Малинов Л.С., Малинов В.Л. Ресурсосберегающие экономнолегированные сплавы и упрочняющие технологии, обеспечивающие эффект самозакалки
Подождите немного. Документ загружается.
241
5.3.6. Получение в сплавах различных структурных классов остаточного аустенита
за счет использования источников концентрированной энергии
Рассматривая получение в сплавах в результате термообработки метастабильного аустенита и его
влияние на их свойства, следует подчеркнуть важную роль в этом воздействия на упрочняемую
поверхность источников концентрированной энергии (плазменная струя, лазерный и электронный лучи).
Более существенное, чем при обычной термообработке, повышение износостойкости под действием
источников концентрированной энергии во многих работах объясняется значительным повышением
плотности дислокаций в мартенсите, увеличением концентрации углерода в нём, диспергированием его
кристаллов и карбидов. При этом относительно роли остаточного аустенита в повышении
износостойкости данные противоречивы. Результаты исследований лазерной и электронно-лучевой
обработок ряда сталей показали, что важную роль в повышении износостойкости играет также
метастабильный остаточный аустенит. В том случае, когда в структуре сталей У10 и 9ХС количество
остаточного аустенита увеличилось с 10 % до 35-53 %и он интенсивно превращался в мартенсит при
абразивном воздействии, износостойкость возросла в ∼1,3-1,5 раза [338 ].
Влияние лазерной обработки на в износостойкость при сухом трении сталей Г7АФ, содержащих
0,03-0,9 % С, изучено в работе [350]. Они имеют различный фазовый состав (α′, α′ + γ, γ). Полученные
результаты показывают, что лазерная закалка может не только увеличивать количество остаточного
аустенита, как это обычно принято считать, но и уменьшить его долю в структуре [181,424].
Лазерная обработка увелчивает износостойкость исследованных сталей при сухом трении по схеме
колодка – ролик. Чем выше сод20ержание углерода, тем в большей мере это проявляется, несмотря на то,
что исходная структура изменяется от мартенситной до аустенитной (рис. 5.60).
Лазерная обработка аустенитной стали 90Г7АФ повышает износостойкость в ∼ 1,5 раза по
сравнению с обычной закалкой. Это обусловлено получением чередующихся участков с
преимущественно мартенситной (зона лазерного воздействия) и аустенитной структурами,
отличающимися по микротвердости. При этом мартенсит, образовавшийся после лазерной закалки очень
дисперсен, имеет повышенное содержание углерода и большую плотность дислокаций, а аустенит в
процессе изнашивания способен превращаться в мартенсит, что обусловливает дополнительное
упрочнение и релаксацию микронапряжений. Лазерная обработка эффективна не только для
мартенситных, но и аустенитных сталей с метастабильным аустенитом.
Рис. 5.60. Влияние углерода на потери массы стали Г7АФ после объемной закалки (1)
и лазерной закалки (2)
В.С. Крапошиным [427] показано, что износостойкость стали 9Х и чугуна ВЧ42 после лазерной
закалки с оплавлением, определенная на машине Амслера, имеет наиболее высокий уровень, когда
количество остаточного аустенита составляет ∼ 40 % (рис. 5.61). Установлено также, что максимальная
долговечность стали 9Х после лазерной закалки в условиях контактной усталости при напряжениях σ =
5000 Н/мм
2
наблюдается при получении в структуре оплавленного слоя 50 % остаточного аустенита.
242
Рис. 5. 61. Зависимость износостойкости от количества остаточного аустенита
в слое лазерного оплавления стали 9Х:
U – уменьшение массы образца при износе; А – доля остаточного аустенита
В работе [427] не рассмотрено превращение остаточного аустенита в мартенсит при нагружении,
однако не вызывает сомнений его важная роль в повышении износостойкости и сопротивлении
контактной усталости. Большие возможности в повышении свойств сталей и чугунов открывает химико-
термическая обработка (цементация, хромирование, борирование) с использованием источников
концентрированной энергии [410].
М.А. Филипповым с сотрудниками [316] установлено, что при плазменном воздействии в
поверхностных слоях сталей 34ХН1М, 50Г и У8 происходят процессы закалки с образованием
высокоуглеродистой аустенитно-мартенситной структуры, подобной «белым слоям», образующимся при
трении. Они обладают повышенной твердостью, в них возникает большой уровень остаточных
сжимающих напряжений.
В процессе испытаний при трении скольжения стали У8, упрочненной плазменной закалкой,
происходит превращение аустенита в мартенсит, что способствует повышению износостойкости в 2 раза
по сравнению с уровнем после обычной закалки и низкого отпуска. По данным работы [316] стойкость
улучшенных рельсоправильных бандажей из стали 34ХН1М на НТМК им. В.И. Ленина после
упрочнения рабочей части плазменной закалкой возросла более чем в 2 раза.
С приведенными выше данными согласуются результаты исследований влияния плазменной
обработки сталей 45, 40ХН и 40ХН2МА на фазовый состав поверхностного слоя и абразивную
износостойкость [351]. Количество остаточного аустенита и мартенсита деформации при абразивном
воздействии после объемной закалки и низкого отпуска, а также плазменной обработки приведены в
табл. 5.58.
Таблица 5.58
Влияние объемной закалки и плазменной обработки на количество остаточного аустенита
и мартенсита деформации, образовавшегося после абразивного изнашивания
(после объемной закалки проводился низкий отпуск)
γ
ост
, % ∆α″, %
Сталь
объемная
закалка
плазменная
закалка
объемная
закалка
плазменная
закалка
45 - 5 - 5
40ХН 5 20 5 12
40ХН2МА 12 27 7 15
,
Из приведенных данных следует, что чем более легирована сталь (из числа исследованных), тем
больше остаточного аустенита и мартенсита деформации образуется после одной и той же обработки.
Этому соответствует и повышение абразивной износостойкости (рис. 5.62), что подтверждает важную
роль мартенситного превращения при нагружении.
243
1
1
1
2
2
2
0
0,5
1
1,5
2
Сталь 45 40ХН 40ХН2МА
ε
Рис. 5.62. Абразивная износостойкость исследованных сталей после объемной закалки (1) и
плазменной обработки (2) при скорости перемещения плазмотрона 20 м/ч.
Количество образовавшегося мартенсита деформации после плазменной обработки больше, чем
после объемной закалки во всех исследованных сталей, особенно в 40ХН2МА. Это обусловлено
увеличением количества остаточного аустенита и снижением степени его стабильности. Важными
дополнительными факторами, обусловливающими повышение сопротивления изнашиванию, является
большая степень пересыщения мартенсита углеродом, (после плазменной обработки не проводился
низкий отпуск), а также динамическое старение такого мартенсита в процессе воздействия абразивных
частиц. В результате выделяются дисперсные карбиды, обусловливающие упрочняющий эффект.
Большое влияние оказывает также сильное измельчение кристаллов мартенсита и повышение плотности
дислокаций, увеличение степени тетрагональности мартенсита после плазменной обработки, Последнее
обусловлено высокими температурами нагрева, при которых происходит более полное растворение в
аустените карбидов, а сверхбыстрое охлаждение поверхности из-за интенсивного отвода тепла вглубь
металла исключает выделение углерода из решетки мартенсита. Его высокая степень дисперсности
является следствием малого размера зерен аустенита, формирующихся при больших скоростях нагрева.
Режимами плазменной обработки можно регулировать количество остаточного аустенита и степень его
стабильности, оптимизируя их применительно к конкретным условиям нагружения.
5.3.7. Комбинированные обработки низколегированных сталей для повышения их свойств
Комбинированные обработки эффективны не только для высоколегированных марганцевых и
хромомарганцевых сталей (см. гл. 3 и 4), но и для низколегированных. Они основаны на принципе
получения в структуре наряду с другими составляющими повышенного (≥ 25 %) количества
метастабильного аустенита, его упрочнения, частичного образования мартенсита на стадии обработки и
сохранения оставшейся части, способной к γ → α″ превращению при последующем нагружении [406,
407, 428].
В данном разделе приведены результаты исследований влияния комбинированных обработок на
свойства цементируемой 18ХГТ, пружинной 60С2 и инструментальной 9ХС сталей. Они выбраны в
связи с тем, что в них можно было получать повышенное количество метастабильного аустенита. Схемы
соответствующих обработок приведены на рис. 5.63, а варианты комбинированных обработок,
включающих способы получения повышенного количества метастабильного аустенита, его упрочнения и
управления, на рис. 5.64.
Сталь 18ХГТ была предварительно зацементирована при 950
о
С (6 ч), а затем закалена без
подстуживания в масле и отпущена при 180
о
С 1 ч. В результате количество метастабильного аустенита в
поверхностном слое составило ∼ 80 %, остальное – мартенсит отпуска и карбиды. Заключительной
обработкой являлась деформация дробью (рис. 5.63, а). Количество метастабильного аустенита
уменьшилось до 45 % за счет образования мартенсита деформации. После испытаний на износ,
проведенных по схеме ролик – ролик, количество метастабильного аустенита уменьшилось до 18 % за
244
счет γ → α″ превращения. Относительная износостойкость возросла в 1,5 раза по сравнению с уровнем,
достигаемым после стандартной обработки, обеспечивающей структуру отпущенного мартенсита и
карбидов.
Комбинированная обработка стали 60С2, обеспечивающая получение повышенного количества
метастабильного аустенита и последующее его упрочнение, заключалась в следующем. Сталь нагревали
в МКИ на 780
о
С, выдерживали 60 мин, проводили аустенитизацию при 900
о
С 4 мин, после чего
охлаждали в воде до 350
о
С, выдерживали 10 мин, а затем охлаждали на воздухе. В структуре наряду с
нижним бейнитом и мартенситом содержалось 28 % остаточного метастабильного аустенита. При этом
получены механические свойства: σ
0,2
= 785 МПа, σ
В
= 1050 МПа, δ = 33 %. Последующими обработками
являлись ХПД (ε = 7 %) и отпуск при 250
о
С 1 ч (рис. 5.63, б). В результате упрочнения остаточного
аустенита и его частичного превращения в мартенсит прочностные характеристики возросли до σ
0,2
=
990 МПа, σ
В
= 1200 МПа, а относительное удлинение осталось на достаточно высоком уровне (δ = 17 %).
Последнее может быть объяснено развитием при испытании механических свойств деформационного
мартенситного превращения.
Целесообразность применения комбинированной обработки с использованием предложенного
принципа показана на инструментальной стали 9ХС. Она была нагрета на 930
о
С и после выдержки
20 мин. охлаждена в воде до 250
о
С и выдержана в печи при этой температуре 30 мин, после чего
охлаждена на воздухе и отпущена при 180
о
С 1 ч. В результате этой термообработки наряду с нижним
бейнитом в структуре присутствовало 35 % остаточного аустенита. Окончательной обработкой являлась
пластическая деформация обкаткой роликом. В результате количество остаточного аустенита
уменьшилось в поверхностном слое до 10-15 % за счет образования мартенсита деформации. Твердость
при этом возросла с 55 до 60 HRC. Износостойкость, определенная по схеме ролик – ролик, увеличилась
в 1,4 раза по сравнению с таковой после стандартной обработки, обеспечивающей структуру
отпущенного мартенсита и карбидов.
Комбинированные деформационно-термические обработки, обеспечивающие получение в структуре
наряду с другими составляющими метастабильного аустенита, последующее его упрочнение,
сохраняющее способность к динамическим мартенситным превращениям при нагружении, применимы
для широкого круга сплавов и позволяют повышать их свойства.
При выборе схем и режимов этих обработок, необходимо учитывать исходный фазовый состав
сталей и превращения, протекающие при различных воздействиях, предусмотренных технологией, а
также условия нагружения при испытаниях свойств и эксплуатации.
Рис. 5.63. Схемы комбинированных обработок:
а - закалка цементированной стали 18ХГТ в масло, низкий отпуск, ХПД дробью;
б - нагрев в МКИ, аустенитизация, изотермическая закалка, ХПД, низкий отпуск
Рис. 5.64. Варианты комбинированных обработок
Комбинир
о
ванные
обработки
Обработки для получения
в структуре сталей
метастабильного аустенита
Закалка с аустенитизацией при повышенных
температурах для растворения части карбидов
в аустените
Закалка из межкритического
интервала температур (в том числе после
деформации в нем)
Обработки для упрочнения
аустенита и управления
его стабильностью
Термоциклические
γ ↔ α′ и γ ↔ ε обработки
Изотермическая и ступенчатая
закалки (в том числе из МКИ)
Химико-термическая обработка
(цементация, азотирование и др.),
закалка с повышенных температур
Деформационно-термическая обработка,
стабилизирующая аустенит по отношению
к γ → α′ и γ → ε превращениям
Холодная пластическая
деформация
Холодная пластическая
деформация и отпуск
Теплая пластическая
деформация
Обработка с использованием источников
концентрированной энергии
246
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В мире происходит постоянный рост цен на энергоносители, железорудное сырье, кокс, легирующие
элементы и, соответственно, металл. Это существенно увеличивает затраты предприятий на производство и
снижает их рентабельность. В этих условиях объективной необходимостью является ресурсосбережение.
Одним из перспективных его направлений, обоснованных теоретически и подтвержденных практическим
применением, может быть широкое внедрение в производство ресурсосберегающих экономнолегированных
сталей, чугунов, наплавочных материалов и упрочняющих технологий. Их важной отличительной
особенностью является получение в сплавах многофазной микро - и/или макронеоднородной
метастабильной структуры, способной к самоорганизации. Это позволяет материалам легко адаптироваться
к внешним нагрузкам. Структурные и фазовые превращения, протекающие в них при этом, обусловливают
диссипацию энергии, что затрудняет образование и развитие трещин, приводящих к разрушению. Одной из
основных структурных составляющих сплавов должен быть метастабильный аустенит, превращающийся в
мартенсит при охлаждении и/или нагружении (эффект самозакалки). Он является важным внутренним
ресурсом сталей и чугунов. Показано, что неоднозначные мнения о его влиянии на свойства сплавов
обусловлены тем, что для различных условий нагружения требуется оптимальное количество и степень
стабильности аустенита. Если это не учитывать, то он может играть и отрицательную роль.
Многочисленными исследованиями, обобщенными в монографии, показано, что на основе принципа
получения в структуре наряду с другими составляющими (мартенситом, бейнитом, карбидами, нитридами,
карбонитридами, интерметаллидами, ферритом и др.) метастабильного аустенита, управления его
количеством, стабильностью, упрочнением, характером распределения в структуре, могут быть созданы
экономнолегированные сплавы различного назначения и упрочняющие технологии. Общепризнанными
стали положения о том, что роль деформационных мартенситных превращений заключается не только в
упрочнении, но и релаксации напряжений; на развитие мартенситных превращений расходуется
значительная доля энергии внешнего воздействия и, соответственно, меньшая ее часть идет на разрушение.
За счет изменения химического состава и проведения различных обработок необходимо оптимизировать
кинетику мартенситных превращений применительно к конкретным условиям испытаний и эксплуатации,
что позволяет получить наиболее высокий уровень механических и служебных свойств.
Следует учитывать, что при деформации наряду с мартенситными протекают и другие фазовые и
структурные превращения: увеличение плотности дислокаций, образование дефектов упаковки,
двойникование, фрагментация зерна, возникновение текстуры, динамическое старение и др. Они также
вносят свой вклад в упрочнение, релаксацию микронапряжений и энергоёмкость. Показано, что при
создании новых сплавов и упрочняющих технологий необходимо руководствоваться следующими
положениями:
- осуществлять дифференцированный подход с учетом исходного химического и фазового составов
сплавов, а также условий нагружения и требований к свойствам материалов;
- использовать в качестве основных сравнительно недорогие и широко распространенные легирующие
элементы (марганец, кремний, азот, алюминий, титан, ванадий, ниобий). Дополнительное легирование
другими необходимыми элементами должно проводиться в минимально необходимых количествах;
- выбирать структурные составляющие сплавов и фазовые превращения в них с точки зрения наиболее
высокой энергоемкости;
- управлять соотношением структурных составляющих, упрочнением аустенита, степенью его
стабильности и характером распределения с учётом конкретных условий;
- сочетать разнообразные механизмы упрочнения и сопротивления разрушению с эффектом
самозакалки;
- обеспечить наряду с экономичностью высокие служебные и технологические свойства.
Важную роль в снижении затрат при изготовлении деталей и инструментов должны сыграть созданные
на этом принципе экономичные стали общего и специального назначения самозакаливающиеся при
охлаждении. Их особенностью является высокая устойчивость переохлажденного аустенита к перлитному
превращению. Это обусловливает возможность получения мартенсита и/или бейнита при охлаждении на
воздухе с температуры аустенитизации без применения специальных охлаждающих сред (эффект
самозакалки при охлаждении). Эти стали могут использоваться в литом, горяче, - холоднодеформированном
состояниях и подвергаться нормализации, закалке, низкому и высокому отпуску. Важными их
преимуществами являются: высокая прокаливаемость; не склонность к обезуглероживанию, короблению и
трещинообразованию; хорошая обрабатываемость резанием и свариваемость. Низкое содержание углерода
позволяет осуществлять механическую обработку закаленных сталей, а при необходимости - ее холодную
пластическую деформацию. Разработанные стали могут подвергаться различным видам химико-
термической обработки (цементации, азотированию, борированию и др.). Их особенностью является
значительное сокращение времени насыщения поверхности различными элементами. Они могут быть
использованы для различных деталей, изготавливаемых в настоящее время из среднеуглеродистых Cr-Ni-Mo
улучшаемых сталей. Несмотря на указанные выше достоинства, они ещё не нашли широкого применения на
предприятиях Украины.
247
На этом же принципе разработаны экономнолегированные мартенситностареющие и инструментальные
малоуглеродистые дисперсионнотвердеющие. стали. Их преимуществом являются: хорошая
технологичность; повышенные механические свойства, окалиностойкость; высокое сопротивление
усталости, в том числе термической. Существенно повысить эксплуатационную стойкость этих сталей
можно за счет различных видов химико-термической обработки (цементации, азотирования, борирования и
др.). Необходимо наладить производство этих сталей.
Несомненный интерес должны вызвать созданные на принципе самозакалки при охлаждении и
нагружении низкоуглеродистые экономичные стали, содержащие 4-10 % Mn, в которых после закалки и
низкого отпуска обеспечивается уровень свойств, достигаемый в более дорогих хромоникелевых и
хромоникельмолибденовых сталях (12ХН3А, 20ХН3А, 18Х2Н4МА). Их отличительной особенностью
является то, что после высокого отпуска в структуре получают метастабильный аустенит, превращающийся
при нагружении в мартенсит деформации. Это существенно повышает их пластичность и ударную вязкость.
Температура перехода из вязкого состояния в хрупкое после такой обработки составляет –70 - –80
о
С.
Разработанные стали являются новым классом цементируемых материалов. В отличие от известных в их
поверхностном слое получают не мартенсит и карбиды, обеспечивающие высокую твёрдость, как это
обычно принято, а метастабильный аустенит и за счет реализации эффекта самозакалки при нагружении
существенно повышают износостойкость. Для увеличения коррозионной стойкости в речной и морской воде
в эти стали дополнительно вводят хром (12-14 %), а при необходимости молибден, медь и др. После
термообработки, включающей закалку (нормализацию), стали имеют хорошее сочетание механических
свойств и высокое сопротивление разрушению при ударно-циклических нагрузках. Это обусловлено
эффектом самозакалки при эксплуатациити. Предложенные безникелевые стали являются перспективным
конструкционным материалом для компрессоро-насосостроения, химического и нефтяного машиностроения
и могут применяться взамен 09Х15Н9Ю, 08Х17Н7Ю и др. К сожалению, они ещё не нашли применения в
промышленности. Их следует широко внедрять в производство.
Большое значение для замены сталей, содержащих повышенное количество дорогого никеля,
применяемых в качестве немагнитных и для криогенной техники, будут иметь сплавы на
железомарганцевой и железохромомарганцевой основах, в которых мартенситные превращения протекают
при охлаждении и нагружении. В них образуется ε- мартенсит. В монографии приведены результаты
исследований по управлению структурой и фазовыми превращениями в них, позволяющие существенно
повысить их свойства.
Значительное сокращение потребления никеля может дать внедрение в производство безникелевых
аустенитных сталей с эффектом самозакалки при нагружении, которые имеют в 2 раза более высокие
прочностные характеристики, чем широко применяемая в промышленности 12Х18Н10Т. Отличительной
особенностью новых сталей являются хорошие литейные свойства, технологичность при прокатке, ковке и
сварке. По износостойкости в условиях кавитации и абразивного воздействия они в несколько раз
превосходят известную хромоникелевую сталь. Разработанные аустенитные стали успешно прошли
промышленные испытания и показали высокую эксплуатационную стойкость., На предприятиях Украины
применяются в основном лишь хромоникелевые аустенитные стали. Между тем, за рубежом непрерывно
растёт производство безникелевых сталей.
Большую роль в повышении долговечности деталей машин и инструментов, работающих в условиях
абразивного и ударно-абразивного воздействия, должны сыграть высокоуглеродистые износостойкие стали,
содержащие 4-12 % Mn, с эффектом самозакалки при нагружении. В них получают метастабильный
аустенит, армированный карбидами (карбонитридами), и регулируют развитие деформационного
мартенситного превращения применительно к конкретным условиям эксплуатации, характеризуемым
коэффициентом динамичности. Эксплуатационная стойкость новых сталей выше, чем у применяемой в
промышленности 110Г13Л. После специальной термообработки твердость сталей может быть повышена до
HRC 50-54. Технология производства новых сталей не отличается от таковой для 110Г13Л. Их
преимуществом является также возможность в широких пределах варьировать твердость и измельчать
зерно. Эти стали внедрены в производство на ряде предприятий, однако объём их выплавки невелик. Еще
большей износостойкостью обладают разработанные износостойкие чугуны на Cr-Mn-C основе с эффектом
самозакалки при нагружении. Они дополнительно могут содержать сильные карбидообразующие элементы.
Эти чугуны обладают хорошими литейными свойствами и не содержат такие дорогие элементы как Ni, Mo,
Cu и др. Их можно использовать как в литом, так и нормализованном состоянии. Эти чугуны ещё не нашли
широкого применения в производстве, несмотря на очевидные достоинства.
Огромные возможности в ресурсосбережении открывает использование разработанных безникелевых
низко- и высокоуглеродистых наплавочных материалов, обеспечивающих получение в поверхностном слое
метастабильного аустенита и реализацию эффекта самозакалки при нагружении. Низкоуглеродистые
наплавочные материалы технологичны при наплавке и не отличаются в этом отношении от применяемых
хромоникелевых. Они удовлетворительно обрабатываются резанием и обеспечивают при сухом трении
качения или скольжения более высокую износостойкость, чем применяемые в промышленности материалы
Св-30ХГСА, Св-12Х18Н10Т и Св-08Х21Н10Г6. Важно подчеркнуть, что их целесообразно использовать
также для наплавки деталей, работающих на износ и при повышенных температурах, например, валков
пилиьгерстанов. Для работы деталей в условиях абразивного и ударно-абразивного износа разработаны
248
высокоуглеродистые наплавочные материалы с эффектом самозакалки при нагружении. Они показали свою
эффективность при восстановлении изношенных футеровочных плит, а также рабочих органов щековых
дробилок. Их применение в больших объёмах ещё предстоит осуществить.
Не возможно переоценить значение для повышения долговечности деталей машин и инструментов
упрочняющих технологий, основанных на принципе получения в структуре наряду с другими
составляющими метастабильного аустенита и реализации эффекта самозакалки при нагружении.
Разработаны способы упрочнения, включающие термическую, химико-термическую, деформационно-
термическую обработки, в том числе с использованием источников концентрированной энергии. Во многих
случаях целесообразно применять такие давно известные способы термообработки, как закалка (в том числе
ступенчатая и изотермическая, а также с использованием источников концентрированной энергии), отпуск,
химико-термическая и деформационно-термическая обработки. Особенностью является лишь то, что
режимы их проведения должны быть скорректированы с учетом исходных химического и фазового составов
применительно к конкретным условиям нагружения при испытаниях и эксплуатации, которым будет
подвергаться сплав, для того, чтобы обеспечить оптимальное количество аустенита в структуре и степень
его стабильности. С этой точки зрения необходимо дополнить существующие представления о роли
известных обработок в формировании требуемой структуры и свойств. В тех случаях, когда необходимо
увеличить количество аустенита в структуре закаленной стали, следует повышать температуру
аустенитизации по сравнению с обычно принятой, не допуская существенного роста зерна. Полезно также
использовать эффект стабилизации аустенита за счет уменьшения скорости охлаждения в интервале
температур мартенситного превращения, делать выдержку в нем или несколько выше мартенситной точки.
Образование аустенита по границам мартенситных реек существенно увеличивает пластичность и ударную
вязкость. Повышение до определенного уровня температуры нагрева под закалку высокоуглеродистых
сталей и чугунов, особенно легированных, за счёт получения в их структуре метастабильного аустенита
увеличивает абразивную износостойкость.
В ряде случаях получить остаточный аустенит в сплавах удается применением термообработок,
включающих нагрев в МКИ. Это обусловлено обогащением аустенита рядом легирующих элементов,
содержащихся в стали (Mn, C, N и др.), в результате их перераспределения между α- и γ- фазами. После
закалки в структуре наряду с мартенситом, остаточным аустенитом и карбидами в ряде случаев
присутствует феррит, снижающий прочностные свойства. В связи с этим предложена технология закалки,
предусматривающая после выдержки в МКИ кратковременную аустенитизацию, обеспечивающую
завершение α → γ превращения, но исключающую гомогенизацию аустенита. Термообработка большой
группы исследованных сталей по разработанной технологии приводит к одновременному повышению
прочностных, пластических свойств, ударной вязкости и износостойкости, что обусловлено измельчением
зерна в результате перекристаллизации, увеличением дисперсности мартенсита, его твердости, а также
образованием метастабильного аустенита и протеканием деформационного мартенситного превращения. В
ряде случаев целесообразно проводить закалку или нормализацию из МКИ, обеспечивающих высокий
уровень пластичности и ударной вязкости, а для повышения износостойкости осуществлять закалку
поверхности из аустенитной области, используя скоростной нагрев. Хороший комплекс механических
свойств достигается также термообработкой, включающей предварительный нагрев в ПКИ, скоростной
нагрев в аустенитную область, закалку и низкий отпуск. В результате получается мелкозернистая структура,
формируется гетерогенная смесь мартенсита, неоднородного по химическому составу, не растворившихся
карбидов и равномерно распределенного в структуре остаточного аустенита. Последний метастабилен и при
нагружении превращается в мартенсит. При оптимальном режиме термообработки имеет место наиболее
благоприятное развитие деформационного мартенситного превращения..
В практике термической обработки широко используется изотермическая закалка. В большинстве
опубликованных работ, посвященных влиянию этой обработки на структуру и свойства сплавов, основное
внимание уделяется бейниту. Показано, что важную роль в сталях и чугунах, подвергнутых изотермической
закалке, наряду с бейнитом играет метастабильный аустенит, превращающийся при испытаниях свойств или
эксплуатации в мартенсит деформации. Наиболее высокий уровень пластичности и ударной вязкости
достигается при оптимальных количестве остаточного аустенита и кинетике его превращения в мартенсит
деформации при нагружении. Для каждой стали необходимо подбирать рациональный режим
изотермической закалки. Предложено бейнитно-аустенитную структуру получать нетрадиционным
способом. Суть его заключается в том, что после аустенитизации охлаждение проводится в воде для
предотвращения образования ферритокарбидной смеси, а изотермическая выдержка в заданном
температурном интервале осуществляется в печи. Близкие структуру и свойства обеспечивает прерванная
закалка, включающая охлаждение в воде, и последующее снижение температуры с заданной скоростью в
интервале промежуточного превращения. Для получения повышенной пластичности и умеренной
прочности в ряде доэвтектоидных сталей целесообразно проводить нагрев в МКИ, так как это позволяет
получить после изотермической закалки многофазную структуру, состоящую из феррита, бейнита,
остаточного аустенита и нерастворившихся карбидов. В ряде случаев после нагрева и выдержки в МКИ
перед охлаждением следует проводить кратковременную аустенитизацию. Изотермическая закалка по
предложенному способу эффективна для повышения абразивной и ударно-абразивной износостойкости
249
сталей и высокопрочного чугуна. В них может быть получено наряду с бейнитом повышенное количество
метастабильного остаточного аустенита. С этой же целью может применяться ступенчатая закалка.
Высокий уровень механических свойств достигается также деформационно-термическими обработками,
с помощью которых следует управлять количеством и стабильностью аустенита. Их применение позволяет в
сравнительно недорогих хромомарганцевых сталях достичь свойств, близких к их уровню у ПНП-сталей.
Большие возможности для получения в структуре аустенита открывает химико-термическая обработка
(цементация, высокотемпературное азотирование, нитроцементация и др.). Традиционно считается, что
после окончательной термообработки сталей, прошедших ХТО, следует иметь преимущественно
мартенситно-карбидную структуру. Допускается незначительное количество аустенита (10-15 %). При
большем количестве последнего применяют обработки для его разложения. Между тем, при абразивном,
ударно-абразивном изнашивании, трении скольжения в условиях больших контактных давлений
необходимо иметь в структуре оптимальное количество метастабильного аустенита.
В последние годы все шире применяются обработки с использованием концентрированных источников
энергии (лазерная, электронно-лучевая, электроконтактная, плазменная и др.). Под их воздействием в
структуре поверхностного слоя наряду с другими составляющими также формируется метастабильный
аустенит, который оказывает существенное влияние на износостойкость, что во многих случаях не
принимается во внимание. С учётом этого разработаны технологии упрочнения сплавов.
Для сталей различных структурных классов и назначения предложены комбинированные обработки, на
первом этапе которых следует получать повышенное количество метастабильного аустенита, а на втором −
упрочнять его, сохранив оптимальное количество, обеспечив наиболее благоприятное развитие
мартенситного превращения при нагружении в процессе испытаний механических свойств или
эксплуатации. Такие обработки позволяют получить высокий уровень прочностных свойств при
достаточной пластичности и ударной вязкости.
Предложено и развивается перспективное направление по разработке упрочняющих технологий,
создающих в сплавах регулярные градиенты стуктурно-фазового состояния, соизмеримые с размерами
изделия. Им соответствует чередование структур с различными свойствами. Это достигается
дифференцированной обработкой, в которой совмещены общее (объемное) и локальное воздействия на
материал. При этом тепловые, механические, магнитные и другие поля распределяются не равномерно по
всему объему металла, а локализуются в отдельных его участках или слоях. В результате фазовые и
структурные превращения протекают не одновременно, а в разной степени и последовательности. Для
получения регулярной макронеоднородной (дискретной) структуры могут быть использованы термическая,
химико-термическая, деформационная обработки, а также их различные сочетания. Важную роль в
макронеоднородных структурах так же, как и в ранее рассмотренных случаях, играет метастабильный
аустенит.
Полученные данные показывают большие возможности повышения свойств сталей и чугунов за счет
применения упрочняющих технологий, использующих внутренний ресурс самих материалов. При их
проведении может быть использовано имеющееся на предприятиях оборудование, что не требует
капитальных затрат. В результате достигается существенное повышение механических, служебных свойств
деталей и инструментов а, следовательно, ресурсосбережение.
Можно полагать, что реализация предложенной концепции должна быть эффективна и при разработке
упрочняющих технологий для сплавов на нежелезной основе, в которых возможно получение
метастабильной структуры и обеспечена её самоорганизация при нагружении.
250
ЛИТЕРАТУРА
1. Ф.Б. Пикеринг. Физическое металловедение и разработка сталей. М.: «Металлургия», 1982, 182 с.
2. М.И. Гольдштейн, С.В. Грачев, Ю.Г. Векслер. Специальные стали. М.: «Металлургия», 1985, 408 с.
3. М.И. Гольдштейн, В.М. Фарбер. Дисперсионное упрочнение стали. М.: «Металлургия», 1979, 207 с
4. Л.И. Гладштейн, Д.А. Литвиненко. Высокопрочная строительная сталь. М.: «Металлургия», 1972,
239 с.
5. М.Л. Бернштейн, В.А. Займовский. Механические свойства металла. М.: «Металлургия», 1979, 495 с.
6. А.В. Веcтвуд. Разрушение твердых тел. М.: «Металлургия», 1967, 344 с.
7. М.Е. Блантер. Теория термической обработки. М.: «Металлургия», 1984, 328 с.
8. Л.С. Малинов, Т.Д. Эйсмондт. Упрочнение нестабильных аустенитных Сч-Мn-N сталей // Изв. АН
СССР. Металлы. 1969, № 2, с. 114-120.
9. Л.С. Малинов. Кинетика образования эпсилон-фазы в легированных железо-марганцовистых сплавах:
Дис. … канд. техн. наук: 05.16.01 / Свердловск, 1963, 144 с.
10. Б.А. Потехин. Вклад мартенситного превращения при деформации в пластичность метастабильных
аустенитных сталей // ФММ. 1979, т. 48, вып. 5, с. 1065-1075.
11. 0.А. Кайбышев. Пластичность и сверхпластичность металлов. М.: «Металлургия», 1975, 279 с.
12. И.Н. Богачев, Л.С. Малинов, Р.И. Минц. Новые кавитационностойкие стали для гидротурбин и их
термообработка. М.: «НИИИНФОРМТЯЖМАШ», 1967, 45 с.
13. Л.С. Малинов, Т.Д. Эйсмондт. Влияние предварительной пластической деформации на кавитационную
стойкость хромомарганцевых сталей // ФХММ. 1968, т. 4, № 6, с. 691-696.
14. В.С. Попов, Н.Н. Брыков, Н.С. Дмитриенко. Износостойкость прессформ огнеупорного производства.
М.: «Металлургия», 1971, 157 с.
15. Л.С. Малинов, А.П. Чейлях, К.Н. Соколов. Влияние мартенсита деформации на свойства сталей Fe-Cr-
Mn // Металлы. 1988, № 2, с. 78-83.
16. М.Л. Бернштейн, В.А. Займовский, Л.М. Капуткина. Термическая обработка стали. М.: «Металлургия»,
1983, 480 с.
17. М.Д. Перкас, В.М. Кардонский. Высокопрочные мартенситностареющие стали. М.: «Металлургия»,
1970, 224 с.
18. И.Н. Богачев, Г.А. Чарушникова. Малоуглеродистая марганцевая мартенситная сталь как
конструкционный материал // Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. Запорожье, 1980, с. 86-89.
19. Г.В. Курдюмов, Л.М. Утевский, Р.И. Энтин. Превращения в железе и стали. М.: «Наука», 1977, 238 с.
20. И.Н. Богачев, В.Ф. Еголаев. Структура и свойства железомарганцевых сплавов. М.: «Металлургия»,
1973, 295 с.
21. В.С. Золоторевский. Механические свойства металлов. М.: «Металлургия», 1983, 350 с.
22. Л.И. Лысак, Б.И. Николин. Физические основы термической обработки стали. Киев: «Техника», 1975,
304 с.
23. В.С. Литвинов. Структура и стабильность фаз высокой контактной стойкости. Дис. ... докт. техн. наук:
05.16.01 / Свердловск, 1979, 217 с.
24. 0.Г. Соколов, К.Б. Кацов. Железомарганцевые сплавы. Киев: «Наукова думка», 1982, 204 с.
25. Н.А. Терещенко. Фазовый наклеп стареющих сталей в результате γ ↔ ε превращений // Тез. докл. 1V
Всесоюз. совещ. «Структура и свойства немагнитных сталей». Черноголовка. 1983, с. 3.
26. М.С. Хадыев, Ю.Р. Немировский, М.А. Филиппов. Механическое двойникование ГПУ ε-фазы при
пластической деформации сплавов Fe-Mn // ФММ. 1982, т. 49, вып. 2, с. 394-398.
27. И.Н. Богачев, Б.А. Потехин, В.М. Кондратов и др. Влияние термообработки на механические свойства
аустенитной стали З0Х10Г10 // Изв. вузов. Чер. металлургия. 1965, № 7, с. I6I-I65.
28. Л.С. Малинов, В.И. Коноп, К.Н. Соколов и др. Оптимизация интенсивности мартенситного
превращения при нагружении в хромомарганцевых сталях // Изв. АН СССР. Металлы. 1976, № 5.
c. 143-148.
29. В.С. Литвинов, Д.А. Мирзаев, Р.Ш. Шкляр. Изучение некоторых дефектов кристаллической структуры
никелевого и марганцевого аустенитных сплавов // ФММ. 1964, т. 17, вып. 3, с. 467.
30. Г.А. Чарушникова. Особенности хрупкого разрушения сталей мартенситного класса (типа Г8 и Н9).
Дис ... канд. техн. наук. 05.16.01 / Свердловск, 1971, 122 с.
31. Г.Н. Грикуров, Ф.Н. Тавадзе. Разработка, внедрение и перспективы применения хромомарганцевых
нержавеющих сталей в криогенном машиностроении // Структура и свойства немагнитных сталей. М.:
«Наука», 1982, с. 193-206.
32. Л.С. Малинов, В.И. Коноп. Регулирование мартенситного превращения при нагружении в
хромомарганцевых аустенитных сталях // МиТОМ. 1978, № 8, с. 10-15.
33. Л.С. Малинов, В.И. Коноп, К.Н. Соколов. Влияние легирования и обработки на мартенситное
превращение при деформации в Fе-Сr-Мn сталях с нестабильным аустенитом // МиТОМ. 1977, № I,
с. 32-36.
34. Л.С. Малинов. Принципы легирования и упрочнения новых экономнолегированных высокопрочных
сталей с мартенситными превращениями // Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. «Новые