ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 98, № 4, с. 96-112
= ПРОЧНОСТЬ И ПЛАСТИЧНОСТЬ =
УДК 669.15-194.54:539.538
СТРУКТУРА И АБРАЗИВНАЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ЗАКАЛЕННЫХ И ОТПУЩЕННЫХ ЗАЭВТЕКТОИДНЫХ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ
© 2004 г. А. В. Макаров*, Л. Г. Коршунов**, В. М. Счастливцев**, И. Л. Солодова**, И. Л. Яковлева**
*Институт машиноведения УрО РАН, 620219 г. Екатеринбург, ул. Комсомольская, 34 **Институт физики металлов УрО РАН, 620219 г. Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18
Поступила в редакцию 07.04.2004 г.
Исследованы закономерности изнашивания при скольжении по закрепленному абразиву высокоуглеродистых (0.83-1.84 мас. % С) сталей, подвергнутых закалке в воде (790-1200°С), обработке холодом (-196°С) и отпуску (75-700°С). Установлено влияние остаточного аустенита и концентрации углерода в мартенсите на сопротивление разрушению сталей в условиях микрорезания (изнашивание по корунду) и пластического оттеснения (изнашивание по кремню). При реализации механизма пластического оттеснения в значительно большей степени проявляется отрицательная роль повышенной хрупкости высокоуглеродистого (более 1% С) мартенсита. Присутствие в закаленных заэв-тектоидных сталях 60-70 об. % остаточного аустенита может оказывать на износостойкость как положительное (в условиях микрорезания), так и отрицательное (в условиях пластического оттеснения) воздействие. Выявлено положительное влияние метастабильного остаточного аустенита на сопротивление изнашиванию сталей, подвергнутых закалке и низкому отпуску. Рассмотрено влияние на абразивную износостойкость первичного избыточного цементита (в количестве до 11 мас. %), графитных включений, размера зерна, а также степени коагуляции и объемной доли карбидов отпуска. Электронно-микроскопическим, рентгеновским и металлографическим методами изучены структурные изменения в сталях при изнашивании.
ВВЕДЕНИЕ
В работе [1] установлено, что в условиях изнашивания закрепленным абразивом у закаленной эвтектоидной углеродистой стали У8 наблюдается очень резкое падение износостойкости при температурах низкого отпуска 100-200°С, когда снижение твердости закаленной стали относительно невелико. Уменьшение тетрагональности мартенсита в результате отпуска приводит к снижению не только исходной твердости, но и способности мартенсита к деформационному упрочнению при изнашивании [1, 2]. Учет этого обстоятельства позволил объяснить расхождение полученных результатов с существующим в литературе мнением относительно степени воздействия низкого отпуска на сопротивление закаленных сталей изнашиванию при скольжении по абразиву, согласно которому износостойкость высокоуглеродистых сталей в результате отпуска при 200°С снижается не более, чем в 1.1 раза [3] или даже возрастает [4] по сравнению с неотпущенным состоянием. Твердо-растворное упрочнение мартенсита атомами углерода и развивающееся при изнашивании высокоуглеродистого мартенсита деформационное динамическое старение оказывают существенно более эффективное влияние на сопротивление абразивному изнашиванию по сравнению с дисперсионным упрочнением низкоотпущенного мартенсита частицами е-карбидов [5].
Дополнительное легирование мартенсита с содержанием углерода ~0.7 мас. % молибденом, ванадием, марганцем, кремнием и хромом в количестве 1.2-2.0% не изменяет резкого характера зависимости абразивной износостойкости закаленной инструментальной стали от температуры низкого отпуска [6, 7]. Важное влияние на износостойкость закаленных и низкоотпущенных сталей может оказывать наличие высокоуглеродистого (>0.8% С) мартенсита и значительного количества остаточного аустенита, которые формируются в заэвтектоидных сталях при закалке от повышенных температур. Дополнительный интерес к высокотемпературным обработкам связан с развитием современных технологий поверхностного упрочнения (лазерная, электронно-лучевая, плазменная и др.), при которых металл может нагреваться вплоть до температуры плавления. Поведение в условиях абразивного изнашивания метастабильного аустенита, легированного марганцем, хромом, никелем, ванадием и характеризующегося, как правило, низкой энергией дефектов упаковки, в литературе рассмотрено довольно подробно [8-17]. Однако закономерностям влияния высокоуглеродистого нелегированного остаточного аустенита (с большой эду [18, 19]) на сопротивление абразивному воздействию уделялось заметно меньшее внимание.
Существуют различные мнения относительно влияния избыточной карбидной фазы на сопротивление закаленных высокоуглеродистых сталей изнашиванию закрепленным абразивом. Отмечается как положительная [20], так и отрицательная [9] роль цементита, не растворившегося при нагреве под закалку. В указанных исследованиях разное количество избыточного цементита получали увеличением температуры [20] и продолжительности [9] аустенизации стали, что приводило к закономерному росту концентрации углерода в мартенсите и количества остаточного аустенита. Применение стандартного режима низкотемпературной закалки (/зак = 790°С) для ряда сталей с различным содержанием углерода даст возможность получить в структуре различную долю избыточной карбидной фазы при наличии у сталей одинаковой металлической матрицы.
Нет также однозначного мнения о влиянии на абразивную износостойкость закаленных сталей отпуска при температурах 300-700°С, когда в карбидной фазе развиваются процессы коагуляции. Есть сведения о существовании пропорциональной зависимости между сильным снижением твердости и уменьшением износостойкости углеродистых и низколегированных сталей при указанном отпуске [21, 22]. Напротив, в работах [23-25, 1] при среднем и высоком отпусках отмечалось лишь незначительное снижение износостойкости сталей при воздействии закрепленным абразивом.
В структуре заэвтектоидных сталей могут присутствовать графитные включения, роль которых в сопротивлении абразивному изнашиванию также требует специального рассмотрения.
Цель настоящей работы заключалась в изучении влияния остаточного аустенита (в количестве 5-70 об. %) и концентрации углерода в мартенсите (<1.35% С), а также карбидной и графитной фаз на сопротивление высокоуглеродистых (0.83-1.84% С) сталей изнашиванию при скольжении по закрепленному абразиву различной твердости (корунд и кремень).
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
Материалом исследования служили стали У8 (0.83% С), У10 (1.00% С), У13 (1.35% С), У15 (1.53% С) и У18 (1.84% С). Стали У8 и У13 промышленного производства ковали в прутки соответственно сечений 8 х 8 и 10 х 10 мм. Стали У10, У15 и У18 выплавляли в индукционных печах, слитки массой 10 кг ковали в прутки сечением 10 х 10 мм. Прутки заэвтектоидных сталей (10 х 10 мм) отжигали на зернистые карбиды при 690-760°С. Заготовки исследуемых сталей размером 8 х 8 х 21 мм подвергали закалке в воде от 790-1200°С (выдержка 15-20 мин), обработке холодом при
-196°С (30 мин) и отпуску (75-700°С, 2 ч). Из тер-мообработанных заготовок шлифованием изготавливали образцы размером 7 х 7 х 20 мм. Абразивную износостойкость сталей исследовали при скольжении торцовых поверхностей (7 х 7 мм) образцов по закрепленному абразиву - шлифовальной шкурке марок 14А16 (электрокорунд зернистостью ~160 мкм) и 81Кр20, 81Кр32 (кремень зернистостью ~200 и 320 мкм). Средняя скорость скольжения при возвратно-поступательном движении образца составляла 0.15 м/с, нагрузка 49 Н, длина рабочего хода 100 мм, путь трения 17.6 м, поперечное смещение образца за один двойной ход 1.2 мм. Относительную абразивную износостойкость определяли как отношение потерь массы армко-железа к потере массы испытуемого материала по результатам двух - пяти параллельных испытаний.
Использование двух видов закрепленного абразива позволяло в зависимости от соотношения твердостей абразива Наб и испытуемого материала Нм изучать закономерности изнашивания в условиях микрорезания (при Наб/Нм > 1.3-1.4) и пластического оттеснения или царапания (при Наб/Нм < < 1.3) [22]. При воздействии корундом (твердость Н ~ 20 гПа) разрушение всех исследуемых материалов происходило по механизму микрорезания. В этом случае продукты изнашивания содержат большое количество микростружки, образующейся в процессе одноактного отделения микрообъема металла от поверхности трения [11]. При скольжении по кремню (твердость Н ~ 10 гПа) условия микрорезания надежно выполнялись лишь для сталей, отпущенных после закалки при температурах более 200°С, а для закаленных и низкоотпу-щенных состояний было характерно преобладание полидеформационного механизма изнашивания. При полидеформационном разрушении в продуктах изнашивания содержится большое количество частичек в виде чешуек [11].
Для структурных исследований использовали металлографический, рентгеновский, магнитометрический и электронно-микроскопический методы анализа. Рентгеноструктурный анализ проводили на аппаратах ДР0Н-0.5 и ДРОН-3М в излучениях РеА'и и МА'и, что позволяло анализировать поверхностный слой толщиной соответственно ~5 и ~1 мкм. Определяли содержание углерода в мартенсите (по величине междублетного расстояния линии [(110) (101) (011)], фазовый состав металлической матрицы и среднюю интегральную ширину линий (110)а. Электронно-микроскопическое исследование осуществляли на микроскопе 1БМ-200СХ методом тонких фольг на просвет. Заготовки толщиной 0.3 мм отрезали от рабочего края образцов на электроискровом станке, дальнейшее утонение проводили путем механического и электролитического одностороннего и двустороннего полирования.
6 9 12 K, мае. %
HRa
- 10.5
0.8 1.0
1.2 1.4 1.6 1.8 C, мае. %
Рис. 1. Влияние содержания углерода С и количества избыточных карбидов К в высокоуглеродистых сталях на твердость ИЯСэ и абразивную износостойкость при испытании по корунду 8 и кремню (81Кр32) 8': 1 - закалка от 790°С; 2 - закалка от 790°С, отпуск 200°С.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Влияние избыточных карбидов и графитных включений на износостойкость сталей. Рие. 1 характеризует влияние количеетва избыточного цементита в закаленных и низкоотпущенных заэвтектоидных еталях на их твердоеть и абразивную изноеоетойкоеть. Поеле закалки от 790°С в мар
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.