Структура, твердость и фазовый состав экономнолегированной конструкционной стали со сверхравновесным содержанием азота после термической обработки

Язык труда и переводы:
УДК:
669.15
Дата публикации:
17 сентября 2021, 08:52
Категория:
А8. Материаловедение
Аннотация:
Рассмотрено влияние диапазона температур закалки на изменение твердости, фазового состава и микроструктуры экономнолегированной конструкционной стали со сверхравновесным содержанием азота. Установлено, что повышение температуры закалки приводит к увеличению твердости и объемному содержанию мартенситной структуры, а также изменению размера игл мартенсита. По результатам металлографического анализа получены сведения: в структуре стали при всех температурах закалки присутствуют мартенсит и карбонитриды.
Ключевые слова:
твердость по Виккерсу, микроструктура, фазовый состав, магнитный анализ, термическая обработка, сверхравновесное содержание азота
Основной текст труда

Введение

Конструкционные экономнолегированные стали являются одним из наиболее востребованных материалов в современном машиностроении, так кака они способны работать в условиях сложнонапряженного состояниях: от знакопеременных нагрузок до экстремальных нагрузок, включающих интенсивное изнашивание пары трения.

Современные конструкционные стали упрочняются углеродом совместно с такими легирующими элементами, как хром, никель, молибден и ванадий. Повышение уровня механических характеристик происходит за счет образования твердого раствора, насыщенного легирующими элементами и приводящими к образованию мартенситной структуры с избыточными фазами после термической обработки. Однако применение лишь углерода в качестве упрочняющего элемента внедрения приводит к образованию крупных остроугольных карбидных фаз типа Me7C3, которые являются концентраторами напряжений и способны приводить к снижению пластических характеристик и ударной вязкости.

В связи с этим в современные конструкционные и коррозионностойкие стали дополнительно вводят азот в качестве упрочняющего элемента для частичной или полной замены углерода и дорогостоящих легирующих элементов никеля и кобальта [1–4]. При совместном легировании углеродом и азотом в структуре стали образуются мелкодисперсные упрочняющие избыточные фазы — карбонитриды. Формирование медкодисперсных глобулярных карбонитридов хрома и ванадия в структуре стали благоприятно влияет на увеличения уровня прочностных характеристик, а также не приводит к значительному снижению пластичности и ударной вязкости.

Цель настоящей статьи — провести исследование структуры, твердости и фазового состава экономнолегированной конструкционной стали со сверхравновесным содержанием азота после термической обработки в диапазоне температур.

Материалы и методики

Объектом исследования в рамках работы являлась конструкционная экономнолегированная сталь мартенситного класса системы Cr-Mo-V, легированная углеродом и азотом. Для повышения пластичности стали было введено небольшое содержание никеля. Сумма содержание легирующих элементов составляет около 5 масс. %. Для такой системы легирования было получено сверхравновесное содержание азота в количестве 0,2 масс. %.

Получение слитков из экономнолегированной стали со сверхравновесным содержанием азота проводили на базе ФГУП «ВИАМ» в печи электрошлакового переплава под давлением азота. Избыточное давление азота в рабочем пространстве печи при технологическом процессе составляло 30 атм.

Исследования структуры экономнолегированной конструкционной стали со сверхравновесным содержанием азота после термической обработки проводили на оптическом микроскопе Olympus GX-51 при увеличении 200 и 500 крат. Для выявления структуры изготовленные микрошлифы травили химически в растворе реактива Марбле (ГОСТ 5639–82), включающего соляную кислоту 50 мл, этиловый спирт 50 мл, воду 50 мл и CuSO4 2 г.

Для исследования твердости проводили дюрометрический анализ на твердомере Durascan 20 при нагрузке 10 Н по ГОСТ 2999–75. Фазовой состав образцов после термической обработки оценивали по намагниченности насыщения 4πJs методом Штеблейна в установке баллистического типа.

Результаты и обсуждения

Исследования структуры, твердости и фазового состава образцов из стали проводили после термической обработке в диапазоне температур от (Ас3 –50) °С до (Ас3 +250) °С, где Ас3 — температура конца полиморфного превращения. Для всех образцов термическая обработка состояла из закалки и заключительного низкого отпуска. По результатам дюрометрического анализа было установлено следующее: повышение температуры закалки привело к увеличению твердости образцов (рис. 1).

Рис. 2. Изменение объемного содержания мартенсита в образцах из экономнолегированной стали со сверхравновесным содержанием азота в зависимости от температуры закалки

В данном температурном диапазоне также были проведены исследования изменения фазового состава по изменению намагниченности насыщения. Поскольку сталь относится к мартенситному классу, при охлаждении с температуры закалки в воду в качестве фаз в структуре стали будут присутствовать только мартенсит и аустенит, кроме закалки с температуры (Ас3 –50) °С. При данной температуре в качестве магнитных фаз выступают мартенсит и феррит Результаты исследования изменения магнитной фазы в структуре стали представлены на рис. 2.

Рис. 2. Изменение объемного содержания мартенсита в образцах из экономнолегированной стали со сверхравновесным содержанием азота в зависимости от температуры закалки

При температуре (Ас3 +150) °С происходит падение количества мартенсита, что может быть связано с протеканием процесса частичного распада мартенсита и выделение охрупчивающих фаз при этой температуре, что характерно для сплавов системы Fe–Cr. По результатам металлографического анализа при данной температуре были выявлены трещины в структуре образца с разрушением преимущественно по границе зерна, что косвенно подтверждает факт выделения охрупчивающих фаз по границам зерен (рис. 3).

Рис. 3. Микроструктура экономнолегированной стали со сверхравновесным содержанием азота при закалке с температуры (Ас3 + 150) °С, ×200

Исследования микроструктуры образцов после закалки с различных температур представлены на рис. 4. Структура всех образцов состоит из мартенсита, аустенита и мелкодисперсных избыточных фаз — карбонитридов хрома стехиометрического состава Cr23(C,N)6

а
б
в
г

Рис. 4. Микроструктура образцов при закалке с температуры:

а —  (Ас3 –50) °С; б — (Ас3 +50) °С; в — (Ас3 +150) °С; г — (Ас3 +250) °С; ×500

При закалке из двухфазной области с неполным полиморфным превращением (рис. 4, а) наблюдается структура мартенсита, феррито-цементитной смеси и аустенита, сформированные по аналогии с углеродистыми сталями перлитного класса [5]. Увеличение температуры закалки до протекания полного полиморфного превращения позволило сформировать мартенситную структуру с остаточным аустенитом (рис. 4, б). Дальнейшее повышение температуры закалки привело к увеличению размера мартенситных игл с 15...20 до 40...50 мкм (рис. 4, в–г).

Заключение

Экономнолегированные конструкционные стали являются востребованным материалом в различных отраслях машиностроения вследствие того, что они способны работать в условиях различного нагружения. Большинство экономнолегированных сталей в химическом составе содержат углерод и легирующие элементы, такие как Cr, Ni, Mo, V.

В современном машиностроении наиболее востребованными являются стали, одновременно содержащие углерод и азот в качестве элементов внедрения, так как наряду с высокой прочностью они обладают хорошей пластичностью и ударной вязкостью.

Исследованные твердость и фазовый состав образцов после закалки с различных температур показали, что с ростом температуры растет количество магнитной фазы и твердость. Исключением является закалка с температуры (Ас3 +150) °С, поскольку при этой температуре снижается количество магнитной фазы и происходит образование трещин, что предположительно связано с частичным распадом мартенсита на охрупчивающие фазы, которые выделяются по границам зерен. Увеличение температуры закалки приводит увеличению размера мартенситных игл с 15...20 до 40...50 мкм. Помимо мартенсита в структуре сталей присутствует мелкодисперсная избыточная фаза стехиометрического состава Cr23(C,N)6.

Литература
  1. Севальнев Г.С., Анцыферова М.В., Дульнев К.В., Севальнева Т.Г., Власов И.И. Влияние концентрации азота на структуру и свойства экономнолегированной конструкционной стали // Авиационные материалы и технологии. 2020. № 2. С. 10–16. DOI: 10.18577/2071-9140-2020-0-2-10-16
  2. Банных И.О., Банных О.А., Анцыферова М.В., Громов В.И., Тонышева О.А., Севальнёв Г.С. Обоснование выбора состава и выплавка среднеуглеродистой низколегированной деформационно-упрочняемой азотсодержащей стали в условиях электрошлакового переплава при повышенном давлении азота // Электрометаллургия. 2018. № 5. С. 24–29.
  3. Рашев Ц.В. Высокоазотистые стали. Металлургия под давлением. София: Проф. Марин Дринов, 1995. 272 с.
  4. Удод К.А., Родионова И.Г., Бакланова О.Н., Павлов А.А., Шапошников Н.Г., Дьяконов Д.Л. Особенности структурообразования низкоуглеродистых хромистых коррозионностойких сталей, легированных азотом // Металлург. 2019. № 1. С. 31–36.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.