Партнерский проект с компанией Руспроектэксперт

Тел.: 8-495-771-14-07

Проектирование


РАЗРАБОТКА МИКРОЛЕГИРОВАННЫХ СРЕДНЕУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ ПОВЫШЕННОЙ ВЯЗКОСТИ

Применение горячекатаных микролегированных среднеуглеродистых сталей ограничено их пониженной вязкостью по сравнению с закаленными и отпущенными сталями. Были разработаны высокопрочные микролегированные среднеуглеродистые стали, сЬответствующие этим повышенным требованиям без термической обработки. Было исследовано влияние химического состава, температуры горячей деформации и скорости последующего охлаждения на механические свойства сталей. Основное внимание уделяли вязкости стали как наиболее критическому свойству с точки зрения безопасности применения этих сталей. Для установления взаимосвязи структура — свойства были Обсуждены основные структурные переменные, ответственные за свойства стали. Показано, что вязкость и обрабатываемость стали могут быть улучшены путем добавок в сталь 0,5 % Si, 0,05 % S и 0,01 % Ti. Вязкость можно повысить также путем оптимизации температуры горячей деформации и скорости последующего охлаждения.

Микролегированные среднеуглеродистые стали при использовании регламентированных технологических параметров горячей деформации и охлаждения могут быть применены в состоянии после ковки и после горячей прокатки без последующего термоулучшения. При этом их прочность эквивалентна прочности закаленных и отпущенных сталей. Последние три десятилетия этим сталям уделялось особое внимание вследствие снижения цены изделий в результате отмены термической обработав, минимального их коробления, вследствие низкой скорости воздушного охлаждения, а также более низкой цены стали в сравнении с легированными марками при повышенной их обрабатываемости. Эти стали широко использовались для изготовления различных деталей автомобилей, тракторов и станков, таких как шатуны, коленчатые валы и всевозможные оси [15]. Типичная микроструктура среднеуглеродистых микролегированных сталей представляет собой смесь феррита и перлита с мелкодисперсными частицами как в доэвтектоидном феррите, так и в феррите перлита. Введение в сталь в качестве легирующих элементов ванадия, ниобия и титана приводит: 1) к очищению границ аустенитных зерен; 2) к дисперсионному твердению феррита, особенно в результате межфазных выделений дисперсных частиц в ванадиевых сталях, которое шляется основным методом достижения высокого уровня прочности в среднеуглеродистых сталях. Наличие грубого перлита и карбидных частиц понижает вязкость этих сталей и является принципиальным ограничением широкого использования среднеуглеродистых микролегированных сталей в состоянии после ковки или горячей прокатки. Цель данной работы — повышение вязкости сталей путем изменения морфологии перлита и феррита при увеличении содержания марганца и кремния при одновременном введении титана и микролегирующих элементов.

Экспериментальная часть

Химический состав и соответствующие механические свойства представлены в табл. 1 и табл. 2. Две микролегированные среднеуглеродистые стали были выплавлены в электропечи и разлиты в 650кг слитки, которые потом нагревали и прокатывали на квадратную заготовку. Затем заготовки выдерживали при температуре 1100 °С, катали вгорячую на круглые прутки диаметром 26 мм и охлаждали на воздухе с температуры конца прокатки не выше 950 °С.

Из заготовки диаметром 26 мм были изготовлены образцы диаметром 15 мм и длиной 120 мм, которые затем нагревали и подвергали горячему прессованию при температурах 1200, 1100, 1050, 1000 и 900 °С с общей деформацией 0,4 на установке “Gleeble 1500”. Скорость охлаждения составляла 50°С/мин, что приблизительно соо!ветствует скорости охлаждения круглого прутка диаметром 30 мм на спокойном воздухе [6]. Обработке подвергали заготовки круглого и квадратного сечений, из которых потом изготавливали соответственно образцы на растяжение и ударные образцы с надрезом. Свойства при растяжении в состоянии после горячей прокатки и после термомеханической обработки определяли путем испытаний продольных образцов на испытательной машине MTS. Продольные ударные образцы с 17образным надрезом испытывали при комнатной температуре. При изготовлении образцов на микроструктуру использовали стандартную методику, для травления применяли 4 %ный ниталь. Количественные измерения параметров микроструктуры, таких как размер зерна и объемная доля феррита, объемная доля и межпластинчатое расстояние перлита, проводили на анализаторе изображения "Leitz". Измеренные значения величины размера зерна феррита умножали на коэффициент 1,5 для получения истинного размера зерна.

Результаты исследования

Измеренные, а также вычисленные параметры микроструктуры в зависимости от температуры деформации представлены в табл. 3. Показано, что увеличение размера зерна аустенита и повышение объемной доли перлита связано с увеличением температуры деформации. Однако температура деформирования мало влияет на размер зерна феррита, межпластинчатое расстояние пеерлита и толщину пластин цементита. Сравнение параметров микроструктуры базовой стали А и экспериментальной стали В показывает, что сталь В характеризуется повышенной долей феррита, меньшим размером зерна феррита, меньшим межпластинаустенитного зерна, приводят к увеличению объемной доли перлита в процессе превращений. В табл. 5 представлены механические свойства в зависимости от скорости охлаждения. По данным табл. 5 прослеживается тенденция к повышению прочности и вязкости с увеличением скорости охлаждения. Увеличение скорости охлаждения от 10 до 75°С/мин привело к приросту значений прочности на 140 МПа для стали А и на 100 МПа для стали

Обсуждение результатов

Микроструктура среднеуглеродистых микро легированных сталей представляет собой смесь перлита и феррита, содержащего дисперсные частицы. Основными металлургическими переменными, влияющими на механические свойства, являются [8]: 1) количество перли та и феррита; 2) размер колоний перлита и размер зерна феррита; 3) толщина пластин цементита, а также межпластинчатое расстояние перлита и 4) дополнительная особенность микролегирующих элементов, выражающаяся в виде наличия выделений дисперсных частиц в доэвтектоидном феррите и в феррите пластинчатого перлита. Из всех перечисленных параметров только измельчение зерна феррита, уменьшение размера колоний перлита и уменьшение межпластинчатого расстояния перлита приводят к одновременному повышению прочности и вязкости. Повышения прочности можно достигнуть изменением и других параметров, но вязкость при этом будет понижаться. Для измельчения зерна феррита и межпластинчатого расстояния перлита, а также для получения в микроструктуре “разбавленного” или вырожденного перлита необходимы добавки легирующих элементов и тщательный контроль режима горячей деформации с целью уменьшения аустенитного зерна перед началом фазового превращения.

Легирующие элементы и микроструктура

Для повышения вязкости снижали содержание углерода в стали В при одновременном повышении содержания марганца и добавлении определенного количества кремния. Сравнение химического состава стали В с базовой сталью А показывает, что снижение содержания углерода от 0,46 до 0,40% приводит к уменьшению объемной доли перлита. Снижение прочности при уменьшении содержания углерода в стали может быть компенсировано добавкой 1,5 % марганца.

Повышение содержания марганца от 0,8 до 1,5% понижает температуру фазового превращения. Размер колоний перлита и межпластинчатое расстояние перлита уменьшаются. Результаты, приведенные в табл. 3, показывают, что в стали с высоким содержанием марганца размер зерна феррита и межпластинчатое расстояние перлита имеют меньшие значения. Другое изменение характеристик превращения, связанное с увеличением содержания марганца, — понижение содержания углерода в эвтектоидном превращении, что приводит к увеличению объемной доли перлита и его разбавлению (разбавление перлита подразумевает возможность увеличения межпластинчатого расстояния перлита и уменьшения толщины пластин цементита). На рис. 1 представлена микроструктура стали В в состоянии после горячей прокатки. После обычного процесса горячей деформации в стали наблюдается мелкое зерно феррита и меленькие перлитные колонии. При больших увеличениях идентифицируются два типа перлита: ламинарный перлит в левом верхнем углу рис. 1 и вырожденный перлит в нижнем правом углу того же рисунка. Измельчение и вырождение перлита вызвано повышенным содержанием марганца и увеличением скорости охлаждения после горячей деформации, что приводит к повышению значений ударной вязкости образцов с надрезом [9]. В основном микролегированные среднеуглеродистые стали содержат только один мик ролегирующий элемент — ванадий, поскольку он вызывает самое большое дисперсионное упрочнение из всех микролегирующих элементов. В процессе выдержки при температуре горячей деформации весь ванадий растворяется в аус тените и происходит рост зерна. Обычно горячую деформацию среднеуглеродистых микролегированных сталей производят при высоких температурах, начиная при 1250 и заканчивая при 1000 °С или выше. В этих условиях деформированный аустенит быстро рекристалли зуется, а при последующем охлаждении происходит значительный рост зерна. Крупное зерно аустенита после превращения дает крупное ферритное зерно и большие перлитные колонии с соответствующими свойствами. При смещении горячей деформации в область более низких температур можно получить очень мелкое зерно рекристаллизованного аустенита, которое затем даст очень мелкое зерно феррита и приведет к повышению механических свойств. Другой возможный способ улучшения механических свойств — введение небольшого количества титана. Стабильность и медленный рост нитридов титана делает их весьма эффективными замедлителями роста зерна при высоких температурах перед и в процессе горячей деформации. Принцип регулирования роста зерна дисперсионными частицами заключается в закреплении границ зерен частицами в результате очень высокой энергии, развиваемой в материале при образовании дополнительных границ зерен, когда граница срывается с частицы.

С целью повышения уровня вязкости проведено исследование микролегированных средне, углеродистых сталей с ферритноперлитной структурой. Сделаны следующие выводы:

1. Высокие механические свойства микролегированных среднеуглеродистых сталей при повышенной вязкости были получены путем введения таких легирующих элементов, как марганец и кремний, а также комбинации мик ролегирующйх элементов (титана и ванадия).
2. Повышение вязкости происходит благодаря изменению морфологии микроструктуры. Измельчение или вырождение перлита, а также измельчение зерна феррита обусловлено введением в сталь марганца и титана.
3. Дальнейшее повышение вязкости может быть достигнуто путем регулирования параметров горячей деформации: температуры и скорости охлаждения. Существенное понижение температуры деформации и высокая скорость охлаждения благоприятно влияют на вязкость микролегированных среднеуглеродистых сталей.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 5, Москва 1994

Экспертиза

на главную