УДК 669.14.018.291:621.785.533:[536:004.94]

АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТЕПЛОСТОЙКИХ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ

 

ANALYSIS OF THE STRUCTURE AND PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF HEAT-RESISTANT STRUCTURAL STEELS

 

Маленко П.И.

(Тульский государственный университет, г.Тула, РФ)

Malenko P.I.

(Federal State Budgetary Educational Establishment of Higher Education «Tula State University»)

 

В статье представлены результаты анализа структуры и физико- механических свойств теплостойких конструкционных сталей с учетом требований их рационального легирования и оптимального назначения режимов термохимической обработки.

The article presents the results of analysis of the structure and physical and mechanical properties of heat-resistant structural steels, taking into account the requirements of their rational alloying and optimal assignment of thermochemical treatment modes.

 

Ключевые слова: теплостойкая конструкционная сталь, структура, физико-механические свойства, термическая обработка

Key words: heat-resistant structural steel, structure, physical and mechanical properties, heat treatment

 

В настоящее время для оценки работоспособности узлов автоматики используется достаточно эффективный механистический подход, связывающий исходные характеристики материалов и покрытий и выходные параметры процесса трения. Для выбора материала и методов нанесения на поверхности трения при заданных условиях эксплуатации упрочняющих покрытий имеется достаточный набор теоретических и экспериментальных исследований.

В определенной степени данные вопросы решаются с помощью метода трибологических инвариантов, разработанного Ю.Н. Дроздовым [1]. Вместе с тем под влиянием механических и термических воздействий наблюдается процесс накопления повреждаемости, изменяющий исходные характеристики. Представляется целесообразным разделить эти процессы на поверхностные и объёмные. В основе поверхностной повреждаемости (схватывания и заедания) лежат адгезионные силы и силы Ван-дер-Ваальса. В основе объёмной повреждаемости (структурно-фазовые превращения, дислокационные процессы, поро- и трещинообразование) лежат температурные процессы [2]. Следует отметить, что процессы структурно-фазовых превращений (аустенитно-мартенситные переходы) исследовались в работах [3, 4].

Условия работы узлов автоматики стрелково-пушечного вооружения отличаются рядом факторов: импульсным характером нагревания, реверсивностью перемещения, кратковременностью остановок. В этой связи ресурс их работы будет определяться как механическими характеристиками материала всего сечения детали (конструктивная долговечность), так и структурой и свойствами их поверхностного слоя (ресурсная долговечность). Помимо этих требований следует учитывать возможность нанесения на детали фрикционных (защитных) покрытий.

При разработке теплостойкой конструкционной стали необходимо обеспечить следующий комплекс ее свойств: максимальную конструктивную объемную прочность, высокий предел текучести, низкую температуру вязко-хрупкого перехода, минимальную скорость теплового разупрочнения, достаточную степень деформационного упрочнения; необходимую объемную пластичность после окончательной термической обработки (высокую вязкость разрушения); высокие триботехнические (антифрикционные и износостойкие) свойства поверхностного слоя.

Эти требования могут быть обеспечены в результате рационального легирования стали и правильного назначения режимов термохимической обработки. Анализ литературных источников показал [4, 5], что для этих целей экономически целесообразно использовать среднеуглеродистую сталь (0,25 … 0,40 %) С с карбонитридным поверхностным упрочнением.

Таким образом, структура и физико-механические свойства легированных теплостойких конструкционных сталей будут определяться типом карбидо- и некарбидообразующих легирующих элементов, их концентрационными соотношениями и степенью их влияния на соответствующие характеристики структуры.

На основании проведенных исследований установлено, что наиболее перспективными являются стали с легирующими элементами Mo-Ni-W-V-Nb-Zr с содержанием Cr≈3 %. Для выбора наиболее оптимальной марки стали были исследованы семь марок с различной комбинацией элементов, причем в качестве базовой была выбрана сталь 25Х3М3НБЦА, имеющая следующий химический состав (табл. 1).

 

Таблица 1 – Химический состав стали 25Х3М3НБЦА

           

Содержание элементов

Fe

C

Cr

Mo

Ni

Si

Mn

Nb

Zr

S

P

% масс.

92,71

0,26

3,0

3,0

0,6

0,12

0,17

0,1

0,02

>0,01

>0,01

 

Микротравлением установлена плотная, однородная структура во всех образцах – сорбит (рис. 1).

Рисунок 1– Микроструктура теплостойкой стали

 

Анализ качества заготовок проводили на темплетах размером 150х120 мм, вырезанных из заготовок. Механические свойства сталей приведены в таблице 2. По отношению к обеспечению конструктивной прочности наилучшие свойства обеспечивают образцы, имеющие максимальное значение ударной вязкости (стали №№ 1,6, табл. 2).

 

Таблица 2 – Механические свойства сталей

Номер марки стали

Марка стали

σп.ц., МПа

σ0,2, МПа

σв, МПа

δ, %

ψ, %

KCU,

МДж/м2

H, МПа

1

25Х3М3НБЦА

920

1060

1200

15

55

4,9

4800

2

25Х3М3Н5БЦА

960

1040

1200

13,5

42

2,9

3500

3

25Х3М3Н5ВБЦА

940

1030

1220

11

50

3,1

4300

4

25Х3М3НЦА

850

930

970

-

-

3,1

4300

5

25Х3М3НФЦА

1100

1180

1330

10,5

48

2,4

3200

6

25Х3М3НВЦА

880

960

1120

10

48

4,8

3300

7

25Х3МНЦА

880

970

1110

12

48

3,3

4400

 

С целью улучшения механической обрабатываемости сталей заготовки подвергались термической обработке по следующим режимам (табл. 3).

 

Таблица 3 – Режимы термической обработки сталей

№ п/п

Вид термической обработки

Время нагрева, ч

Температура нагрева, 0С

Время выдержки, ч

Охлаждающая среда

H, МПа

1

Нормализация

2,0

900

1,0

воздух

1970

2

Высокий отпуск

2,0-2,5

680

2,0

воздух

3860

3

Закалка

2,5-3,0

1040

0,5

вода

3860

4

Предварительный отпуск

2,0-2,5

600±20

2,0

воздух

2350

5

Промежуточный отпуск

2,0-2,5

620-640

4,0

вода

1970

6

Окончательный отпуск

2,0-2,5

620-640

8,0

вода

1970

 

Совместный металлографический и рентгенофазовый анализ показали следующие результаты (для стали 25Х3М3НБЦА). После первой операции термической обработки – нормализации отмечается диспергирование структуры и дробление пластинчатых фаз структуры (рис. 2 а). Митротвердость при этом сохраняется на уровне ~1970 МПа. Проведение посленормализационного отпуска при температуре 680 0С не приводит к видимым изменениям в структуре заготовки (рис. 2 б), однако при этом митротвердость возрастает почти в два раза и достигает значения 3860 МПа. Последующая закалка от температуры 1040 0С обусловливает формирование частично мартенситной структуры (рис. 2 в) с митротвердостью 3860 МПа, находящейся на уровне митротвердости после нормализации и высокого (670 0С) отпуска. Предварительный при температуре 600 0С отпуск закаленной заготовки обусловливает формирование дисперсной зернистой структуры перлитного класса (рис. 2 г) с одновременным снижением митротвердости до значения 2350 МПа. Последующий промежуточный отпуск при 620 0С по данным металлографии (рис. 2 д) приводит к заметному огрублению структуры, причем митротвердость снижается до исходного после нормализации уровня 1970 МПа. Повторный отпуск при той же температуре ~620 0С еще более заметно изменяет микроструктуру в сторону ее укрупнения и более выраженной пластинчатости (рис. 2 е). Однако, митротвердость при этом сохраняется на уровне ~1970 МПа. Образующаяся при этом структура – троостит.

Рисунок 2 – Микроструктуры теплостойкой конструкционной стали 25Х3М3НБЦА

 

Таким образом, в результате экспериментов установлено, что конкурирующими сталями является стали №№ 1 и 6. Окончательный выбор стали будет определен после нанесения защитного покрытия. При этом основными факторами для выбора служат толщина образующегося покрытия и склонность к трещинообразованию.

 

Список использованных источников

1. Дроздов Ю.Н., Юдин Е.Г., Белов А.И. Прикладная трибология (трение, износ, смазка). М.: Эко-Пресс, 2010. 604 с.

2. Крукович М.Г., Бадерко Е.А. Накопление повреждаемости деталей машин // Новые материалы и технологии в машиностроении. 2010. №12. С.64–69.

3. Рыбакова Л.М., Куксёнова Л.И. Структура и износостойкость металла. М.: Машиностроение, 1982. 212 с.

4. Ялышев Р.Г. Рентгенографические исследования влияния смазочной среды на структурное состояние поверхностей трения // Трение и смазка в машинах и механизмах. 2007. № 10. С.19–22.

5. Рыбакова Л.М., Куксёнова Л.И. Металловедение в науке о трении и изнашивании // Металловедение и термическая обработка металлов. 1985. № 5. С.16–23.