книги / Новые конструкционные материалы низкоуглеродистые мартенситные и порошковые стали
..pdfсклонность 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)
Марка стали |
Категория проч |
Толщина, диаметр |
Среда для |
|
ности (ао.2), МПа |
заготовки, мм |
закалки |
|
Бейнитный класс |
Вода, масло |
|
38ХНЗМФА |
1200-1300 |
100 |
|
|
1000-1100 |
200-250 |
Масло |
38XH3M |
800-1000 |
100 |
Вода, масло |
38Х2Н2М |
800-1100 |
100-150 |
Вода, масло |
40ХН2М |
650-800 |
100-150 |
Вода, масло |
38ХН1М |
650-800 |
65-100 |
Вода, масло |
40ХН |
До 550 |
До 80 |
Вода, масло |
|
Феррито-бейнитный класс |
Вода, масло |
|
35Х, 40Х |
До 500 |
До 30 |
|
38ХМ |
До 650 |
До 45 |
Вода, масло |
ЗОХГСА |
800-1000 |
До 60 |
Вода, масло |
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].