ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2014, том 115, № 10, с. 1064-1069
УДК 669.1 '24:539.4.015
СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
ВЛИЯНИЕ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ ОБРАБОТОК НА ТВЕРДОСТЬ И КОЭРЦИТИВНУЮ СИЛУ СТАРЕЮЩЕГО АУСТЕНИТНОГО СПЛАВА ИНВАРНОГО СОСТАВА
© 2014 г. А. И. Уваров, Н. Ф. Вильданова, А. П. Ничипурук, В. М. Сомова, Е. Ю. Сажина, Е. И. Ануфриева, Ю. И. Филиппов
Институт физики металлов УрО РАН, 620990 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18
e-mail: korshunov@imp.uran.ru Поступила в редакцию 25.03.2014 г.; В окончательном варианте — 24.04.2014 г.
Исследовано влияние термической (старение в интервале температур 500—800°C) и термомеханической (деформация при 20°C на 30% с последующим старением) обработок на твердость и коэрцитивную силу закаленного сплава 60Н30К10Ф. Показано, что сплав после закалки от 1150°C в воде представляет собой пересыщенный твердый раствор, способный к распаду при последующем нагреве. Получены и обсуждены зависимости твердости и коэрцитивной силы от продолжительности и температуры старения. Даны объяснения наблюдаемым зависимостям.
Ключевые слова: старение, пластическая деформация, фазовый наклеп, карбиды ванадия, мартен-ситное превращение.
DOI: 10.7868/S0015323014100167
ВВЕДЕНИЕ
В железоникелевых сплавах, содержащих углерод и ванадий, после закалки с достаточно высоких температур (1100—1150°С) в воду, образуется пересыщенный твердый раствор, способный к дальнейшему распаду при повторном нагреве в интервале температур 550—800°С. В результате распада (старения) в аустените (у-фазе) закаленного сплава выделяются наноразмерные частицы карбида ванадия, которые изменяют физико-механические свойства материала [1].
Целью настоящей работы явилось исследование влияния термической обработки на такие физико-механические свойства, как твердость и коэрцитивная сила в стареющем сплаве 60Н30К10Ф.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
Для исследования был выбран аустенитный сплав инварного состава на железоникелевой основе 60Н30К10Ф, содержащий мас. %: 0.61 С, 30.0 N1, 10.1 Со, 1.4 V, остальное Бе). Сплав массой 10 кг выплавляли в вакуумной индукционной печи из чистых компонентов. Слиток ковали при температуре 1000°С на прутки различного сечения. Предварительная обработка заготовок состоит в изотермической выдержке при температуре 1150°С в течение 2 ч с последующей закалкой в воде. Выбор столь высокой температуры закалки
обусловлен необходимостью обеспечения полного перехода углерода и ванадия в твердый раствор. Упрочнение сплава проводили различными способами: 1) старением одинарным и двойным; изменение твердости НУ и коэрцитивной силы Нс происходит за счет появления в аустените мелкодисперсных карбидов ванадия ^С}; 2) методом фазового наклепа [1]; изменение твердости НУ и коэрцитивной силы Нс происходит за счет у ^ а ^ Уф-пре-вращения и появление фазонаклепанного аусте-нита (уф-фазы); 3) методом фазового наклепа с последующим старением; изменение твердости НУ и коэрцитивной силы Нс происходит как за счет появления Уф-фазы, так и за счет образования в зернах карбидов VC; 4) холодной (20°С) пластической деформации на 30%; изменение твердости НУ и коэрцитивной силы Нс происходит за счет появления дислокаций в аустените; 5) старением деформированных образцов; изменение твердости НУ и коэрцитивной силы Нс происходит как за счет появления дислокаций, так и за счет выделения мелкодисперсных карбидов ванадия.
Метод фазового наклепа подробно описан в [1] и заключается в следующем. Закаленный образец подвергали охлаждению в жидком азоте, при котором происходит мартенситное у ^ а-превра-щение. Затем охлажденный образец отогревали до комнатной температуры, при которой он при-
обретает двухфазную структуру (а + у). После этого образец нагревали до температуры 800°С, что обеспечивает обратный переход мартенсита в так называемый фазонаклепанный аустенит (а — Уф). Наконец, образец охлаждали в воде до комнатной температуры, после чего в структуре сплава присутствует упрочненная Уф-фаза и остаточный аустенит (уост), который не принимал участия в цикле у —> а — Уф-превращения.
Пластическую деформацию на 30% осуществляли в ручьевых валках прокатного стана при комнатной температуре. Из закаленных и упрочненных заготовок изготавливали образцы: бруски сечением 10 х 10 мм и длиной 55 мм для измерения коэрцитивной силы на баллистической установке по стандартной методике. Затем на тех же образцах определяли твердость НУ на приборе Виккерса по стандартной методике.
После закалки 60Н30К10Ф сплав метастаби-лен, т.е. при охлаждении в жидком азоте в нем происходит мартенситное у — а-превращение, при этом аустенит (у-фаза) имеет ферромагнитную структуру, а-фаза также ферромагнитна. Размер зерна в сплаве после закалки составляет 300— 350 мкм. Аустенит (у-фаза) представляет собой пересыщенный твердый раствор, способный при нагреве в интервале 550—800°С распадаться с выделением в у-фазе карбидов ванадия.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Рассмотрим зависимость твердости от температуры старения НУ(Тст), рис. 1.
Как видно из рисунка, ход зависимости имеет немонотонный характер и максимальное значение твердости достигается при Тст = 550°С. Ход зависимости определяется двумя факторами: степенью распада: чем выше Тст, тем значительнее распад и как следствие — увеличение твердости; величиной карбидных частиц: существует оптимальный размер частиц, который обеспечивает максимальные значения твердости. Эти два фактора и определяют немонотонный ход зависимости НУ(Тст). Максимальное значение твердости НУ = 213 обнаружено при ТСТ = 550°С (время старения тст = 1 ч). Если рост твердости начинается после 250°С (кривая 1), то рост коэрцитивной силы — после 650°С (кривая 2). Максимальное значение твердости достигается при 550°С, а коэрцитивной силы — при 800°С и имеет значение Нс = 5.7 А/см. Итак, с увеличением температуры старения наблюдается рост и твердости и коэрцитивной силы, но начинается он и достигает максимальных значений при разных температурах.
Электронно-микроскопическое изучение структуры закаленных и состаренных образцов сплава по-
НУ Нс, А/см
220 210
5.6
200
4.8
190
4.0
180
3.2
170
Рис. 1. Зависимость твердости (НУ) (1) и коэрцитивной силы (Нс) (2) от температуры старения (Тст) сплава
60Н30К10Ф при изотермической выдержке тст = 1 ч.
казало следующее. После закалки от 1150°С в воде в структуре сплава (рис. 2а) наблюдаются многочисленные мелкодисперсные кластеры — зародыши карбидов размером 2—3 нм, которые, по всей вероятности, являются когерентными с матрицей, поскольку не имеют четких границ. После старения при 550°С в течение 1 ч. размер частиц не изменился (рис. 2б), но они приобрели четкую форму. Старение при 800°С в течение 1 и 6 ч. (рис. 2в, г) вызвало рост выделений в среднем до 6—7 и 25 нм, соответственно. На основании этих исследований можно заключить, что с увеличением температуры старения происходит рост числа зародышей выделений, которые при 550°С достигают наибольшей плотности и огранки. Именно в этом случае сплав имеет максимальное значение твердости. С дальнейшим увеличением температуры и времени старения происходит рост размера частиц и уменьшение их плотности, при этом твердость начинает падать. Как показало электронно-микроскопическое изучение (рис. 2а—2г). максимальная твердость определяется наибольшей плотностью мелкодисперсных карбидов ванадия размером 2—3 нм, а максимальная коэрцитивная сила — карбидами размером 6—7 нм.
Как известно, если сплав представляет однородный твердый раствор, то коэрцитивная сила у него незначительна. Образование в нем второй фазы (и рост ее частиц), возникновение напряжений в решетке, вызванных наклепом или фазовым превращением, измельчение зерна и другие отклонения от равновесного состояния приводят к повышению коэрцитивной силы. Изменения в структуре, повышающие твердость, приводят к росту коэрцитивной силы, но происходит это, как показывает эксперимент, при разных температурах.
111 022 -13
11- 111 111 111
- /
//
• 'Л л
вШ ■ • ■ /
,; л
Рис. 2. Электронно-микроскопические снимки в рефлексе карбида ванадия темнопольных изображений структуры сплава:
а — после закалки от 1150°С в воде; б — после закалки и дополнительного старения при 550°С, 1 ч (видны контуры экс-тинции и граница зерна, декорированная карбидными частицами); в — после закалки и старения при 800°С, 1 ч; г — после закалки и старения при 800°С, 6 ч.
На рис. 3. представлены зависимости твердости от продолжительности старения НУ(тст) при разных температурах старения. Видно, что ход зависимости НУ(тст) монотонно растет по мере увеличения продолжительности старения, что характерно для старения аустенитных сталей [1]. При этом наибольшее увеличение твердости в зависи-
НУ
230
220 210 200 190 180 170
- / ____.О 2
- / __--
1111 —° 4 .....
012345678
Тст, ч
Рис. 3. Зависимость твердости (НУ) от продолжительности старения (тст) при разных температурах старения для сплава 60Н30К10Ф: 1 - 550°С; 2 - 500°С; 3 - 600°С; 4 - 700°С.
мости от продолжительности старения (кривая 1) происходит при температуре 550°С. Остальные кривые (2-4), соответствующие температурам ниже и выше 550°С, проходят ниже этой кривой. При Тст < 550°С большинство карбидов находится в виде зародышей. Выше 550°С идет рост карбидов, размер которых превышает оптимальный (2-3 нм), определяющий максимум твердости.
На рис. 4 представлены зависимости коэрцитивной силы Нс от продолжительности старения Нс(тст). Как видно из рисунка, в интервале Тст от 600 до 700° С коэрцитивная сила увеличивается с ростом тст, и при 700°С, 6 ч Нс достигает наибольшей величины 6.7 А/см. При Тст = 800°С ход зависимости НС(Тст). становится немонотонным.
Это можно объяснить следующим образом. Рост коэрцитивной силы зависит от размеров и количества карбидных частиц, которые увеличиваются с ростом температуры старения.
При Тст = 800°С и тст = 1 ч размер (6-7 нм) и количество карбидов достигает оптимальных величин, соответствующих максимальным значениям Нс; при тст > 1 ч происходит коагуляция карбидов, падает их плотность, а также и Нс.
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.