Журнал - Вісник Донбаської державної машинобудівної академії 2010 №1 (6Е)

Подождите немного. Документ загружается.

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК ДГМА № 1 (6Е), 2010

100

200

300

400

500

600

700

800

1 10 100 1000 10000 100000

Время, сек

Температура,

А+К

А→П

Конец превращения

А1

Мн

А→М

А→Б

HRC

100

200

300

400

500

600

700

800

1 10 100 1000 10000 100000

Время, сек

Температура,

А+К

А→П

→

Конец превращения

55,5

47,5

HRC

А1

Мн

а б

100

200

300

400

500

600

700

800

1 10 100 1000 10000 100000

Время, сек

Температура,

Мн

А→М

→

А+К

А→П

Конец превращения

А1

HRC

Рис. 2. Диаграммы изотермического превращения аустенита:

а – сталь 55Х4СМФ; б – сталь 65Х4СМФ; в – сталь 65Х4ГМФ

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК ДГМА № 1 (6Е), 2010

При температуре 600 °С в стали 55Х4МСФ он равен 5 минут, в сталях 65Х4СМФ

и 65Х4ГМФ – 1 минута 40 секунд. Здесь можно говорить о том, что увеличение количества

углерода способствует увеличению скорости распада аустенита. Эта температура для всех

исследуемых сталей является температурой минимальной устойчивости аустенита. При тем-

пературе 500 °С инкубационный период для всех исследуемых сталей равен 2 часа 47 минут.

450

500

550

600

650

700

750

10 100 1000 10000 100000

Время, сек

Температура, °С

А+К

А→П

Рис. 3. Влияние химического состава сталей на начало и конец превращения аустенита

в перлитной области:

1 – сталь 65Х4СМФ; 2 – сталь 65Х4ГМФ; 3 – сталь 55Х4СМФ

100

150

200

250

300

350

400

10 100 1000 10000 100000

Время, сек

Температура,

Мн

А→М

А→Б

Рис. 4. Влияние химического состава сталей на начало и конец превращения аустенита

в бейнитной и мартенситной областях:

1 – сталь 65Х4СМФ; 2 – сталь 65Х4ГМФ; 3 – сталь 55Х4СМФ

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК ДГМА № 1 (6Е), 2010

В изотермических условиях бейнитное превращение начинается после некоторого ин-

кубационного периода. При температуре 300 °С для стали 55Х4СМФ он составляет 3 мину-

ты, для стали 65Х4СМФ – 8 минут, а для стали 65Х4ГМФ – 17 минут (рис. 4). Таким обра-

зом, увеличение количества углерода уменьшает скорость бейнитного превращения.

Анализ полученных диаграмм (рис. 2) дает возможность определить температурные

и временные параметры предварительной и окончательной термической обработки иссле-

дуемых сталей. Таким образом, для получения невысокой твердости (20–25 HRC) рекомен-

дуется проводить изотермический отжиг с выдержкой при температуре минимальной устой-

чивости аустенита, продолжительность которой зависит от химического состава стали: для

стали 55Х4СМФ она составила 30 минут, для стали 65Х4СМФ – 20 минут, а для стали

65Х4ГМФ 2 часа. Окончательную термическую обработку назначают в зависимости от тре-

бований, предъявляемых к готовому изделию. Например, если из исследуемых сталей изго-

товили инструмент диаметром до 5 мм, который должен обладать высокой твердостью, из-

носостойкостью и при этом иметь хорошие вязкие свойства, то в качестве окончательной

термической обработки

рекомендуется проводить изотермическую закалку с охлаждением

в сыпучем графите и окончательным охлаждением в воде после изотермической выдержки.

Изотермическая выдержка назначается при температуре 300 °С (твердость 50–55 HRC) про-

должительность выдержки составляет для стали 55Х4СМФ составила 33 минуты, для стали

65Х4СМФ – 50 минут и для стали 65Х4ГМФ – 2 часа 47 минут. Следует отметить, что на

практике выдержка должна быть увеличена на время, необходимое для прогрева изделия по

всему сечению при заданной температуре.

ВЫВОДЫ

1. Впервые разработан метод построения диаграмм изотермического превращения ау-

стенита, основанный на использовании в качестве изотермической среды сыпучий графит.

Показано, что использование сыпучего графита позволяет строить диаграммы в единой сре-

де, что значительно ускорило и упростило процесс построения.

По разработанному методу были построены диаграммы изотермического превраще-

ния аустенита новых марок сталей 55Х4СМФ, 65Х4СМФ и 65Х4ГМФ.

2. Показано, что данные диаграммы отличаются от известных диаграмм тем, что ха-

рактеризуют распад аустенита при изотермической выдержке ниже температуры начала мар-

тенситного превращения Мн. Установлено, что увеличение количества углерода способству-

ет снижению критической скорости закалки: для стали 55Х4СМФ она составила 3,7 °С/сек,

а для стали 65Х4СМФ – 1,9 °С/сек. Однако комплексное увеличение С, Mn и уменьшение Si

на критическую скорость влияет не значительно – 3,6 °С/сек для стали 65Х4ГМФ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Попова Л. Е. Диаграммы превращения аустенита в сталях и бета-раствора в сплавах титана:

[справочник] / Л. Е. Попова, А. А. Попов. – М. : Металлургия, 1999. – 502 с.

2. Люты В. Закалочные среды: [справочник] / В. Люты; [пер. с польского Г. Н. Мехеда; под ред.

С. Б. Масленкова]. – Челябинск : Металлургия, Челябинское отделение, 1990. – 192 с.

3. Пат. 43690 Україна

, МПК С21D 9/22. Спосіб термічної обробки сталі / Заблоцький В. К., Фельд-

ман В. Є., Фесенко А. М., Федорінов В. А., Шимко О. І., Мелещенко І. Ю., Фесенко М. А., Корсун В. А., Шимко В. І.;

Донбаська державна машинобудівна академія – № u 2009 03360; заявл. 08.04.09; опубл. 25.08.09, Бюл. № 16.

4. Мелешко А. И. Углерод, углеродные волокна, углеродные

композиты / А. И. Мелешко, С. П. Половни-

ков. – М. : САЙНС-ПРЕСС, 2007. – 192 с.

5. Заблоцкий В. К. Особенности влияния алитирования на структуру и свойства стали 10 / В. К. За-

блоцкий, А. И. Шимко // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. – 2005. – № 6. – С. 33–36.

6. Заблоцкий В. К. Особенности превращений в сталях 65Х4СМФ и 65Х4ГМФ

при изотермической вы-

держке в перлитной области при температуре минимальной устойчивости аустенита / В. К. Заблоцкий,

И. Ю. Мелещенко // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. – 2007. – № 3/1 (27). – С. 75–79.

7. Гуляев А. П. Металловедение : [учебник для вузов. – 6-е изд., перераб. и доп.] / А. П. Гуляев. – М. :

Металлургия, 1986. – 544 с.

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК ДГМА № 1 (6Е), 2010

ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ ПРИ ЛИТЬЕ И ТЕРМИЧЕСКОЙ

ОБРАБОТКЕ СТАЛИ 30Л

Заблоцкий В. К., Фесенко А. Н., Фесенко М. А., Токар А. А.

Исследованы особенности процессов структурообразования в отливках из стали. При-

ведены результаты исследований влияния приведенной толщины отливки на структуру и ме-

ханические свойства стали 30Л в литом состоянии и после нормализации. Методом теплово-

го травления микрошлифов установлено, что в структуре стали 30Л в литом состоянии на-

блюдается образование феррита двух модификаций Фα и Фδ. Наличие Фδ в структуре литой

стали 30Л указывает на возможность эффективного повышения ее механических свойств пу-

тем микролегирования карбидообразующими элементами. Для оценки структурообразования

в литой стали непосредственно после литья и термической обработки разработан метод не-

разрушающего контроля и прибор для его выполнения.

Досліджено особливості процесів структуроутворення в відливках зі сталі. Приведені

результати досліджень впливу наведеної товщини виливка на структуру й механічні власти-

вості сталі 30Л в литому стані й після нормалізації. Методом теплового травлення мікрошлі-

фів встановлено, що в структурі сталі 30Л в литому стані спостерігається виникнення фериту

двох модифікацій Фα і Фδ. Наявність Фδ в структурі литої сталі 30Л вказує на можливість

ефективного підвищення її механічних властивостей шляхом мікролегування карбідоутво-

рювальними елементами. Для оцінки структуроутворення в литої сталі безпосередньо після

лиття і термічної обробки розроблено метод неруйнівного контролю і прилад для його вико-

нання.

The features of pattern formation in the casting of steel have been investigated. Results on

the effect of the reduced thickness of the casting on the structure and mechanical properties of steel

30Л in the cast state and after normalization have been proposed. The method of thermal etching

microsections it has been found that the structure of steel 30Л-cast ferrite formation occurs in two

modifications Fα and Fδ. Availability of Fδ in the structure of cast steel 30Л indicates the possibil-

ity of effectively improving its mechanical properties by microalloying carbide-forming elements.

To assess the structure formation in cast steel immediately after casting and heat treatment devel-

oped a method for nondestructive testing and device for its implementation has been developed.

Заблоцкий В. К. д-р хим. наук, проф., зав. кафедрой ТОЛП ДГМА

tolp@dgma.donetsk.ua

Фесенко А. Н. канд. техн. наук, доц. кафедры ТОЛП, первый проректор ДГМА

Фесенко М. А. канд. техн. наук, ст. преп. кафедры ТОЛП ДГМА

Токар А. А. магистр ДГМА

ДГМА – Донбасская государственная машиностроительная академия, г. Краматорск

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК ДГМА № 1 (6Е), 2010

УДК 624.71

Заблоцкий В. К., Фесенко А. Н., Фесенко М. А., Токар А. А.

ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ ПРИ ЛИТЬЕ

И ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ СТАЛИ 30Л

Известно, что структура стали 30Л непосредственно после литья состоит из феррита

и перлита. Феррит во многих местах имеет игольчатое строение, что характерно для «вид-

манштеттовой» структуры литой стали. После химического травления микрошлифа 4%-ным

раствором азотной кислоты в этиловом спирте при рассмотрении под микроскопом феррит

имеет светлую окраску, а перлит темную, иглы феррита вклиниваются в зерна перлита. Без-

условно, что такой вид структуры сформирован вследствие неравновесных условий кристал-

лизации и охлаждения литой стали. Поскольку «видманштеттовая» структура является неод-

нородной

и не может обеспечить высокий уровень механических свойств, отливки подвер-

гают отжигу или нормализации [1]. При неравновесных условиях кристаллизации возможно

сохранение в структуре Фδ, который содержит больше углерода по сравнению с Фα. Повы-

шенное содержание углерода влияет на дисперсионное упрочнение феррита, что приводит

к увеличению прочностных свойств стали и особенно, если

в ней присутствуют микродобав-

ки V и N [2]. Возможность широкого использования указанного механизма упрочнения для

литых сталей мало изучена из-за отсутствия метода определения наличия в структуре Фδ.

Целью работы является изучение особенностей структурообразования в отливках из

стали 30Л.

Химический состав стали 30Л соответствовал ГОСТ 977-88. На приливных пробах ис-

следовали неоднородность литой структуры с помощью металлографического микроскопа

МИМ-8М, применяя химическое и тепловое травление при 400 ºС (30 мин), а также количе-

ственную металлографию для оценки доли феррита в структуре, магнитную проницаемость

для оценки структурно-фазового состояния поверхностного слоя образцов. Твердость опре-

деляли на приборе ТШ-2М, микротвердость на ПМТ-3, прочностные и пластические свойст-

ва

на машине для растяжения Р10, ударную вязкость на маятниковом копре МК-30. Исследо-

вали отливки «подушка», «рельс нижний» и «полувенец» производства ФЛЦ № 1

ЗАО «НКМЗ» с приведенной толщиной 28 мм, 44 мм и 177 мм соответственно. Приведенную

толщину определяли как отношение объема отливки к площади поверхности отливки. Нор-

мализацию отливок выполняли по заводским режимам.

Анализ микроструктуры каждой из отливок (рис. 1) показал, что непосредственно по-

сле литья и химического травления микрошлифов в структуре наблюдается игольчатый и по-

лиэдрический феррит, он располагается по границам зерен перлита.

а б в

Рис. 1. Микроструктура литой стали 30Л в отливках приведенной толщины в мм:

28 (а), 44 (б) и 177 (в) после химического травления, × 100

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК ДГМА № 1 (6Е), 2010

Как следует из рис. 1, количество феррита с увеличением приведенной толщины от-

ливок уменьшается. Это обусловлено тем, что по мере увеличения приведенной толщины

(равным образом массы) отливок увеличивается зерно в стали, что уменьшает периметр гра-

ниц для выделения феррита, следовательно, и объем выделяемого феррита.

Об укрупнении зерна и уменьшении доли феррита свидетельствует понижение маг-

нитной проницаемости стали при увеличении приведенной толщины отливок.

После теплового травления неоднородным выглядит как феррит, так и перлит (рис. 2).

Неоднородность феррита проявляется в том, что он имеет белую и бирюзовую окраску. По-

следняя свидетельствует о повышенном содержании углерода в феррите. Это позволяет сде-

лать вывод, что непосредственно после литья в структуре стали 30Л существуют два вида

феррита: Фα (светлый) и Фδ (бирюзовый). Микротвердость Фα 1530 МПа, Фδ 2010 МПа,

перлита 2418 МПа. Существование Фδ в данном случае может быть связано с неравновес-

ными условиями кристаллизации стали, что не обеспечивают полного завершения перетек-

тического превращения: Фδ + Ж → Ж + А + Фδ. В этом случае в аустените не успевает пол-

ностью растворится Фδ, а поэтому он сохраняется в аустените до Аr

. При понижении тем-

пературы ниже Аr

из аустенита выделяется Фα, который расположен рядом с ранее образо-

вавшимся Фδ. При охлаждении ниже Аr

аустенит превращается в перлит.

а б в

Рис. 2. Микроструктура литой стали 30Л в отливках приведенной толщины в мм:

28 (а), 44 (б) и 177 (в) после теплового травления, × 100

Структурную неоднородность перлита можно объяснить химической неоднородно-

стью аустенита, предшествующею образования перлита. Необходимо отметить, что после

теплового травления в структуре перлита просматриваются белые Фα и бирюзовые Фδ час-

тицы

, а это указывает на перлит как механическую смесь Фα + Фδ + Fe

C. Получение перли-

та со смесью Фα + Фδ может быть связано с тем, что при перетектическом превращении ау-

стенит образуется по границам некоторых мелких зерен Фδ. Тогда после неполного заверше-

ния перетектического превращения внутри зерен аустенита могут сохраняться частицы Фδ,

которые при превращении оболочки аустенита в перлит (Фα + Fe

C) окажутся внутри перли-

та рядом с частицами Фα. Следовательно, после завершения процесса кристаллизации стали

ниже температуры солидуса ее структура состоит из крупных зерен Фδ и аустенита с мелки-

ми включениями Фδ.

Схема структурно-фазовых превращений при кристаллизации и охлаждении стали

30Л при равновесных и неравновесных условиях кристаллизации приведена на рис. 3 [3].

Все механические свойства стали 30Л непосредственно после литья снижаются по ме-

ре увеличения приведенной толщины отливок, что также обусловлено укрупнением зерна.

В наименьшей степени снижается твердость, которая мало зависит от величины зерна (табл. 1).

После нормализации структура стали 30Л становится мелкозернистой (рис. 4, 5),

в ней не наблюдается Фδ, количество феррита становится меньше, так как при ускоренном

охлаждении в процессе нормализации увеличивается доля перлита (табл. 1).

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК ДГМА № 1 (6Е), 2010

Рис. 3. Взаимосвязь между диаграммой Fe – Fe

C и структурно-фазовым состоянием

стали при равновесных (І) и неравновесных (ІІ) условиях кристаллизации

Таблица 1

Соотношение относительного показателя структурно-фазового состояния для отливок

с приведенной толщиной из стали 30Л и соответствующими механическими свойствами

Приведенная

толщина,

мм

Магнитная *

проницаемость,

мВ

Содержание

феррита,

Предел

текучести,

МПа

Предел

прочности,

МПа

Относительное

сужение,

Ударная вязкость,

Дж/см

Твердость

по Бринеллю,

НВ

Литая сталь

28 679 ± 7,63 66,73 255 600 33 48 216

44 658 ± 11,75 62 247 520 29 39 212

177 608 ± 17,43 60 231 499 12 12 190

Нормализованная сталь

28 643 ± 9,42 32 367 678 52 97 191

44 625 ± 38,25 26,58 296 542 49 81 187

177 567 ± 13,62 20,5 274 503 41 53 156

* Магнитная проницаемость в мВ по показаниям специально разработанного прибора.

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК ДГМА № 1 (6Е), 2010

а б в

Рис. 4. Микроструктура литой стали 30Л после нормализации в отливках приведенной

толщины в мм:

28 (а), 44 (б), 177 (в) после химического травления, × 100

а б в

Рис. 5. Микроструктура литой стали 30Л после нормализации в отливках приведенной

толщины в мм:

28 (а), 44 (б), 177 (в) после теплового травления, × 100

Механические свойства после нормализации несколько выше, что связано с измель-

чением зерна. Магнитная проницаемость нормализованных сталей ниже, что связано с уве-

личением в структуре доли перлита. Однако тенденция изменения свойств нормализованной

стали в зависимости от приведенной толщины отливок остается такой же, как и после литья.

Важным моментом является тот факт, что в структуре нормализованной стали отсутствует

Фδ. Это указывает на то, что при нагреве для нормализации Фδ растворяется в аустените как

метастабильная фаза, а затем при охлаждении из аустенита выделяется Фα как стабильная

фаза. Обнаруженный в структуре стали 30Л непосредственно после литья Фδ указывает на

возможность дополнительного повышения механических свойств этой стали за счет дис-

персного упрочнения феррита карбидообразующими элементами.

ВЫВОДЫ

Основной особенностью структуры стали 30Л, полученной при литье, является обра-

зование Фδ, он определяется тепловым травлением микрошлифов. Наличие в структуре ли-

той стали 30Л Фδ указывает на возможность эффективного повышения ее механических

свойств микролегированием карбидообразующими элементами. Для оценки структурообра-

зования в литой стали непосредственно после литья и термической обработки разработан ме-

тод неразрушающего контроля и прибор для его выполнения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гуляев А. П. Металловедение / А. П. Гуляев. – М. : Металлургия, 1977. – 648 с.

2. Strengthening mechanisms in vanadium microalloyed steels intended for long products / S. Zajac, T. Si-

wecki, W. B. Hutchinson, R. Lagneborg // ISIJ Int. – 1998. – № 10. – Р. 1130–1139.

3. Особенности кристаллизации отливок из сталей 30Л и 35ХМЛ / В. К. Заблоцкий, А. Н. Фесенко,

М. А. Фесенко, Д. Л. Годицкий, А. А. Токар // Перспективные технологи, материалы и оборудование в литейном про-

изводстве : материалы международной

научно-технической конференции : Украина, Краматорск, 2009. – С. 94–96.