ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2009, том 107, № 5, с. 520-527
СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ^^^^^^^^^^ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.15-194.55:539.25/26
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ НАУГЛЕРОЖЕННОГО СЛОЯ В ПРОЦЕССЕ ЦЕМЕНТАЦИИ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ МАРТЕНСИТНОЙ СТАЛИ 12Х2Г2НМФТ
© 2009 г. А. С. Иванов, С. А. Коковякина, Е. Р. Козлова
Пермский государственный технический университет, 614600 Пермь, Комсомольский просп., 29
Поступила в редакцию 29.02.2008 г.; в окончательном варианте - 23.06.2008 г.
Исследован процесс создания и последующего упрочнения градиентного науглероженного слоя низкоуглеродистой мартенситной стали 12Х2Г2НМФТ. Показана возможность оптимизации структуры и свойств цементованного слоя и основы стали путем закалки от температур межкритической области с предварительным подогревом или высоким отпуском. В цементованном слое получен ре-вертированный аустенит с высокой твердостью, равной или превышающей твердость мартенсита. Упрочнение аустенита происходит за счет выделения дисперсных карбидов при последующей после цементации термообработке.
РАСБ: 81.40-7, 61.66.Dk
ВВЕДЕНИЕ
Низкоуглеродистые мартенситные стали (НМС) находят в последнее время все более широкое применение в промышленности. Рациональное легирование и малое содержание углерода в НМС увеличивают устойчивость переохлажденного аустенита и обеспечивают получение мартенситной структуры в больших сечениях при сравнительно медленном охлаждении на воздухе. Хорошая прокаливае-мость и высокий комплекс механических свойств позволяют повысить прочность сложных, крупногабаритных, высокоточных деталей и сварных конструкций до 800-1000 Н/мм2, что может дать высокий экономический и экологический эффект в их производстве и эксплуатации.
Так, низкоуглеродистая мартенситная сталь 07Х3ГНМ широко применяется в военной, буровой, транспортной технике, для производства труб, сортового проката и т.д. Поверхностному упрочнению подвергается очень небольшой процент этих изделий.
Исследуемая в данной работе сталь 12Х2Г2НМФТ, запатентованная в 1992 г., отличается наиболее высоким комплексом механических свойств среди сталей этого класса, однако используется еще крайне редко, а в поверхностно упрочненном состоянии не применяется.
С целью расширения сферы применения НМС для работы в условиях контактного трения необходима разработка технологий их поверхностного упрочнения. Однако исследования такого рода до последнего времени практически не проводились.
Настоящая статья посвящена изучению формирования науглероженного поверхностного слоя в
процессе цементации низкоуглеродистой мартен-ситной стали 12Х2Г2НМФТ. В работах по созданию нового класса низкоуглеродистых мартен-ситных сталей [1-3] показано, что для получения структуры пакетного мартенсита при медленном охлаждении содержание углерода в составе НМС должно составлять 0.08-0.10%. В процессе цементации содержание углерода в поверхностном слое увеличивается до эвтектоидной и заэвтектоидной концентрации. Задачей данной работы было определить влияние легирования стали 12Х2Г2НМФТ на структуру и свойства поверхностного слоя при таком высоком содержании углерода, рассмотреть возможность улучшения структуры и оптимизировать режимы термической обработки для упрочнения слоя с сохранением структуры и свойств основы стали.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследования проводили на низкоуглеродистой мартенситной стали 12Х2Г2НМФТ (0.13% С, 0.24% Б1, 2.24% Мп, 2.39% Сг, 1.38% N1, 0.45% Мо, 0.1% V, 0.04% Т1, 0.009% Б, 0.004% Р) [2]. Исходное состояние стали - горячекатаный лист толщиной 6 мм, структура - пакетный мартенсит, твердость - 39 ИЯС.
Газовую цементацию низкоуглеродистой мартенситной стали 12Х2Г2НМФТ проводили в промышленной шахтной печи Ц-75. Последующую термическую обработку проводили в лабораторной печи типа СНОЛ в отработанном карбюризаторе во избежание обезуглероживания. Микро-
структуру исследовали на микроскопе "КеорИо1-32" при увеличении до х500.
Твердость измеряли по методу Роквелла по шкале С алмазным конусом при нагрузке 150 кг на приборе ТК-2М в соответствии с ГОСТ 901359. Измерение микротвердости проводили по ГОСТ 9450-76 на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузке 20 и 50 г. За глубину цементованного слоя принимали расстояние от поверхности образца до точки, соответствующей твердости основы.
Рентгеноструктурный анализ осуществлялся на дифрактометре ДРОН-3 в монохроматизиро-ванном медном излучении. По данным РСА определяли количество остаточного аустенита, ширину линий а- и у-фазы, параметр кристаллической решетки остаточного аустенита.
Количество остаточного аустенита определяли по соотношению интегральных интенсивностей линии (311) у-фазы и (211) а-фазы по формуле
Аост = 100/[1.273(/(211)а//(311)т) + 1],
1(211)а - интенсивность линии а-фазы, /(3ц)П - интенсивность линии у-фазы.
Для определения ошибки измерения количества остаточного аустенита проводили 10-кратную съемку образцов с разным содержанием аустенита. Доверительный интервал измерения составил примерно 5% от измеренной величины при уровне значимости р = 0.1.
Исследование процесса распада остаточного аустенита и определение критических точек цементованных слоев проводили на дифференциальном дилатометре Шевенара. Для работы на дилатометре применяли образцы диаметром 3.5 мм, процементованные насквозь. Эталоном служил сплав "пирос".
Послойный химический анализ проводили на эмиссионном квантометре АЯЬ-31.000.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Газовую цементацию низкоуглеродистой мар-тенситной стали 12Х2Г2НМФТ проводили на предприятии "Пермское агрегатное объединение "Инкар" в шахтной печи Ц-75 в карбюризаторе бензол при температуре 900-910°С. Подача карбюризатора - 80-100 кап/мин. Время обработки -4 часа. Охлаждение на воздухе.
Структуру цементованного слоя на стали 12Х2Г2НМФТ (рис. 1а) можно условно разделить на три зоны. В первой поверхностной зоне наряду с остаточным аустенитом на глубине до 100 мкм образуется большое количество глобулярных карбидов. При продвижении в глубь слоя происходит уменьшение количества и размеров карбидов. Во второй зоне на расстоянии от поверхности 200-300 мкм расположена аустенитная область,
содержание аустенита в которой достигает 85% (рис. 2а). Микротвердость в аустенитной зоне резко падает до 5500 МПа (рис. 26). В третьей зоне на глубине 300-600 мкм в связи с уменьшением концентрации углерода количество остаточного аустенита снижается до 10%. В структуре слоя появляется крупноигольчатый мартенсит, плавно переходящий в структуру пакетного мартенсита основы. Микротвердость в этой зоне резко увеличивается до 8000 МПа. При дальнейшем увеличении расстояния от поверхности по мере уменьшения концентрации углерода микротвердость постепенно уменьшается до 4000 МПа, что соответствует уровню твердости основы стали.
Распределение углерода по глубине цементованного слоя представлено на рис. 3 а. По глубине слоя наблюдается плавное снижение концентрации углерода до 0.1%, что соответствует количеству углерода в основе стали.
Наибольшему количеству остаточного аустенита (60-85%) на глубине 0.05-0.3 мм соответствует концентрация углерода 1.0-0.7%. В области максимального количества остаточного аустенита (85%) карбиды металлографически не наблюдаются. Таким образом, углерод практически полностью находится в твердом растворе. Следовательно, наибольшую стабильность аустенита при легировании, соответствующем составу стали 12Х2Г2НМФТ, обеспечивает содержание углерода 0.7-1.0%.
Количество легирующих элементов во всех зонах слоя соответствует их содержанию в стали (рис. 36), т.е. перераспределение легирующих элементов в процессе науглероживания не происходит.
Качественный рентгеноструктурный анализ показал, что основной карбидной составляющей в составе слоя является цементит. Кроме того присутствуют карбиды хрома Сг3С2 и ванадия УС.
Для оптимизации структуры и свойств цементованной стали 12Х2Г2НМФТ в работе [4] предложен режим термической обработки, включающий высокий отпуск 620°С, 2 ч и закалку от 810°С с охлаждением на воздухе. В результате такой обработки получен градиентный слой с поверхностной твердостью 60-62 ИЯС глубиной порядка 1 мм с благоприятным распределением микротвердости. Металлографически видимая аустенитная зона в цементованном слое отсутствует. Основа стали имеет структуру пакетного мартенсита с твердостью 40 ИЯС. Таким образом, показана возможность получения массивного упрочненного слоя на низкоуглеродистой мартенситной стали 12Х2Г2НМФТ при сравнительно медленном охлаждении на воздухе, что является существенным преимуществом сталей этого класса.
Задачей данной работы было исследование процессов формирования структуры цементован-
(а)
(б)
(в)
Рис. 1. Структуры цементованного слоя стали 12Х2Г2НМФТ; х500:
а - цементация 910°С, 4 ч, воздух; б - цементация - высокий отпуск 620°С, 2 ч - закалка 740°С, воздух; в - цементация -закалка с подогревом (620°С - 740°С), воздух.
ного слоя на стали 12Х2Г2НМФТ при закалке из межкритического интервала температур (МКИ). В работах [5, 6] показана перспективность применения для этой стали закалки из МКИ. Установлено, что закалка от температуры выше Ас1 обеспечивает получение однородной структуры пакетного мартенсита. Механические свойства стали 12Х2Г2НМФТ после закалки из аустенитной области (900°С) и из МКИ (780°С) приведены в табл. 1. Близкий уровень механических свойств после полной и неполной закалки позволяет понизить температуру закалки, что уменьшает уровень внутренних напряжений в стали. Для оценки возможности применения неполной закалки стали 12Х2Г2НМФТ с упрочняющим покрытием необходимо исследова-
ние процессов формирования структуры цементованного слоя при закалке из МКИ.
Предполагалось возможным определить температуру нагрева выше Ас1, при которой образуется оптимальное количество аустенита для формирования мартенситной структуры при охлаждении с сохранением минимального количества аустенита в закаленном цементованном слое.
Исходя из того, что по данным дилатометрического анализа температура Ас1 для цементованного слоя стали 12Х2Г2НМФТ составляет 710-720°С, были
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.