спектрограмм, пример одной из которых приведен на рис. 3.


Рисунок 3 – Спектральный микроанализ поверхности быстрорежущей стали Р2М8 после наплавки, ППД и двукратного отпуска: спектр исследуемой зоны 1

 

Двукратный отпуск при температуре 540 оС и выдержке 40 минут снижает количество легирующих элементов  в твердом растворе незначительно, до уровня 8,6 % (табл. 3, спектр 3). Это имеет место из-за выделения вольфрама из твердого раствора в дисперсные вторичные карбиды М2С размером 1…2 мкм, которые устойчивы к коагуляции по причине чуть более низкой температуры выполняемого отпуска.

В результате термомеханического воздействия происходит нарушение сплошности отдельных избыточных карбидов МС и М2С, проявляющееся в их фрагментации,  что  более  выражено у частиц со стержневой морфологией.

В стали Р2М8 в результате проведения отпуска при температуре 540 оС и выдержке 40 минут процессы дисперсионного твердения превалируют над процессами разупрочнения мартенсита. Это происходит за счет сохранения степени его насыщения легирующими элементами и выделения дисперсионных вторичных карбидов, устойчивых к коагуляции при указанной температуре отпуска. Данные процессы способствуют увеличению микротвердости наплавленной и деформированной быстрорежущей стали Р2М8 в результате выполнения одно - или двухкратного отпуска.

 

Список использованных источников

1.      Пат.    2483120   Российская     Федерация,  МПК    С 21 D 8/00, С 21 D 9/22, С 21 D 7/13. Способ  упрочнения  наплавленной  быстрорежущей  стали [Текст] / Барчуков Д.А. [и др.]. Опубл. 27.05.2013, Бюл. № 15. 4 с.

2.      Барчуков, Д.А. Повышение работоспособности быстрорежущих сталей термомеханическими     воздействиями:    монография   / Д.А. Барчуков, А.Ю. Лаврентьев. Тверь: Тверской государственный технический университет, 2014. 100 с.

Изложенные в настоящей публикации исследования выполнены при финансовой поддержке РФФИ в рамках реализации гранта №14-38-50198 «Исследование повышения работоспособности инструмента из быстрорежущих сталей за счет совершенствования их структуры» (октябрь – декабрь 2014 г.).