Пути совершенствования свойств мартенситно-стареющих сталей

Практика широкого промышленного применения мартенситно-стареющих сталей наряду с преимуществами сталей этого класса по реализуемым механическим и физико-химическим свойствам, по критериям технологичности показала, что ряд явлений, таких, как тепловое охрупчивание, задержанное разрушение, ликвационная неоднородность, трудности исправления перегретой структуры, которые наблюдаются в отдельных сталях, затрудняют и ограничивают их использование. Поэтому при разработке новых эффективных способов улучшения свойств мартенситно-стареющих сталей главное внимание уделяется изысканию возможностей устранения или предотвращения перечисленных явлений. Работы ведутся по двум основным направлениям: по пути совершенствования составов сталей и методов их выплавки, а также по пути изысканная оптимальных условий их термической и термомеханической обработки.

Таблица 1. Показатели прочности и пластичности листов стали 03X11H10М2T толщиной 2-3 мм
Обработка Температура испытания, °C E σв σ0,2 σпп δ5,65 √F'%
МПа
Закалка с 860 °C, старение при 500 °C, 2 ч 20 196000 1500 1430 1300 8
300 165000 1400 1320 5
400 156000 1350 1280 6
500 145000 1100 980 10
Закалка с 860 °C на воздухе 20 1000 900 15
Нагартовка, 50%-ное обжатие 1250 1180 7
Нагартовка, 50%-ное обжатие,старение 500 °C 1800 1650

Таблица 2. Влияние низкой температуры на свойства стали 03Х11Н10М2Т
Термическая обработка Температура испытания, °C σв σ0,2 ð, % KCU, МДж/м2
МПа
Закалка с 860 °C на воздухе 20 1000 900 15 2,2
-70 1150 1050 13 2,0
-196 1450 1300 13 1,0
То же, старение при 500 °C, 2 ч 20 1550 1470 10 0,7
-70 1700 1600 7 0,5

Первое направление включает разработку новых перспективных систем легирования мартенситно-стареющих сталей, однако особое внимание уделяется получению точного химического состава сталей по углероду н легирующим элементам, способам выплавки с целью достижения максимальной однородности слитков и минимального содержания неметаллических включений. Увеличение на 1% содержания молибдена и кобальта в стали типа Н18К9М5Т повышает упрочнение соответственно на 140 и 60 МПа. Аналогичный эффект (60—70 МПа) наблюдается при повышении концентрации титана и алюминия всего на 0,1%. На пластичность и вязкость влияют даже незначительные колебания содержания примесных атомов (табл. 3), поэтому для выплавки мартенситно-стареющих сталей рекомендуется применять вакуумно-дуговой переплав и использовать шихту повышенной чистоты.

В зарубежной периодике имеются данные о применении методов порошковой металлургии для изготовления изделий из мартенситно-стареющих сталей разного состава. Порошковые материалы, в том числе и подвергавшиеся горячей экструзии, уступают литым кованым и литым экструдированным как по уровню упрочнения, так и по показателям пластичности, В лучшем случае их пластичность составляла 90% пластичности литого кованого материала.

Таблица 3. Механические свойства стали типа Н18К9М5Т, выплавленной из шихты обычной (плавка 1) и повышенной (плавка 2) чистоты.
Свойства стали после закалки и старения Плавка 1
(0,009% S, 0,003% P)
Плавка 2
(0,0015% S, 0,001% P)
σв, МПа 1596 1600
σ0,2, МПа 1533 1526
δ, % 11 14
ψ, % 46,9 68,4
Работа разрушения при ударном изгибе, Дж:
при -70 °C 20,7 62,4
при +40 °C 27,6 128,5

Второе направление, связанное с оптимизацией условий термической и термомеханической обработки мартенситно-стареющих сталей, учитывает и использует особенности развития фазовых и структурных превращений в сталях этого класса. Разработаны рекомендации по совершенствованию проведения основных операций упрочняющей термической обработки — закалки и старения, по использованию различных вариантов пластической деформации в общем цикле обработки.

Комбинированная закалка.

Эффективным средством воздействия на структурное состояние и свойства мартенситно-стареющих сталей является применение различных комбинированных вариантов закалки. Многократная закалка обеспечивает измельчение зерна и исправляет структуру перегретой стали. В сочетании с предварительной высокотемпературной закалкой такая обработка рекомендована для предотвращения теплового охрупчивания сталей при их замедленном охлаждении (для крупных поковок и полуфабрикатов крупного сечения). В коррозионно-стойких мартенситно-стареющих сталях для измельчения зерна и рафинирования структуры чаще применяют сочетание двух последовательных закалок при различных температурах. Двойная закалка (750 °C, 4 ч + 850 °C, 2 ч) обеспечивает измельчение зерна в сталях типа 03Х11Н10М2Т от 0 до 8 балла.

Важным результатом применения термоциклической обработки и других видов комбинированной закалки является сохранение в закаленных сталях некоторого количества остаточного аустенита, благодаря чему удается повысить пластичность и вязкость сталей, особенно при криогенных температурах, увеличить сопротивление ударно-циклическому нагружению.

Термомеханическая обработка.

Практически всегда в процессе изготовления либо самих изделий, либо полуфабрикатов мартенситно-стареющие стали подвергаются горячей пластической деформации. Для того чтобы обеспечить формирование мелкозернистой структуры, сохранить развитую полигонизованно-рекристаллизованную субструктуру рекомендуют понижать температуру окончания пластической деформации, соблюдать наиболее оптимальные условия деформирования (степень, скорость, число проходов), использовать ускоренное охлаждение. Наследование эффекта ВТМО позволяет обеспечить достаточную пластичность сталей, характеризующихся особо высокой прочностью, ослабляет зернограничную хрупкость коррозионно-стойких сталей и проявление теплового охрупчивания.

Высокая пластичность закаленных мартенситно-стареющих сталей позволяет применять холодную пластическую деформацию, в том числе и со значительными степенями обжатия, при производстве широкой номенклатуры полуфабрикатов (листов, ленты, проволоки, труб и т. д.). Использование эффекта низкотемпературной термомеханической обработки (НТМО) в цикле упрочняющей обработки сталей этого класса обеспечивает существенное повышение прочностных свойств, в том числе предела прочности образцов с поверхностной трещиной усталости (σвтр), увеличивает напряжение, при котором еще не происходит коррозионное растрескивание в 3%-ном растворе NaCl (σкр) (табл. 4). Положительное влияние НТМО усиливается при снижении температуры закалки, если в стали нет труднорастворимых частиц упрочняющих фаз. В отдельных случаях хорошие результаты дает применение холодной пластической деформации частично состаренного мартенсита.

Таблица 4. Влияние холодной пластической деформации на свойства Н18К9М5Т
Режим обработки σв σ0,2 δ, % KCU, МДж/м2 σвтр, МПа Kic, МПа∗м1/2 σкр, МПа
МПа lкр=2,5мм lкр=6мм
Закалка при 820 °C, старение при 480 °C 1900 1800 5 0,62 1950 1740 132 600
Закалка при 820 °C, деформация 40%, старение при 480 °C 2100 1970 6 0,56 2120 1720 128 800

Для коррозионно-стойких мартенситно-стареющих сталей характерен более высокий коэффициент деформационного упрочнения, что повышает эффективность НТМО, особенно если деформирование проводить методом гидропрессования.

Комбинированное старение.

Многочисленными исследованиями доказана эффективность применения для мартенситно-стареющих Сталей комбинированных схем старения. В том случае, когда при старении выделяется одна упрочняющая фаза или несколько, но имеющих близкий Интервал температур образования, целесообразнее использовать ступенчатое старение по схеме (В + Н), когда последовательно выполняют сначала высокотемпературное старение, а затем при более низкой температуре. В результате увеличения объемной доли выделяющейся фазы, более высокой дисперсности части частиц уровень упрочнения сталей может быть повышен при общем сокращении длительности старения. Для гетерофазных коррозионно-стойких мартенситно-стареющих сталей рекомендуется иная схема ступенчатого старения (Н + В), при которой вначале выполняют низкотемпературное, а затем высокотемпературное старение: на первом этапе старения (480 °C) формируются области а-фазы, обогащенные хромом; на втором (500—550 °C) происходит выделение R-фазы. В результате - такой обработки достигается более высокий комплекс свойств, в том числе и более высокая теплостойкость.

Применительно к мартенситно-стареющим сталям опробованы различные варианты динамического старения. В частности, достаривание под напряжением (температура 300 °C, напряжение, равное 0,7σ0,2) после основного старения при пониженной температуре (при 400 °C) приводит к релаксации микронапряжений и тем самым устраняет опасность задержанного разрушения, проявляющегося в снижении пластичности сталей при малых скоростях нагружения. Важным следствием динамического достаривания является значительное (в 1,5—2 раза) увеличение предела упругости (σ0,002) мартенситно-стареющей стали (сталь 04Х14К13Н4М3ТВ) и релаксационной стойкости при практически неизменных значениях временного сопротивления и относительного удлинения. Эффективность динамического достарнвания существенно возрастает в том случае, если сталь перед основным старением подвергается НТМО. Динамическое достариваиие может быть реализовано различными способами, например путем заневоливання винтовых пружин, и использоваться для улучшения эксплуатационных характеристик различных видов упругих элементов.

Для отдельных видов изделий разрабатываются специальные варианты старения. Применяющуюся при изготовлении волокнистых композиционных материалов армирующую проволоку, которая подвергается холодной пластической деформации с предельными обжатиями (96—99%), нагревают при высокотемпературном старении 800 °C в течение 1—1,5 с. Такое скоростное старение позволяет реализовать очень высокий предел прочности (4200 МПа при диаметре проволоки 40 мкм) и избежать охрупчивания (δ = 4%), которое имеет место при обычном старении такой проволоки. Совмещение старения мартенситно-стареющих сталей с процессом азотирования наряду с объемным упрочнением обеспечивает формирование износостойкого поверхностного слоя.

Применение мартенситно-стареющих сталей.

Стоимость мартенситно-стареющих сталей выше, чем низко- и среднелегированных углеродистых сталей, однако более простая упрочняющая термическая обработка сталей этого класса, их технологичность, высокая конструктивная прочность, надежность и ряд других преимуществ не только компенсируют высокую стоимость, но делают экономически более выгодным их использование в различных отраслях машиностроения, в приборостроении и инструментальной промышленности.

Машиностроение.

Как конструкционный материал, отличающийся высокой удельной прочностью н сопротивлением хрупкому разрушению, мартенситно-стареющие стали используют для изготовления конструктивных элементов космической и ракетной техники, в криогенном машиностроении, в авиастроении. Благодаря хорошей свариваемости их применяют также для топливных баков ракетных двигателей, резервуаров высокой точности. Хорошая коррозионная стойкость позволяет использовать стали для корпусов подводных лодок, ответственных шестерен, гребных винтов, деталей компрессоров и силовых установок, сосудов высокого давления, рабочих колес и валов насосов. Высокая износостойкость в сочетании с размерной стабильностью сталей этого класса определяют их применяемость для деталей высокоточных металлорежущих станков. Более высокая (чем у сталей перлитного класса) радиационная стойкость позволяет использовать безкобальтовые стали в реакторостроении, а также для узлов урановых центрифуг.

Приборостроение.

Высокое сопротивление малым пластическим деформациям, значительно более высокий уровень максимальной упругой деформации, определяемой отношением σ0,002/E чем у сталей других классов, повышенная малоцикловая выносливость в сочетании с возможностями широкого применения холодной пластической деформации, хорошей свариваемостью и коррозионной стойкостью определяют преимущества мартенситно-стареющих сталей как пружинного материала. При формировании двухфазной структуры (α + γ) эти стали могут обладать элинварными свойствами в диапазоне климатических температур, что существенно расширяет диапазон использования упругих элементов из этих сталей.

Изготовление инструментов.

Преимущества в технологичности, отсутствие поводки при термической обработке, высокая прочность и износостойкость в сочетании с размерной стабильностью и коррозионной стойкостью обеспечивают возможность применения мартенситно-стареющих сталей для различных инструментов, в том числе для медицинских микроинструментов, Благодаря теплостойкости стали нашли применение при изготовлении прессформ для обработки резины, пластмасс, для высокоточного латунного и алюминиевого литья под давлением. Стали можно применять для изготовления штампов горячего и холодного деформирования, лезвий и ножей.






Навигация
Болты
Винты, шпильки, штифты, прокладки
Пружины
Заклепки
Шпонки
Гайки
Резьба
Валы
Муфты
Подшипники
Виды соединений
Передачи
Материал
Дополнительные материалы
Госты метизов
Сварка
Мы в соцсетях
podshipniki.moscow применяемость подшипников
Сортовой металлопрокат: str-steel.ru в Москве с доставкой.