Коррозионно-стойкие стали мартенситного класса. Повышение их механических свойств за счет получения в структуре метастабильного аустени

Таблица 2.1 Состав, механические свойства и коррозионная стойкость сталей мартенситного, мартенситно - ферритного и ферритного классов.

        В основном их используют для изделий, работающих на износ, в качестве режущего инструмента, в частности ножей, для упругих элементов и конструкций в пищевой и химической промышленности, находящихся в контакте со слабоагрессивными средами (например, 4-5 %-ная уксуная кислота, фруктовые соки и др.). Эти стали применяют после закалки и отпуска на заданную твердость. Благодаря малой критической скорости закалки стали 30Х13, 40Х13 закаливают на мартенсит при охлаждении на воздухе (рис.2.1). Закалку изделий из этих сталей проводят от температур 950-1020оС, так как только выше этих температур происходит полное растворение в аустените карбидов Cr23C6. После закалки стали отпускают на требуемую твердость. Так после закалки сталь 40Х13 имеет твердость HRC 56-58, после отпуска при 200-300оС HRC 50, а после отпуска при 600оС HRC 32-34. В интервале 480-520оС наблюдается существенное снижение пластичности и ударной вязкости сталей из-за развития отпускной хрупкости.

Рисунок 2.1 Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита стали 40Х13.

       После закалки стали имеют высокую коррозионную стойкость. Отпуск при 200-400оС проводят для снятия внутренних напряжений; он не оказывает влияния на коррозионную стойкость. При отпуске выше 500оС происходит распад мартенсита на феррито- карбидную смесь и выделение карбидов типаMe23C6, структура стали становится гетерогенной, ферритная матрица обедняется хромом, коррозионная стойкость резко снижается (рис.2.1). Отпуск при более высоких температурах повышает коррозионную стойкость. В связи с этим в практике используют стали с переменным содержание углерода и хрома: чем выше в стали содержание углерода, тем больше требуется хрома для обеспечения необходимой коррозионной стойкости.

 

Рисунок 2.2 Влияние температуры отпуска на коррозионную стойкость стали 10Х13 в тумане 20%-ного раствора NaCl.

       Так, если  при 0,15% С необходимо 12-14% Cr, то при 0,2-0,4% С 13-15% Cr, а при 0,6-1,0% С, 14-16% Cr. Сталь 12Х13 относится к феррито-мартенситным и имеет в структуре 10-15% δ- феррита. После закалки от 1030-1050оС и отпуска при 680-700оС структура стали представляет собой феррито - карбидную смесь; комплекс механических свойств ее высокий.

        В стали 08Х13  α      γ –превращение при нагреве происходит только частично, поэтому она склонна к неполной закалке, а структура стали после быстрого охлаждения состоит из феррита и небольшого количества низкоуглеродистого мартенсита, который при отпуске распадается на феррито - карбидную смесь. Стали 12Х13 и 08Х13 имеют более высокие пластические и технологические свойства; их широко применяют для сварных изделий, работающих в слабоагрессивных средах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Влияние метастабильного аустенита на свойства коррозионно-стойких сталей мартенситного класса.

       Ресурсосбережение сегодня является одной из важнейших задач. Во многих случаях она решается повышением  свойств  за  счет  легирования  дорогими  элементами (Ni, Mo, V).  В  статье  предложено развивающееся альтернативное направление по использованию внутренних резервов самого материала, суть которого  заключается  в  получении  многофазных  структур(мартенсит,  феррит,  бейнит,  карбиды, карбонитриды, интерметаллиды и их разнообразное сочетание), одной из основных составляющих которых является метастабильный аустенит. Его количеством и стабильностью необходимо управлять, оптимизируя развитие мартенситных превращений, протекающих при нагружении, с учетом исходного химического и фазового  составов,  а  также  условий  испытаний  и  эксплуатации. Следует  при  этом  использовать различные  механизмы  упрочнения  и  сопротивления  разрушению.  Во  многих  случаях  это  удается реализовать  применением  термообработок,  включающих  закалку(в  том  числе  изотермическую  и прерывистую) с нагревом в межкритический интервал (МКИ) температур.

      В работе приведены данные по применению одного из вариантов такой термообработки с предварительным нагревом в МКИ (α + γ) для сталей10Х14Г2 мартенситного и 10Х14Г6Д2М мартенситно-аустенитного классов. Образцы исследованныхсталей нагревали в МКИ (640-720оС), выдерживали в нем в течение 30-120 мин, после чего переносили в печь, нагретую до1100оС, выдерживали 3-5 мин и охлаждали в масле и отпускали при200оС1 ч. По сравнению с обычной закалкой от1100оС, термическая обработка по предложенному режиму вызывает стабилизацию аустенита и уменьшает количество образующегося при закалке мартенсита. Это обусловлено обогащением аустенита Mn, C, N и Cu в результате их перераспределения между α - и γ -фазами в процессе выдержки  в  МКИ.  В  условиях  последующего  кратковременного  нагрева  до 1100оС,  обеспечивающего завершение α      γ  превращения, но исключающего гомогенизацию аустенита, в нем сохраняются участки,обогащенные  аустенитообразующими  элементами.  Одновременно  из  феррита  образуется  аустенит  с пониженным  содержанием  этих  элементов.  При  закалке  обедненные  участки  аустенита  претерпевают превращение в низкоуглеродистый мартенсит, а обогащенные– в мартенсит с повышенным содержанием углерода или сохраняются непревращенными. После термообработки с предварительным нагревом в МКИ при повышении температуры с 640 до 720оС 1 ч в стали 10Х14Г6Д2М количество остаточного аустенита возрастает от 30 до 45 %. При этом повышается также его стабильность по отношению к деформационному мартенситному превращению. В результате снижаются механические свойства, по сравнению с уровнем, достигнутым после предварительного нагрева в МКИ на640оС 1 ч. Повысить прочностные свойства при сохранении достаточной пластичности в случае повышенного количества остаточного аустенита позволяет холодная пластическая деформация со степенями 10-15 %, проводимая перед низким отпуском.

       В стали  10Х14Г2, значительно  менее  легированной  марганцем,  термообработка,  включающая  предварительный нагрев и выдержку в МКИ(640-720оС), приводит к образованию 9 % аустенита, который при испытании механических  свойств  также  превращается  в  мартенсит  деформации.  Термообработка  рассматриваемой стали  с  предварительным  нагревом  в  МКИ  приводит  к  одновременному  повышению  прочностных  и пластических  свойств.  Это  можно  объяснить измельчением  зерна  в  результате  перекристаллизации, увеличением дисперсности мартенсита, а также образованием аустенита и протеканием деформационного мартенситного  превращения.  Закалка  исследованных  сталей  переходного  и  мартенситного  классов непосредственно  из  МКИ (без  последующей  кратковременной  аустенитизации) приводит  к  получению сравнительно невысоких прочностных свойств и повышенной пластичности, что обусловлено уменьшениемколичества мартенсита и образованием вторичного аустенита.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Получение метастабильного аустенита, управление его количеством, степенью упрочнения и стабильностью с учетом конкретных условий открывает широкие возможности, как в создании новых экономичных сплавов, так и в повышении комплекса механических и служебных свойств, применяемых в промышленности. Рассмотренный подход позволяет использовать внутренние резервы самого материала, зачастую нереализуемые, и решать задачу создания новых технологий, а также упрочнения в направлении «идеального конечного результата», когда повышение свойств происходит как бы само собой. Это обусловлено тем, что наряду с обычно проводимой на стадии изготовления изделий обработкой (термическая, деформационно-термическая и др.) повышенный уровень свойств формируется в процессе нагружения при эксплуатации. Это своеобразная термомеханическая обработка, осуществляемая внешним воздействием. В результате удается в разработанных экономнолегированных  сплавах, а также применяемых в промышленности существенно повысить комплекс механических и служебных свойств. Как следствие этого, возрастают долговечность и надежность деталей машин и инструментов. Кроме того, сокращается расход таких элементов как никель, вольфрам и другие, уменьшаются затраты на изготовление сменно-запасных частей оборудования и повышается его производительность. Важно также подчеркнуть, что разрабатываемые сплавы различных структурных классов и назначения в качестве основного легирующего элемента содержат марганец, что позволяет использовать сырьевую базу Украины и отказаться от импорта многих дорогих ферросплавов.

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература

1.Малинов  Л.С.  Разработка  экономнолегированных  высокопрочных  сталей  и  способов  упрочнения  с использованием принципа регулирования мартенситных превращений / Л.С.Малинов / Екатеринбург. – 1992. - 381 с.

2. Малинов  Л.С.  Повышение  свойств  сталей  и  высокопрочного  чугуна  получением  в  них  многофазных структур, включающих бейнит и метастабильный аустенит/Л.С. Малинов//Металл и литье Украины. - 2004.- №7

3. Малинов  Л.С.  Сплавы с особыми свойствами / Л.С. Малинов, 1990-163 с.

4. Гольдштейн М. И.Специальные  стали / М. И. Гольдштейн, С. В. Грачев, Ю.Г .Векслер - М.: Металлургия, 1985.- 408 с.