УДК 669-136
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ СОЗДАНИЯ СТАЛЕЙ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОПРОЧНЫХ, НАДЕЖНЫХ ИЗДЕЛИЙ МЕТОДАМИ ГОРЯЧЕЙ ШТАМПОВКИ
© Арутюнян Наталия Анриевна, канд. физ.-мат. наук, e-mail: naarutyunyan@gmail.com; Химический факультет МГУ им. М.В.Ломоносова. Россия, Москва Зайцев Александр Иванович, д-р физ.-мат. наук, e-mail: aizaitsev@mtu-net.ru; Бакланова Ольга Николаевна, e-mail: baklanovao@yandex.ru ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П.Бардина». Россия, Москва Статья поступила 23.10.2014 г.
Выполнен анализ принципов создания нового поколения сталей для получения методами горячей штамповки изделий с увеличенными до трех раз прочностными характеристиками (временное сопротивление до 2200 МПа). Показано, что, прежде всего, они должны быть направлены на одновременное обеспечение высоких показателей горячей пластичности, закаливаемости и прокаливаемости стали. Установлено, что наиболее перспективными для этих целей являются борсодержащие стали, а также стали систем легирования и микролегирования Мп-Сг, Мп-Мо-ЫЬ, Мп-Сг-№-(Мо-ЫЬ-У) при стремлении к снижению содержания углерода. С целью верификации полученных результатов проведено экспериментальное исследование влияния скоростей охлаждения на прочностные характеристики сталей выбранных систем легирования. Получено подтверждение адекватности основных выводов и показана перспективность использования легирования бором, а также системы легирующих и микролегирующих добавок С-Мп-Сг-№-ЫЬ-У для создания новых низкоуглеродистых хорошо свариваемых сталей для получения высокопрочных изделий методами горячей штамповки.
Ключевые слова: стали, закаливаемые при штамповке; горячая пластичность; закаливаемость; прокаливаемость; мартенситная структура; выделения избыточных фаз; высокопрочные изделия.
Повышение технических характеристик функционирования, производительности современной транспортной, грузоподъемной, горнодобывающей и других видов техники неизбежно приводит к увеличению нагрузок на рабочие узлы и детали. Это, при условии выполнения требований снижения материальных, энергетических затрат, металлоемкости изделий, делает необходимым прорывное увеличение прочностных характеристик, коррозионной стойкости, эксплуатационной надежности сталей, используемых для их изготовления. Повышение прочности стали, как правило, приводит к катастрофическому снижению пластичности, что осложняет или делает невозможным изготовление деталей сложной формы, особенно необходимых для создания новых объектов техники. Эффективным решением этой проблемы является разработка экономноле-гированных, хорошо свариваемых, закаливаемых при штамповке сталей, обеспечивающих увеличение до трех раз прочностных характеристик (временное сопротивление до 2200 МПа) металла готовых изделий. Использование таких сталей, кроме возможности создания принципиально новых объектов техники различного назначения, позволяет существенно снизить стоимость, ме-
таллоемкость и массу, увеличить коррозионную стойкость, эксплуатационную надежность и ресурс работы изделий, особенно в сложных природно-климатических условиях, что становится все более актуальным в связи с реализацией широкомасштабных мероприятий по освоению северных широт.
Практическое воплощение сформулированного подхода состоит в следующем. Заготовка из стали с обычными, как правило, ферритно-пер-литной микроструктурой и прочностными характеристиками (пределы текучести до 600-650 МПа и прочности до 850 МПа) после горячей штамповки, совмещенной с закалкой, имеет в основном мартенситную микроструктуру и кратно увеличенные механические характеристики (предел прочности не менее 1500-1800 МПа). Методом штамповки при повышенных температурах, благодаря получаемой мартенситной микроструктуре, уменьшенному упругому последействию ^ из листового металла могут быть изготовлены ™ более тонкие и более сложные детали с высокой -удельной прочностью и геометрической точно- ^
стью [1-5]. Таким образом, особенность явлений ^
>
и превращений при горячей штамповке состоит Ц
<
в совмещении пластической деформации и закал- |
Таблица 1. Химический состав и механические свойства борсодержащих сталей [2], используемых для горячей штамповки, мас. %
Сталь Al B C Mn N № Si ТС
20МпВ5 0,04 0,001 0,16 0,23 1,05 0,01 0,40 0,034
22МпВ5 0,03 0,002 0,23 0,16 1,18 0,005 0,12 0,22 0,040
8МпСгВ3 0,05 0,002 0,07 0,37 0,75 0,006 0,01 0,21 0,048
27МпСгВ5 0,03 0,002 0,25 0,34 1,24 0,004 0,01 0,21 0,042
37МпВ4 0,03 0,001 0,33 0,19 0,81 0,006 0,02 0,31 0,046
Сталь Температура начала мартенситного превращения, ^ Критическая скорость охлаждения, К/с Предел текучести, МПа Предел прочности, МПа
перед горячей штамповкой после горячей штамповки перед горячей штамповкой после горячей штамповки
20МпВ5 450 30 505 967 637 1354
22МпВ5 410 27 457 1010 608 1478
8МпСгВ3 — — 447 751 520 882
27МпСгВ5 400 20 478 1097 638 1611
37МпВ4 350 14 580 1378 810 2040
ки после аустенитизации стали. Следовательно, принципы создания химического состава и эффективной сквозной технологии производства должны, прежде всего, обеспечить одновременно достижение высоких показателей горячей пластичности, закаливаемости и прокаливаемости стали. Естественно, такая задача, без дополнительных условий, может иметь довольно большое число решений. Однако стремление к снижению материальных и энергетических затрат привело к тому, что в настоящее время в мире наиболее широкое распространение для горячей штамповки нашли экономичные С-Мп стали, легированные бором (табл. 1).
Бор является элементом, наиболее эффективно увеличивающим прокаливаемость стали при предельно низких концентрациях — порядка тысячных долей процента. Его использование позволяет не только снизить степень легирован-ности, стоимость, но и существенно повысить технологичность, свариваемость и ряд других служебных свойств стали. Тем не менее для реализации положительного влияния бора необходимо обеспечить присутствие его в твердом растворе, обусловливающее его сегрегацию по границам зерен, снижение поверхностной энер-2 гии. В результате затрудняется образование за™ родышей феррита со стабилизацией аустенита. - Альтернативными процессами являются обра-^ зование комплексного борокарбида Ме23(СВ)6 ^ и нитрида ВЫ, которые, напротив, снижают как Ц прокаливаемость, так и горячую пластичность | стали. С другой стороны, важна морфология вы-
1 ф Т1N +ВИ 1 т.
™ "" >м ш 100 ™ 6(0 *" ги "
©ви —,-,-,-.— V ,—
Рис. 1. Внешний вид и спектрограмма состава комплексных нитридных выделений в стали, легированной бором, ниобием и титаном, после горячей деформации при 900 °С [6]
делений ВЫ. Выделение нитрида бора на поверхности частиц ИЫ и МпБ (рис. 1), равномерно распределенных по объему металла, приводит к улучшению горячей пластичности, стойкости к межкристаллитному растрескиванию и других характеристик [6].
Для предотвращения возможности образования выделений Ме23(СВ)6, ВЫ и стабилизации состояния бора в твердом растворе используют дополнительное легирование стали И, ЫЬ, V, Мо для связывания углерода и азота в устойчивые нитриды, карбиды, карбонитриды [7]. Выполненный при проведении настоящего исследования расчет по доработанной (с учетом дополнительного легирования бором) модели (см., например, [8]) прогнозирования фазового состава стали позволил сделать ряд важных заключений. Используемые в системе легирования сталей (см. табл. 1) концентрации титана и заданные концентрации азота должны приводить к его полному связыванию в ИЫ, что происходит уже при кристаллизации стали. При нагреве заготовки под прокатку до обычно используемых температур
(1200-1250 °С) растворение Т1Ы практически не происходит, что должно сдерживать рост зерна аустенита. Результаты исследования процессов сегрегации углерода свидетельствуют о том, что для эффективного снижения концентрации углерода на границах зерен оптимальным является микролегирование ниобием в пределах 0,03-0,06%. Существенное повышение твердости и, соответственно, прочности износостойкого плакирующего слоя биметалла с мартенситной структурой вследствие формирования нанораз-мерных (100-200 нм) выделений карбидов ванадия и молибдена [9] говорит о том, что целесообразно дополнительное микролегирование стали ванадием.
Прогнозирование поведения и характера влияния бора на прокаливаемость стали осложнено из-за совмещения процессов деформации и закалки. При штамповке происходит деформация аустенитного зерна и смещение его границы, при этом сегрегации атомов бора, которые по кинетическим причинам не могут переместиться в новое положение, сохраняют исходное расположение. В результате эффективность действия бора в определенной степени теряется. Количественная оценка описанного эффекта до настоящего времени ни в теоретическом, ни в практическом плане не выполнена.
В связи со сложностью и многообразием протекающих явлений и превращений выбор как самих борсодержащих сталей для горячей штамповки, так и принципов их создания производился в основном методом проб и ошибок. С другой стороны, состав, механические свойства (см. табл. 1) и возможности реализации дополнительных механизмов повышения твердости (прочности) за счет наноструктурирования стали свидетельствуют о том, что дальнейшее развитие этого направления позволит достичь предельно высоких показателей механических и других служебных свойств металла изделий, получаемых горячей штамповкой. Для этого необходимы разработка и использование оригинальных методов управления структурным состоянием, типом, количеством, размером и морфологией выделений избыточных фаз, состоянием твердого раствора, формами присутствия бора и примесей.
Из-за сложности, многопараметричности задачи создания экономичных легированных бором сталей и технологии их производства, предполагающей контроль содержания многих компонентов в довольно узких пределах, возник подход [10], направленный на исключение ис-
пользования бора. При этом для улучшения про-каливаемости стали предполагается легирование молибденом и микролегирование ниобием для контроля размера зерна по всему циклу деформации металла -
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.