БУЛАТ - НЕЛЕГИРОВАННАЯ СТАЛЬ КАРБИДНОГО КЛАССА
© Суханов Дмитрий Александрович, канд. техн. наук
ООО «Русметпром». Россия, Москва. E-mail: suhanov.d@rusmetprom.ru
Однажды, задавшись вопросом: «Что такое булат - особая сталь или технология?», - я не нашел на него ответа. Все просто и одновременно сложно. Люди используют булат тысячелетия. О нем слагались легенды. Сегодня раскрыты тайны микромира, а микроструктура булата, определяющая его свойства, осталась в тени его славы. Однако только состав и структура определяют свойства стали. Причем, любую сталь получают только по определенной технологии. Есть технология получения штамповых сталей (Х12), есть технология получения быстрорежущих сталей (Р18), следовательно, должна быть и технология получения булатных сталей. В результате поисков технологии получения булатных сталей стало известно, что у самых лучших булатов, количество углерода в их составе приближается к чугунам. При высокотемпературной обработке таких сплавов возникают риски образования свободного графита, в результате чего неминуема потеря вязкости. Условием образования графита является наличие центров кристаллизации (соединений кремния). Чистота состава - это стартовый фактор для выявления основных структурных составляющих, определяющих свойства булатной стали.
Итак, чтобы сегодня понять, почему острота клинка сочетается с высокой упругостью, необходимо выявить истинную структуру булата и заложить основополагающие признаки его индивидуальных свойств. Экспериментальные исследования структуры позволили определить, что все они находятся в области нелегированных сталей карбидного класса.
Задача, поставленная в данной работе - изучение структуры и свойств нелегированных сталей карбидного класса (булатов).
Исследовательские работы в области нелегированных карбидных сталей в литературе практически не представлены. На сегодня встречаются данные только о легированных карбидных сталях типа Х12, широко распространенных в инструментальной промышленности. В структуре штамповой стали Х12 после кристаллизации наблюдается эвтектика (ледебурит), расположенная в ликвационных зонах (рис. 1, а). В деформированном состоянии структура представляет собой металлическую матрицу на базе аустенита либо продуктов его распада с грубыми включениями эвтектических карбидов (рис. 1, б), представляющих собой не что иное, как перекристаллизованный легированный ледебурит.
Приступая к исследованию нелегированных сплавов с содержанием углерода от 1,5% до 3,0%, пришлось за основу взять классическое распределение фаз и структур по диаграмме со-
стояния «железо-углерод». При таком содержании углерода металл может быть либо заэвтекто-идной сталью (1,5-2,0% С) либо доэвтектическим чугуном (2,0-3,0% С). Состав и структура этих сплавов регламентированы ГОСТ 22536. Отличие состоит лишь в том, что в составе исследуемых сплавов отсутствуют какие-либо модификаторы и продукты раскисления. Такие слитки были выплавлены в вакуумной печи на научно-производственной площадке ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П.Бардина» и имели следующий химический состав:
- сплав № 1 - 1,62% С; 0,069% 0,026% Мп; 0,002% Р; 0,004% Б;
Рис. 1. Структура стали Х12: а - литое состояние. Первичные дендриты аустенита и эвтектика Бе-(Сг, Бе)7С3 в виде сетки (х1000); б - кованное состояние. Мартенсит и эвтектические карбиды (светлые включения). Твердость 950 НУ (х800)
Рис. 2. Структура сплава: а - № 1, литое состояние + отжиг при 700 °С. Перлит (темный фон) и иглы видманштеттова цементита 10% (х800); б - № 2, литое состояние + отжиг при 700 °С. Перлит (темный фон) и игл видманштеттова цементита 20% (х800)
- сплав № 2 - 2,25% С; 0,065% Б1; 0,024% Мп; 0,002% Р; 0,004% Б;
- сплав № 3 - 2,70% С; 0,10% Б1; 0,10% Мп; 0,003% Р; 0,003% Б. Содержание всех остальных элементов во всех трех сплавах - сотые и тысячные доли.
Цель данной работы заключалась в выявлении закономерностей образования эвтектических карбидов в сплавах железа с содержанием углерода от 1,5 до 3,0% (содержание остальных элементов сотые и тысячные доли). В работе решались следующие задачи:
- исследование особенностей формоизменения цементита и ледебурита при термической обработке;
- выявление закономерностей формоизменения цементита и ледебурита после деформации ковкой в диапазоне температур 820-650 °С;
- установление режимов термомеханической обработки, обеспечивающих получение нелегированных сталей карбидного класса.
В чистом железоуглеродистом сплаве величина, форма и характер распределения ден-дритов определяются только степенью переохлаждения расплава. Таким образом, при более медленном охлаждении (охлаждение тигля с печью) получается более грубая дендритная структура. При выплавке сплавов в вакууме степень переохлаждения расплава более высокая (тигель охлаждается при комнатной температуре). Поэтому структура сплавов № 1 и № 2 представляет собой мелкодисперсную матрицу пластинчатого перлита с расположенными в ней иглами избыточного видманштеттова цементита, состоящего из отдельных слоев (рис. 2). Преимущественное выделение цементита видманштеттова типа объясняется тем, что с повышением степени переохлаждения расплава уменьшается критический размер зародышей и увеличивается количество центров кристаллизации. В сплаве № 3 к этим
структурным составляющим добавляется ледебурит в виде междендритной сетки (рис. 3). Таким образом, структура сплавов № 1 и № 2 типична для сверхуглеродистых сталей, а структура сплава №3 - для доэвтектических белых чу-гунов, охлажденных при комнатной температуре.
Цементит видманштеттова типа почти полностью растворяется в процессе гомогенизирующего отжига при 1150 °С. В образцах сплава № 1 образуется крупная цементитная сетка по границам бывших аустенитных зерен (рис. 4, а). В отдельных местах наблюдаются грубые конгломераты цементитных выделений. Металлографические признаки не позволяют идентифицировать в них эвтектические карбиды, полученные в процессе перекристаллизации метастабильного ледебурита. В образцах сплава № 2 видманштеттов цементит перекристаллизуется в более плотные «бруски», которые выделяются по тем же самым кристаллографическим направлениям (рис. 4, б). Характерной особенностью этого цементита является то, что он не имеет слоистого строения. В поле зрения шлифа наблюдаются также характерные признаки ледебуритных образований. В образцах сплава № 3 ледебуритная сетка утолщается за счет избыточного цементита, при этом границы ободков ледебуритных колоний становятся более размытыми (рис. 4, в). Таким образом, в структуре этих сплавов, прошедших отжиг при 1150 °С, обнаруживается определенная доля эвтектики, возрастающая с увеличением содержания углерода.
Дальнейшие исследования проводились с целью выявления закономерностей формоизме-
Рис. 3. Структура сплава № 3, литое состояние. Перлит (темный фон), иглы видманштеттова цементита и ледебуритной сетки (х800)
Рис. 4. Структура сплавов после отжига при 1150 °С: а - № 1.
Перлит (темный фон) и цементитная сетка, расположенная по границам бывших аустенитных зерен (х1000); б - № 2. Перлит (темный фон) и бруски цементита, не имеющего слоистого строения (х1000); в - № 3. Перлит (темный фон) и ледебуритная сетка без видманштеттова цементита (х1000)
нения цементита в процессе деформации ковкой в диапазоне температур 820-650 °С. В этом диапазоне температур избыточный цементит не растворяется в аустените, а испытывает сжимающие и сдвиговые напряжения. При таких темпе-ратурно-скоростных условиях деформирования цементитная сетка в сплаве № 1 разрушается с образованием карбидов глобулярной формы, сохраняя при этом ориентированность вдоль оси деформации (рис. 5, а). В поле зрения шлифа из-за контраста травимости перлитной и карбидной составляющих отчетливо видна полосчатость, которая тем больше, чем крупнее исходное аусте-нитное зерно и грубее цементитная сетка.
Во время деформации образцов сплава № 2 с избыточной фазой в виде видманштеттова цементита необходимо затрачивать больше энергии для получения карбидов эвтектического типа. Это обусловлено тем, что избыточный цементит,
Рис. 5. Структура сплавов после ковки при 850-650 °С:
а - № 1. Сорбит (йц не более 0,2 мкм) и избыточные карбиды глобулярной формы, ориентированные вдоль оси деформации (х300); б - № 2. Матрица глобулярного перлита и эвтектический цементит 20% (х1000); в - № 3. Матрица глобулярного перлита и эвтектический цементит 40% (х1000)
полученный путем перекристаллизации аустени-та, имеет слоистую структуру. Цементит расщепляется по зонам сопряжения слоев, вторично перекристаллизуясь в частицы эвтектического типа. Частицы цементита сохраняют ориентированность в непосредственной близости от исходных слоистых пластин, образуя мелкие узоры различной конфигурации. При деформации образцов сплава № 2, полученных путем отжига при 1150 °С в течение 2 ч, вся скопившаяся энергия на поверхности раздела аустенит-ледебурит либо аустенит-цементит затрачивается на уплотнение эвтектики, либо на дробление цементитных во- ^ локон на более короткие. Это обусловлено тем, что этот цементит не имеет слоистого строения и ^ разрушается за счет утонения в наиболее слабых местах (рис. 5, б). £
При деформации сплава № 3 с ледебуритны- 5 ми колониями сначала деформируется аустенит, г
Рис. 6. Структура сплава № 3: а - ковка + отжиг при 1000 С. Феррит, продукты распада
перлита (глобулярного цементита) и крупный эвтектический цементит (х500); б - нетравленый шлиф. На поверхности шлифа во время полировки проявляются узоры, образованные эвтектическими карбидами в перлитной матрице (х200)
а вокруг ледебурита происходит локальная пластическая деформация. Ледебурит находится под воздействием нормальных сжимающих напряжений (зернами аустенита) и сдвиговых напряжений, обусловленных силами сцепления на поверхности раздела ледебурит-аустенит. Скопившаяся энергия затрачивается на уплотнение сотовой аустенитно-цементитной эвтектики (ледебурита), что, в конечном счете, приводит к его перекристаллизации с образованием карбидов эвтектического состава (рис. 5, в).
Обобщая вышесказанное, можно отметить следующие
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.