Бриков Андрій Миколайович. Дослідження структури і експлуатаційних властивостей економнолегованої високоміцної сталі для різних умов експлуатації

Краткое описание

Бриков Андрій Миколайович. Дослідження структури і експлуатаційних властивостей економнолегованої високоміцної сталі для різних умов експлуатації : Дис... канд. наук: 05.16.01 - 2006.

Бриков А.М. Дослідження структури і експлуатаційних властивостей економнолегованої високоміцної сталі для різних умов експлуатації. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.01 Металознавство та термічна обробка металів. Запорізький національний технічний університет, Запоріжжя, 2005р.
Дисертація містить дослідження технологічних, фізико-механічних властивостей і зносостійкості нової економнолегованої високоміцної сталі ДИ74-Ш для всіх можливих її структурних станах.
Для досліджуваної високоміцної сталі ДИ74-Ш побудована ізотермічна діаграма перетворення аустеніту. Знайдено критичні точки для стандартних умов, а також вплив на їхню величину швидкості нагрівання.
У результаті проведених комплексних досліджень показано вплив фазових перетворень у структурі сталі ДИ74-Ш на її фізико-механічні властивості (у,0,2,,, KCU, HRC) і зносостійкість.
Встановлено, що зносостійкість загартованої сталі залежить від ступеня тетрагональності гратки мартенситу і низьке відпускання приводить до зниження зносостійкості тільки в тому випадку, якщо при цьому відбувається зниження тетрагональності мартенситу. Також показано, що при вмісті вуглецю в мартенситі менш ніж 0,2 % низьке відпускання не приводить до зниження зносостійкості сталі.
На підставі проведеного аналізу нетрадиційних способів термічної обробки, обрано найбільш перспективний спосіб, що полягає у подвійному гартуванні з проміжним високім відпусканням з температур, близьких до Ас1. Уперше застосувавши його до сталі ДИ74-Ш, домоглися підвищення її ударної в'язкості після низького відпускання з 50 до 60 Дж/см2без зниження інших механічних властивостей.
У результаті досліджень впливу структури і термічної обробки на механічні і технологічні властивості, а також зносостійкість сталі ДИ74-Ш визначено її потенційні можливості і розроблено базові режими термічної обробки при виготовленні відповідальних деталей машин і устаткування для різних умов експлуатації.

1. Огляд літературних даних показав, що середньовуглецеві сталі після поліпшення мають високий комплекс міцності, твердості, зносостійкості й ударної в'язкості, і можуть бути альтернативним матеріалом для виготовлення деталей зі сталей, що піддаються хіміко-термічній обробці (у т.ч. і цементації). Це пов’язано з тим, що останні забезпечують високу твердість робочої поверхні лише на глибину цементованого шару.
Показано, що такою перспективною сталлю є ДИ74-Ш, яка за комплексом властивостей переважає відомі сталі цього класу. Крім того, широке застосування сталі ДИ74-Ш може замінити багато із чотирьохсот марок конструкційних легованих сталей, скоротивши при цьому їхню номенклатуру, що економічно вигідно в ринкових умовах.
2. Уперше побудовано діаграму ізотермічного перетворення аустеніту і визначені критичні точки сталі ДИ74-Ш (Ас1=755оС, Ас3=805оС, Мн=330оС).
Основні відмінності діаграми сталі ДИ74-Ш від аналогічної діаграми сталі 45ХН2МФА полягають у тому, що точка Мн у сталі ДИ74-Ш на 55 С вище. Це пояснюється тим, що вміст марганцю у сталі ДИ74-Ш знижено до мінімуму (Mn 0.45%).
Отже, після гартування на мартенсит у структурі сталі ДИ74-Ш буде менше залишкового аустеніту, а це позитивно впливає на механічні властивості сталі.
3. Показано, що оптимальною температурою гартування сталі ДИ74-Ш є 850±10оС. Мінімальний час витримки навіть для дрібних деталей складає 20 хвилин, що необхідно для завершення фазових і структурних перетворень.
При меншій температурі аустенізації чи часу витримки в структурі зберігається ферит. При підвищенні температури аустенізації до 900оС спостерігається значний ріст аустенітного зерна, що негативно впливає на властивості сталі ДИ74-Ш.
Прогартовуваність сталі ДИ74-Ш при гартуванні в олії складає 70 мм, що достатньо для термічної обробки великих деталей.
4. Встановлено, що твердість поверхні тертя й абразивна зносостійкість загартованої сталі У8 (аналог цементованого шару) залежить від ступеня тетрагональності гратки мартенситу. Низьке ж відпускання, навіть з температури 100оС, приводить до зниження цих характеристик, тому що при цьому відбувається значне зниження тетрагональності мартенситу сталі У8, а після відпускання з температури 200оС зносостійкість сталі У8 вже нижче, ніж у загартованої сталі ДИ74-Ш.
Зносостійкість сталі ДИ74-Ш залишається незмінною до температури відпускання 175оС, тому що в її мартенситі навіть після гартування міститься менше 0.2 % вуглецю. Це дозволяє істотно підвищити її пластичні властивості й ударну в'язкість за рахунок низького відпускання, не знижуючи при цьому зносостійкість.
5. Визначено вплив температури відпускання на механічні властивості загартованої (з температури 850оС) сталі ДИ74-Ш. Встановлений рівень властивостей дозволяє рекомендувати для деталей зі сталі ДИ74-Ш, що працюють у різних умовах, наступні види термічної обробки.
Якщо, виходячи з умов роботи, потрібно забезпечити максимальну ударну в'язкість і пластичність, а границя текучості достатня на рівні 1,2 ГПа, тоді після гартування необхідно проводити високе відпускання з температури 600оС.
Для деталей, підданих інтенсивному зношуванню без ударів і динамічних навантажень, можна застосовувати термічну обробку, що складається тільки з гартування (без відпускання), тому що після нього твердість, міцність і зносостійкість сталі ДИ74-Ш будуть максимальні, а пластичні властивості й ударна в'язкість практично не поступаються аналогічним характеристикам сталей 45ХН2МФА, АISI 300M після оптимального низького відпускання.
Для деталей, що піддаються в процесі роботи абразивному зношуванню, а також динамічному чи ударному навантаженням, необхідно призначати відпускання з температури 175оС, яке при тому ж рівні зносостійкості підвищує пластичні властивості й ударну в'язкість.
Для відповідальних деталей пар тертя, що працюють в умовах високих динамічних і ударних навантажень та концентраторів напружень, необхідно застосовувати відпускання з температури 200оС, що забезпечує максимальну для низького відпускання ударну в'язкість (50-52,5 Дж/см2), що істотно перевищує відповідні властивості сталей 45ХН2МФА, АISI 300M і AISI 8650.
У тому випадку, коли для надійної роботи деталей рівень ударної в'язкості КСU = 50 Дж/см2недостатній, а високе відпускання призначати не можна, варто використовувати подвійне гартування з проміжним високим відпусканням з температур, близьких до Ас1; завершальна операція низьке відпускання. Така термічна обробка підвищує ударну в'язкість сталі ДИ74-Ш до 60 Дж/см2, при збереженні високих показників твердості і міцності.