УДК 669.14.018.8
КРЕМНИЙ В ЦЕМЕНТУЕМОЙ КОРРОЗИОННОСТОЙКОЙ СТАЛИ
© Банас Игорь Павлович, канд. техн. наук; Громов Валерий Игоревич, канд. техн. наук; Коробова Елена Николаевна; Седов Олег Владимирович
ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов». Россия, Москва. E-mail: gvi1965@mail.ru
Статья поступила 16.04.2013 г.
Рассмотрены эффекты, возникающие в кремнийсодержащих сталях при взаимодействии кремния с углеродом, рядом легирующих элементов. Отмечено влияние кремния на процесс дисперсионного твердения, хладноломкость, ударную вязкость, уровень прочности, а также на формирование наиболее благоприятной структуры цементованного слоя при различных процессах термообработки и проявляющихся в различных состояниях стали.
Ключевые слова: раскислитель; легирующий элемент; цементация; графитизация; карбиды.
Кремний, применяемый в основном как раскислитель, все чаще используется в качестве легирующего компонента. В связи с этим представляют интерес некоторые особенности его влияния на физико-механические и технологические свойства стали.
Известно, что кремний затрудняет насыщение стали углеродом при цементации, при этом гораздо эффективней, чем никель. Для цементации комплекснолегированных сталей применяют способы науглероживания в атмосферах, создаваемых в результате пиролиза богатых углеводородами жидкостей (пиробензол, синтин, керосин) [1]. Чтобы получить в стандартном твердом карбюризаторе цементованный слой стали толщиной 1 мм при 920 °С с концентрацией углерода 0,9%, необходимо иметь в составе стали около 3% N1 (сталь 12ХН3А), ту же концентрацию углерода обеспечит замена 2% никеля кремнием в количестве 0,5-0,6%. Так, стали 18Х2Н4ВА и 18ХГСН2МА одинаково насыщаются углеродом, равнозначны по насыщаемости и стали 12Х2Н4А и 14ХГСН2МА. Цементация при низком давлении (вакуумная цементация) с применением газообразных углеводородов позволила перевести процесс на качественно новый уровень: избавиться от окисления и обезуглероживания приповерхностной части цементованного слоя, 2 исключить сажеобразование, проявляющееся в большей степени при цементации легированных ^ кремнием цементуемых сталей, обеспечить более равномерное распределение углерода, регулиро-£ вать концентрацию углерода в слое [2]. < Кремний используется в чугуне как элемент,
г способствующий его графитизации. Так кремний
ведет себя не только в чугуне. Распространенный вид брака в рессорно-пружинных высококремнистых сталях типа 60С2 - графитизация. Кремний существенно повышает температуру нагрева под закалку высокоуглеродистых сталей. Если оптимальная температура нагрева под закалку стали ШХ15 - 850 °С, то для близкой по составу стали с кремнием 9ХС - 880 °С.
Перечисленные эффекты взаимодействия кремния с углеродом проявляются в аустенитном состоянии стали, но еще интересней действие кремния в а-состоянии стали. Кремний повышает температуру а^у-превращения (А^. Так, для стали У7 Ах = 727 °С, для стали 70С2 - 750 °С, а для 70С3 - 770 °С.
Кремний существенно влияет на процессы низкотемпературного отпуска, сдвигая вторую стадию - превращение е-карбида в цементит - в сторону более высоких температур. Так, цементованный слой стали 12ХН3А и 14ХГСН2МА сохраняет при отпуске твердость 60 ИЯС до 160-180 °С, и до 230-240 °С соответственно. Инструментальная сталь 9ХС сохраняет эту твердость до 250 °С.
Кремний сдерживает процесс изотермического распада аустенита, сдвигая вправо время начала у^а-превращения в некоторых сложнолеги-рованных сталях. Так, в стали с 0,38% С; 1,35% Сг; 0,31% при 550 °С за 5 мин распадается примерно 33% аустенита, в стали с 0,36% С; 1,49% Сг; 1,12% при той же температуре за 5 мин распадается только примерно 7% аустенита [3].
Существенное влияние кремний оказывает на процесс дисперсионного твердения сталей: например, в цементуемой конструкционной стали 13Х3НВМ2Ф при содержании кремния всего
0,4-0,8% удается получать твердость не менее 60 ИЯС в слое и 42-44 ИЯС в сердцевине образцов после закалки от 1030 °С и пятикратного отпуска при 530 °С. В этой же стали без кремния твердость после такой термообработки в слое не превышает 57-58 ИЯС, а в сердцевине сохраняется закалочная твердость 38-30 ИЯС.
В экономнолегированных инструментальных сталях легирование кремнием позволяет получать высокую твердость (62-64 ИБ.С) при умеренных температурах закалки и трехкратном отпуске при 530 °С: в стали 8Х4В2С2МФ при содержании 1,6-2,0% Б1; в 11Х4В2С2Ф3М при 1,4-1,8% Бу в Х5В2С4Ф2НМ при 3,35-3,95% Б1, что позволяет обеспечить высокое сопротивление смятию.
Дисперсионное карбидное упрочнение сопровождается снижением ударной вязкости стали, особенно при высоком содержании кремния. Так, если ударная вязкость образцов без надреза стали 8Х4В2С2МФ с твердостью 63-64 ИЯС составляет 40-60 Дж/см2, стали 11Х4В2С2Ф3М с твердостью 61-62 ИЯС 40-50 Дж/см2, то увеличение содержания кремния в два раза в Х5В2С4Ф2НМ приводит к снижению ударной вязкости почти в два раза (25-30 Дж/см2) [4].
Кремний оказывает влияние на хладноломкость стали. Так, в стали 13Х3НВМ2Ф при минимальном его содержании 0,4-0,45% после термообработки снижение ударной вязкости с 70 Дж/см2 при комнатной температуре до 25-30 Дж/см2 происходит при охлаждении до -40 °С, то при 0,7-0,8% такое снижение обнаружили при 0 °С и разброс значений ударной вязкости даже при 20 °С, а стабилизировались результаты только при 30-40 °С на уровне 80-95 Дж/см2 (образцы с надрезом). Эта же сталь после традиционной термообработки (закалка от 950 °С, отпуск при 250 °С) признаков хладноломкости не проявила (при 20 °С КСи = 90 Дж/см2, при -70 °С КСи = 66 Дж/см2).
В коррозионностойкой стали переходного класса 18Х13Н4К4С2АМ3, термо-обработанной по режиму: закалка от 1100 °С, обработка холодом при -70 °С и низкотемпературный отпуск при
Таблица 1. Химический состав опытных плавок
Номер Содержание, мас. %
плавки С 81 Мп Сг Со N1 V № Мо
1 0,19 0,1 0,34 12,5 - 1,7 0,8 0,22 0,2 1,65
2 0,19 1,25 0,34 12,5 3,0 1,7 0,8 0,22 0,2 1,65
3 0,18 0,5 0,4 12,0 - 2,0 0,88 0,25 0,17 1,9
4 0,18 1,6 0,4 12,0 2,7 2,0 0,88 0,25 0,17 1,9
5 0,18 2,2 0,4 12,0 3,9 2,0 0,88 0,25 0,17 1,9
6 0,18 2,4 0,4 12,0 5,2 2,0 0,88 0,25 0,17 1,9
200 °С подобного действия кремния наружили: при 20 °С КСи = 100 Дж/см2, при -50 °С КСи = 70 Дж/см2, и это при прочности 0в > 1800 МПа и твердости 50 ИЯС.
Следовательно, отрицательное действие не проявляется при закалке с низкотемпературным отпуском.
Неоднозначное влияние кремния на ударную вязкость сталей стимулировало исследование его поведения в коррозионностойкой стали повышенной теплостойкости 18Х12Н2М2ВФБ. Были выплавлены опытные плавки этой стали с переменным содержанием кремния (от 0,1 до 2,4%). Так как кремний является сильным фер-ритообразователем, для гарантированного а^-у-превращания в сталь вводили кобальт в соответствующих расчетных количествах (табл. 1).
Прутки после горячей пластической деформации подвергли нормализации при 1100 °С и отжигу при 700 °С. Нагрев под закалку проводили при 1100 °С. Определяли предел прочности и ударную вязкость на образцах для механических испытаний после закалки и после отпуска при различных температурах - от 450 до 725 °С (табл. 2).
Таблица 2. Механические свойства сталей плавок 1-6 при различных режимах термообработки
Режим термообработки Предел прочности (МПа) / ударная вязкость (Дж/см2)
для плавки номер
1 2 3 4 5 6
Закалка 1100 °С 1700 / 15 1800 / 60 1800 / 8 1800 / 30 1750 / 25 1700 / 60
Закалка 1100 °С, отпуск 200 °С 1700 / 20 1800 / 80 1750 / 15 1800 / 60 1750 / 55 1700 / 70
Закалка 1100 °С, отпуск 450 °С 1600 / 15 1700 /30 1750 / 10 1750 / 25 1800 / 40 1700 / 55
Закалка 1100 °С, отпуск 500 °С 1700 / 25 1700 / 40 1700 / 20 1720 / 45 1700 / 45 1700 / 40
Закалка 1100 °С, отпуск 550 °С 1400 / 70 1500 / 65 1500 / 65 1550 / 60 1580 / 55 1550 / 50
Закалка 1100 °С, отпуск 650 °С 1300 / 75 1300 / 60 1300 / 70 1300 / 50 1500 / 15 1550 / 20
Закалка 1100 °С, отпуск 700 °С 1100 / 90 1150 / 80 1100 / 80 1100 / 45 1100 / 30 1100 / 25
После закалки без отпуска при практически одинаковом уровне прочности (1700-1800 МПа) добавки кремния и кобальта увеличивают ударную вязкость стали от 8-14 до 25-60 Дж/см2. Из табл. 2 следует, что после закалки без отпуска при высоком, практически одинаковом уровне прочности уровень ударной вязкости зависит от содержания кремния и кобальта. Уже при содержании 1,25% и 3,0% Со уровень ударной вязкости в четыре раза выше, чем для стали с низким содержанием кремния (0,1%) и без кобальта. Это соотношение сохраняется и после низкотемпературного отпуска. Преимущество плавок с кремнием и кобальтом сохраняется при повышении температуры отпуска вплоть до 500 °С. Высокая прочность всех плавок сохраняется до 500 °С, а общий уровень ударной вязкости высококремнистых плавок понижается. Отпуск при 550 °С резко повышает уровень ударной вязкости бескремнистых плавок, он уже превосходит значения ударной вязкости для высококремнистых плавок. Дальнейшее повышение температуры отпуска сопровождается неприемлемым снижением ударной вязкости при практически одинаковом падении прочности.
Цементуемая сталь 18Х12Н2М2ВФБ используется для изготовления коррозионностойких износостойких деталей. При общепринятой температуре цементации (950-970) °С она склонна к чрезмерному пересыщению углеродом (до 2-2,5%). Противодействие кремния пересыщению углеродом конструкционных сталей стимулировало опробование цементации опытных плавок тем более, что возможно проведение термообработки этой стали, обеспечивающей дисперсионное твердение цементованного слоя при отпуске(530-550 °С).
Цементацию в лабораторной шахтной печи в среде паров авиационного топлива ТС-1 (керосина) с хлористым аммонием ЫИ4С1, загруженным в печь в смеси с кварцевым песком, проводили при 1000 °С в течение 7 ч. По окончании процесса цементации образцы закалили в масле. Цементации подвергали образцы плавок 3-6. Микроструктура стали плавки 3 до глубины 0,5 мм представляла собой аустенитно-мартенситную смесь с большим количеством карбидов. Глубже нахо-2 ди
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.