книги / Новые конструкционные материалы низкоуглеродистые мартенситные и порошковые стали

склонность их к образованию холодных трещин обусловлены особенно­ стями превращения при охлаждении аустенита после сварки в зонах тер­ мического влияния и расплавления, которые нагреваются выше темпера­ туры Асу

В результате воздействия тепловых и усадочных напряжений и на­ пряжений, обусловленных увеличением объема при у -> a -превращении, а также остаточных напряжений от сборки под сварку образуются трещины при температурах ниже температуры мартенситного превращения. Для их предупреждения вынуждены применять предварительный подогрев и ог­ раничивать интервал времени между сваркой и последующим отпуском. Следует иметь в виду, что предварительный подогрев хотя и понижает ос­ таточные напряжения, но способствует образованию верхнего бейнита, об­ ладающего повышенной склонностью к хрупкому разрушению.

Стали для изготовления несвариваемых конструкций. Для деталей, в которых требуется обеспечить предел текучести сго,2 = 500 900 МПа при достаточно высоких характеристиках пластичности и вязкости, ис­ пользуют среднеуглеродистые стали, содержащие 0,20-0,40 % С, легированные Cr , Ni, Mn, Mo, V ,W, Si, Си. Выбор легирующих элементов и их количественное соотношение диктуются необходимостью обеспечить прокаливаемость заготовок или деталей и их работоспособность при низких температурах. При низкой прокаливаемости заготовки обрабатыва­ ют по длительному циклу; при этом чередуют черновую и чистовую механические обработки с предварительной и упрочняющей термическими обработками. Это вызвано необходимостью уменьшения сечения детали перед упрочняющей термической обработкой.

Так, крупные заготовки после горячей обработки давлением с целью подготовки структуры к последующей упрочняющей обработке подверга­ ют противофлокенному и смягчающему отжигам, черновой механической обработке, термической обработке, а затем упрочняющей термической и чистовой механической обработкам.

В машиностроении поковки крупных и средних сечений для термоуп­ рочняемых заготовок изделий изготавливают из легированных сталей 38XH3M, 38XHIM, 38ХНЗМФА, 38Х2Н2М, 40ХН2М, 40ХН, малые заго­ товки - из сталей 40Х, 38ХМ, ЗОХГСА, 35Х. Все они относятся к перлит­ ному и бейнитному классам.

Устойчивость аустенита при непрерывном охлаждении мала у хромо­ никелевых сталей в бейнитной области превращения, у безникелевых - в перлитной и ферритной. Поэтому их закаливают в жидких средах. В табл. 1.1 стали классифицированы по структурному признаку при обще­ принятых условиях охлаждения на воздухе (для заготовок-деталей с ми­ нимальным сечением 50 мм).

Таблица 1.1 Термоупрочняемые стали, применяемые в машиностроении

(прокат, поковки, штамповки)

Природа пониженной прокаливаемости среднеуглеродистых ста­ лей (0,15-0,40 % С). Прокаливаемость стали, как известно, определяется устойчивостью аустенита при непрерывном охлаждении в области «нор­ мального» и промежуточного превращений и зависит от ряда факторов: размера зерна, величины деформации аустенита, исходного структурного

Низкая устойчивость аустенита приводит к образованию структуры, со­ стоящей из перлита, бейнита и мартенсита, в зоне термического влияния сварного соединения или в заготовках, не полностью закаленных. Причем верхний бейнит особенно вреден, поскольку структура его более грубая и неоднородная. В процессе его образования происходит перераспределение углерода, который отводится в аустенит, соседствующий с растущим кри­ сталлом мартенсита [7]. В результате образуются карбиды, низко- и высо­ коуглеродистый мартенсит и возможны островки остаточного аустенита, обогащенного углеродом - до 0,6-1,0 %.

Такая гетерогенная структура имеет повышенную склонность к хруп­ кому разрушению и высокий порог хладноломкости не только непосред­ ственно после завершения превращения, но и после высокого отпуска [8,9]. Поэтому среднеуглеродистые стали склонны к образованию холод­ ных трещин.

Количественное соотношение структурных составляющих зависит от конкретной марки стали и скорости охлаждения, определяемой в основ­ ном охлаждаемой массой. Для получения однородной структуры (отпу­ щенного мартенсита), обеспечивающей высокий комплекс механических свойств, требуется охлаждение в жидких средах (см. табл. 1.1).

Большие скорости охлаждения вызывают коробление заготовок дета­ лей, и оно тем сильнее, чем больше разница в размерах различных сечений заготовок. Особенно подвержены короблению листовые детали и сложные сварные конструкция: каркасы, стрелы кранов и т.п.

Главная цель быстрого охлаждения - обеспечение образования мар­ тенсита и исключение возникновения промежуточных структур, которые повышают критическую температуру хрупкости, уменьшают прочность и вязкость [8].

Устойчивость аустенита в области перлитного превращения, напри­ мер, сталей 38XH3M, 40ХМ2 и т.п. удается увеличить достаточно высоким легированием углеродом, хромом, никелем и молибденом. Однако при со­ держании 0,3-0,4 % С превращение происходит с большим увеличением объема и дополнительно вызывает коробление или остаточные напряже­ ния.

Подавить бейнитное превращение при таком содержании углерода практически невозможно. Поэтому в достаточно крупных сечениях (100 мм) или в сварных сборках с эквивалентной массой даже при охлаж­ дении в воде образуются прослойки бейнита. Увеличение скорости охла­ ждения невозможно, поскольку она ограничена опасностью образования трещин и скоростью отвода тепла, обусловленной теплопроводностью стали.

Таким образом, при условии обеспечения в традиционных конструк­ ционных сталях характеристик механических свойств нельзя избежать ко-

Применение специальных мер значительно повышает стоимость и трудоемкость изделия и увеличивает длительность цикла его изготовления.

Другой путь существенного повышения технологичности изготовле­ ния термоупрочненных сварных конструкций и точных заготовок - приме­ нение конструкционных малоуглеродистых мартенситных сталей нового класса.

Использование сталей с низким содержанием углерода, закаливаю­ щихся на воздухе, позволяет устранить технологические недостатки тра­ диционных конструкционных сталей: существенно повысить сваривае­ мость, обеспечить минимальные остаточные напряжения, высокую точ­ ность термоупрочненных сварных конструкций и бездеформационность закалки.

Тенденция к созданию сталей с низким содержанием углерода наблю­ дается давно. Она вызвана необходимостью повышения прочности с со­ хранением вязкости и пластичности. Низкоуглеродистые стали обладают наиболее благоприятным сочетанием характеристик механических свойств. Это, в свою очередь, повышает их технологичность в машино­ строительном цикле производства изделий, обусловливает минимальную склонность к короблению (деформации) и повышенную способность сва­ риваться.

Впервые принципиальная возможность получения низкоуглеродисто­ го мартенсита показана в работе [10].Стремление к созданию подобных технологичных экономно легированных свариваемых сталей с содержани­ ем углерода около 0,04-0,10 % наблюдается также и за рубежом [11-19].

Разрабатываемые за рубежом низкоуглеродистые стали относятся к бейнитному классу; они обладают повышенной прочностью, для обеспе­ чения которой необходимо ускоренное охлаждение в специальных жидких средах. Кроме того, ускоренное охлаждение вызывает коробление загото­ вок и сварных конструкций. Поэтому необходимо изыскивать новые соче­ тания легирующих элементов, обеспечивающих получение мартенситной структуры при медленном охлаждении. Наиболее просто в условиях про­ изводства осуществлять охлаждение на воздухе.

Технологические процессы изготовления сварных конструкций и точ­ ных заготовок, связанные с применением новых сталей, позволят создать более эффективные конструкции, использующие технологические воз­ можности и повышенную прочность и вязкость этих сталей.

Из анализа технологии изготовления термоупрочненных сложных сварных конструкций и точных заготовок деталей следует, что ряд прин­ ципиальных технологических вопросов можно решить в результате разра­ ботки сталей нового класса, обеспечивающих сварку в любом состоянии и бездеформационную термообработку сварных сборок и заготовок, в том

числе охлаждением на воздухе непосредственно после горячей обработки давлением.

Из этого анализа следует, что термоупрочняемая сталь должна обес­ печивать заданные технические требования и технологичность изготовле­ ния заготовки, детали и сварной конструкции. Технологичность характери­ зуется возможностью изготовления с минимальными затратами в крат­ чайший период времени с максимальной универсальностью в применении стали (материала) и использовании различных технологических процессов обработки. При этом должно быть гарантировано качество. В результате достигается оптимальное соотношение цена-качество.

Контрольные вопросы к главе 1

1. Типы сталей, применяемых для изготовления термоупрочняемых деталей и сварных конструкций с прочностью сто,2 ^ 600 ... 800 МПа.

2. Основные требования к сталям при их выборе для новых конструк­

ций.

3.Преимущества правильно выбранной стали.

4.Технологические маршруты изготовления термоупрочняемых свар­ ных конструкций.

5.Технологическая последовательность операций при изготовлении термоупрочняемых заготовок и деталей.

6.Недостатки традиционных конструкционных сталей, содержащих 0,15-0,40 % углерода, с точки зрения технологичности изготовления тер­ моупрочненных заготовок и деталей.

7.Недостатки термоупрочняемых свариваемых сталей (ао,2 ^ 600 800 МПа) с точки зрения технологичности изготовления сварных конст­ рукций.

Список литературы к главе 1

1.Балакшин Б.С. Теория и практика технологии машиностроения. М.: Машиностроение, 1982. 367 с.

2.ГОСТ 14.201-73. Общие правила отработки конструкции изделия

на технологичность.

3.ГОСТ 14.202-73. Правила выбора показателей технологичности конструкции изделия.

4.ОСТ 3-1175-80. Сварка дуговая покрытыми электродами. Типовой

техпроцесс.

5. РТМ 3-479-74. ЕСТПП. Основные требования по обеспечению технологичности сварных и паяных конструкций. 1974.

6.Авиационные материалы: Справочник / Под ред. А.А. Туманова. М.: Изд-во ОНТИ, 1975. Т. 1. 431 с.

7.Энтин Р.И. Превращение аустенита в стали. М.: Металлургиздат, 1960. 252 с.

8.Курдюмов Г.В. Превращения в железе и стали / Г.В. Курдюмов, Л.М. Утевский, Р.И. Энтин. М.: Наука, 1977. 238 с.

9.Низкоуглеродистые мартенситные стали / Р.И. Энтин, Л.М. Клей­ нер, Л.И. Коган, Л.Д. Пиликина // Изв. АН СССР. Металлы. 1979. № 3. С. 114-120.

10.Entin R.J. The Elementary Reactions in the Austenite-Pearlite and the Austenite-Bainite Transformations: Proceeding of a Symposium held in Phila­ delphia, Pennsylvania. Nev Jork; London, 1960. S. 295-311.

11. Wilson E.A. //Journal of ihe Jron and Steel Institute. 1968. 206.

P.164-168.

12.Dumm R. Molybdenum place in the pressure vessel field / R. Dumm, G. Unitelly, W. Forirhast. USA, Climor: Molybd. Comp., 1970. P. 14.

13.Matensson H. // Intern. Conference of Science on Science on Technol­ ogy of Irona Steel. Tokyo, 1970.

14.Ficcks H. // Neue Hutle. 1971. № 2. P. 16.

15.Biss V., Gruderman R. // Metallurgical Transactions. 1971. P. 2. № 8.

16.Jsaro K., Hirochi J. // Nippon Steel Techn Report Overseas, 1973. № 2. P. 23-24.

17.Conda H., Tani J., Jamgushi T. Nitppon Ко Kan // Techn. Report, 1973. № 16. P. 9-23.

18.De Sy A. Deleuriym J., Vidts J. // International Conference of the Sci­ ence and Technology of Jron a. Steel. Tokyo, 1970. P. 43.

19.Duckworth W. ISI/Bisra Joint Conference Searborgh., 1967, 4-6 April. Strong Structural Steel Ld. P. 62.

2.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФОРМИРОВАНИЯ

СОСТАВА ТЕХНОЛОГИЧНЫХ НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ МАРТЕНСИТНЫХ СТАЛЕЙ

Анализ применяемых в машиностроении среднеуглеродистых (0,20- 0,40 % С) конструкционных сталей с пределом текучести 650-850 МПа и свариваемых сталей (0,12-0,25 % С) позволил выявить их недостатки с точки зрения использования в конструкции и с позиции технологичности и сформулировать требования, которым должны удовлетворять стали, при­ меняемые в машиностроительном цикле изготовления термоупрочняемых деталей и сварных конструкций.

Спозиций конструирования стали должны обеспечивать:

-заданную конструкционную прочность деталей и сварных конст­

рукций, соответствующую пределу текучести сго,2 = 650 ... 900 МПа;

-благоприятное сочетание характеристик прочности, пластичности и вязкости при условиях эксплуатации в основном диапазоне температур от +50 до -50 °С;

-возможность изготовления спроектированной конструкции с мак­ симальной надежностью и с минимальными капитальными затратами при новом и серийном производствах;

-возможность выбора и использования максимального количества технологических приемов изготовления деталей и сварных сборок;

-возможность поверхностного упрочнения химико-термической и другой обработкой (азотирование, цементация, наплавка и т.п.);

-свариваемость деталей по металлу сердцевины после поверхност­ ного упрочнения;

-хорошую свариваемость в термоупрочненном и отожженном со­ стояниях;

-возможность получения точных сварных сборок и деталей;

-минимальный вес изделий и расход металла.

Стали должны обеспечивать при минимальных затратах наибольшие технологические возможности:

1.При изготовлении деталей:

-получение точных термоупрочненных заготовок, полуфабрикатов;

-совмещение горячего формообразования с закалкой без примене­ ния жидких охлаждающих сред;

-холодное деформирование с максимальной величиной в отожжен­ ном и термоупрочненном состояниях;

-- бездеформационную закалку без специальных мер предотвраще­ ния деформации (приспособления, специальные закалочные среды и т.п.);

-отсутствие ограничения времени между закалкой и отпуском.

2.При изготовлении сварных сборок:

-возможность проведения сварки в отожженном и термоупрочнен­ ном состояниях;

-возможность бездеформационной закалки сложных сварных сбо­ рок без специальных приспособлений и закалочных сред;

-свариваемость без подогрева в отожженном и термоупрочненном состояниях;

-отсутствие ограничения времени между сваркой и отпуском;

-обеспечение сварных соединений I и II категорий;

-обеспечение наплавки в отожженном и термоупрочненном состоя­

ниях;

-возможность сварки с существующими свариваемыми сталями;

-возможность сварки термоупрочненной и нетермоупрочненной ста­ ли в одном сварном соединении.

Прочие требования:

-хорошая обрабатываемость резанием;

-способность к поверхностному диффузионному насыщению с мак­ симальной скоростью;

-универсальность применения, т.е. замена нескольких марок сталей

одной.

Традиционные стали, применяемые в производстве изделий для тер­ моупрочненных заготовок и сварных конструкций с достаточно высоким пределом текучести (до 800 МПа), из-за низкой прокаливаемости и склон­ ности к образованию холодных трещин не позволяют обеспечить простым путем бездеформационную закалку и свариваемость без подогрева слож­ ных соединений. Стали для заготовок (38ХНМ, 38ХН2М, 38XH3M) и для сварных конструкций (12Х2НМФА, 12Х2НВФА, 20ГНМ, 20ХГСА, 12ХГ2МФ и др.) содержат 0,15-0,40 % углерода.

Углерод является наиболее экономичным элементом для увеличения прочности стали, однако повышенное его содержание вызывает ряд неже­ лательных следствий. Сдвиговые, кооперативные превращения (мартен­ ситное, бейнитное) при наличии углерода определяют высокий уровень внутренних напряжений. Закрепление дислокаций атмосферами атомов углерода или карбидами затрудняет релаксацию напряжений. Эти обстоя­ тельства обусловливают снижение ударной вязкости, повышение критиче­ ской температуры хрупкости или даже возникновение закалочных трещин. Повышенное содержание углерода приводит к увеличению объемного эф­ фекта при превращении и, следовательно, к короблению и поводке конст­ рукции и вызывает необходимость трудоемкой правки. При содержании углерода более 0,12 % в среднелегированных сталях в интервале темпера­ тур 500-300 °С в большинстве случаев сравнительно быстро развивается бейнитное превращение, а наличие уже небольшой доли верхнего бейнита

втермически обработанных сталях приводит к резкому повышению кри­ тической температуры хрупкости [1].

Особенные затруднения вызывает сварка среднеуглеродистых сталей.

Взоне сварки вследствие большой скорости охлаждения образуются неотпущенный малопластичный мартенсит и верхний бейнит, вызывающие об­ разование холодных трещин. По аналогичным причинам затрудняется и формообразование при обычных температурах (близких к комнатной).

В связи с потребностью в сталях, обеспечивающих бездеформационность изделий при сварке и закалке, в мировой практике длительное время наблюдается тенденция к созданию сталей с пониженным содержанием углерода. При этом во внимание принимается задача обеспечения просто­ ты термической обработки, возможности закаливания без применения жидких охлаждающих сред. Такие стали после охлаждения с умеренной скоростью имеют структуру феррита [2, 3], бейнита [4, 5] и мартенсита [6, 7, 8].

В 60-х годах разработаны так называемые малоили бесперлитные стали, содержащие 0,03-0,1 % углерода; 1,5-2,0 % марганца и небольшие (до 0,06-0,08 %) добавки ниобия или ванадия [2, 3]. Эти стали подвергают, как правило, контролируемой прокатке с последующим ускоренным охла­ ждением. Завершение деформации при относительно низких температурах (около 850 °С) приводит к измельчению зерна аустенита и торможению его роста дисперсными частицами карбонитридов, выделяющимися в ау­ стените в процессе деформации. Повышенное содержание марганца уве­ личивает устойчивость переохлажденного аустенита в температурном ин­ тервале образования феррита, и при заданной скорости охлаждения пре­ вращение смещается к более низким температурам. Обе причины вызы­ вают измельчение зерна феррита. Это, а также выделение карбонитридов, обусловливают достижение предела текучести до 400-500 МПа при отно­ сительно низкой температуре порога хладноломкости.

Повышение предела текучести выше 600 МПа в низкоуглеродистых сталях возможно при условии формирования бейнита или мартенсита с развитой субструктурой и высокой плотностью дислокаций.

Еще в 50-х годах были предложены так называемые бейнитные стали, характеризующиеся сравнительно низким содержанием углерода и таким легированием, которое приводит к формированию бейнитной структуры в широком интервале скоростей охлаждения [4, 5]. Широкое применение в промышленности нашла сталь 12Х2НВФА.

Однако стали с бейнитной структурой обладают рядом существенных недостатков, обусловленных особенностями превращений аустенита. На рис. 2.1,а приведена диаграмма изотермического превращения аустенита типичной бейнитной стали I5XHMPA (0,10 % С; 1,05 % Мп; 0,44 % Si; 0,60 % Сг; 0,60 % Ni; 0,40 % Мо; 0,005 % В). По существу бейнитной явля­ ется также сталь 08Г4Б (0,08 % С; 0,47 % Si; 4,3 % Мп; 0,06 % Nb) [8] (рис.2.1, б).

Строительные стали, которые именуются сталями с «игольчатым» ферритом [9, 10], по типу превращений аустенита относятся также к бейнитным. Типичный пример такой стали - японская сталь HKHF-80, содержащая 0,1 % С; 1,5-2,0 % Мп; 0,8 % Ni; 0,5 % Сг [9].