Конструкционные высокопрочные низкоуглеродистые стали мартенситног
..pdfСостояние материала |
/,°С |
И- |
Е |
<*0,2 |
а» |
5 |
|
KCU |
KCU..60 |
|
МПа |
|
% |
|
Дж/см2 |
||||
|
|
|
|
|
|
||||
Терм, обработка: закал- |
+ 20 |
0,28 |
195000 |
900 |
1100 |
15,0 |
65 |
150 |
100 |
ка 900 °С на воздухе, |
+400 |
- |
156000 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
отпуск 300 °С |
+500 |
0,31 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
Терм, обработка: закал |
+20 |
|
|
830 |
1050 |
15,0 |
67 |
|
|
ка 900 °С на воздухе, |
+100 |
|
|
840 |
1010 |
14,0 |
66 |
|
|
отпуск 520 °С |
+200 |
|
|
870 |
1010 |
13,5 |
63 |
|
|
|
+250 |
|
|
900 |
1020 |
12,0 |
62 |
|
|
|
+300 |
|
|
920 |
1100 |
14,0 |
55 |
|
|
|
+350 |
|
|
860 |
1150 |
20,0 |
67 |
|
|
|
+400 |
|
|
960 |
1110 |
19,0 |
66 |
|
|
|
+500 |
|
|
860 |
950 |
14,0 |
64 |
|
|
|
+530 |
|
|
790 |
865 |
12,0 |
61 |
|
|
|
+600 |
|
|
270 |
285 |
20,0 |
89 |
|
|
Рис. 5.9. Зависимость ударной вязкости от температуры испы тания: А - закалка 900 °С, воздух, отпуск 300 °С, предел теку чести 800 МПа; ■ - закалка 900 °С, воздух, отпуск 560 °С, пре дел текучести 800 МПа
Таблица 5.9
Коррозионная стойкость в 3% р-р NaCl при +20 °С (сравнительные испытания)
Марка стали |
Скорость коррозии, г/м2 ч |
07ХЗГНМЮА |
0,0051 |
20Н2М |
0,0083 |
15Х2НМФ |
0,0141 |
Таблица 5.10
Коррозионная стойкость в 5% р-р NaCl в деарированной дистиллированной воде, насыщенной СОг
|
Прочность |
Скорость коррозии, |
||
|
мм/год |
|||
|
|
|
||
Марка стали |
|
|
Среда: 5% р-р NaCl |
|
СГ„ |
<*0,2 |
в деарированной дис |
||
|
тиллированной воде, |
|||
|
М'Па |
насыщенной СОг |
||
07ХЗГНМЮА |
50,0 °С |
22,0 °С |
||
750 |
650 |
0,59 |
0,37 |
|
С75, AP1-5ST (США) |
740 |
670 |
1,91 |
0,96 |
5.3. Технологичность НМС
Технологичность стали в условиях машинострои тельного и других видов производств изделий характери зуется возможностью изготовления термоупрочненных деталей с минимальными затратами в кратчайший пери од, а также вкладом технологического процесса в повы шение эксплуатационных характеристик.
Технологичность стали оценивают по двум пара метрам:
1)универсальностью применения в изделиях в ши роких интервалах варьирования прочности, износостой кости и условий эксплуатации;
2)универсальностью использования в различных технологических процессах, которую, в свою очередь, определяют широта изменения технологических пара метров отдельных операций и совместимость различных технологических процессов.
Конструкционные стали используют в широком диапазоне значений прочности 600-1400 МПа и твердо сти до 60 HRC.
Стали с более высокой прочностью применяют ре же, поскольку возникают ограничения по допустимой величине упругой деформации, которую определяет мо дуль упругости (.Е), слабо зависящий от химического состава.
Вмашиностроении используют порядка 500 марок термоупрочняемых сталей. Такое количество определя ется различными требованиями к прочности и комплексу свойств - пластичности, вязкости трещиностойкости, отпускоустойчивости, износостойкости, усталости, необ
ходимых для реализации конструкционной прочности в различных условиях эксплуатации. Большое количест во марок необходимо вследствие того, что традиционно применяемые улучшаемые стали обеспечивают конст рукционную прочность в узком интервале значений ком плекса свойств.
Кним относятся среднелегированные марки сталей
ссодержанием углерода до 0,4 %, содержащие марганец, хром, титан, никель, молибден, вольфрам, ванадий, кремний, ниобий и др., в различных сочетаниях при суммарном количестве не более 7 %.
Традиционные среднеуглеродистые конструкциионные стали обеспечивают ограниченный комплекс свойств и работоспособность в узких интервалах изме нения условий функционирования. Это объясняет ис пользование большого количества марок сталей, области применения которых указаны в широко распространен ной литературе для общего и специального машино строения.
Структура НМ позволяет получать для отдельной марки стали необходимые свойства в широком диапазоне значений и обеспечивает универсальность при использо вании в различных технологических процессах.
Особенности строения НМС предопределяют и ос новные отличия в сочетании свойств:
1.Широкий диапазон изменения характеристик прочности от ов= 600 до 1400 МПа в сочетании с высо кими значениями пластичности и вязкости 5 = 12...22 %
и Ч> = 50...70 %, KCU = 100...200 Н/см2, KCV =
=80... 120 Н/см2
2.Высокую твердость поверхности, упрочненной ХТО и наплавкой HRC = 58...64 при сохранении требуе мой твердости сердцевины
3.Критическая температура хрупкости ниже ми нус 50 °С.
4.Отсутствие склонности к хрупкому разрушению.
Универсальность использования в различных тех нологических процессах состоит в том, что НМС позво ляют осуществлять:
1.Совмещенный процесс - закалка с деформацион ного нагрева (исключение отдельной операции закалки).
2.Закалку охлаждением на воздухе без деформации
икоробления.
3.Все способы ХТО.
4.Сварку всеми способами в любых климатиче ских условиях.
5.Наплавку для повышения износостойкости с со хранением прочности основного металла.
6.Совмещение режимов термического воздействия при спекании с износостойкими материалами (диски сцепления, в т.ч. тяжелых машин).
7.Унификацию технологического процесса терми ческого упрочнения.
8.Исключение из технологического процесса эко логически вредных закалочных средств.
9.Повышение надежности технологического про
цесса.
10. Упрочняющую термическую обработку загото вок в больших сечениях.
11. Совмещение режимов термической обработки с режимами других сталей и прочих материалов (покры тие эмалями и т.п.).
12. Деформацию и термическую обработку в широ ком интервале значений величин деформации, темпера тур, скоростей нагрева и охлаждения.
Таким образом, НМС свободны от присущих сред неуглеродистым конструкционным сталям недостатков, позволяют по-новому решить задачу термического уп рочнения проката и других видов полуфабриката, полу чаемого обработкой давлением. Закаливаемость на воз духе позволяет осуществить в действующем потоке ме таллургического производства проката совмещенный процесс формообразования с закалкой без применения жидких охлаждающих сред. Становится возможно эко номичным и простым путем на существующем оборудо вании без капитальных затрат создать экологически чистый технологический процесс изготовления термоуп рочненного проката с прочностью 1000-1200 Н/мм2 и с высокими характеристиками пластичности и вяз кости.
НМС хорошо обрабатываются давлением в холод ном состоянии. Это обусловлено низким коэффициентом деформационного упрочнения К = 1,05... 1,15 и высокой пластичностью в термоупрочненном состоянии, что по зволяет увеличить величину деформации за один проход, следовательно, уменьшить число проходов при холодной деформации.
Примеры реализации технологичности НМС
По новой технологии из НМС 07ХЗГНМЮА на оборудовании Волжского трубного завода и Нижнеднеп ровского завода им. К. Либкнехта изготовлены промыш ленные партии горячекатаных термоупрочненных труб различного сортамента (0180x36; 0325x50; 0122x25 мм и др.). Закалка труб проводилась охлаждением на воз духе на холодильнике прокатных станов. В трубах рав номерно по длине обеспечиваются мартенситная струк тура и высокие характеристики прочности: а в = = 1090... 1150Н/мм2, Сто,2= 810...920 Н/мм2; и пластично сти: 5 = 14... 16 %, ц/ =51 ...66 %.
На Первоуральском новотрубном заводе осущест вили технологию совмещенного процесса формообразо вания с закалкой на воздухе при производстве насосно компрессорных труб (НКТ) 073x5,5 мм из НМС 08Х2Г2ФА и 07ХЗГНМЮА. Освоение новой технологии позволило в потоке массового производства трубопро катного агрегата ТПА 140-3 повысить прочность отече ственных НКТ с о ,= 680 до а в = 1000 Н/мм2
При горячей прокатке НКТ использовали обычную схему: прошивка, раскатка, редуцирование. Температура конца деформации составляла 950-1000 °С, закалка про исходила при охлаждении труб на холодильнике стана; скорость охлаждения была такова, что время до начала мартенситного превращения составило 3-4 мин. Общая длительность нахождения труб на холодильнике была 8-10 мин. Точность размеров труб определялась усло
виями горячей деформации. Медленное охлаждение на воздухе при закалке не вызывало дополнительного ко робления. Комплекс механических свойств и микро структура НКТ из низкоуглеродистых мартенситных сталей полностью соответствовали требованиям амери канского стандарта API-5ST. Варьирование режимами отпуска закаленных труб обеспечивало различный уро вень характеристик прочности, пластичности, вязкости. Это позволило организовать производство НКТ различ ных групп прочности в соответствии с требованиями ГОСТ 633-80 и ТУ 14-159-230-93 [9].
Новый технологический процесс освоен также при изготовлении термоупрочненного листового проката толщиной 5 = 3...20 мм и сортового проката 085 мм в условиях Волгоградского металлургического завода «Красный Октябрь». При охлаждении листа из НМС 12Х2Г2НМФТ, 07ХЗГНМЮА, 08Х2Г2ФА на холодиль нике прокатного стана «2000» и далее в стопах по 5-24 листа обеспечивается микроструктура низкоуглеро дистого мартенсита, что свидетельствует о полной про качиваемое™. Полностью закалился и сортовой прокат 085 мм из стали 07ХЗГНМЮА, охлажденный в потоке на холодильнике стана 450-1, а затем в штабелях.
Перспективно применение НМС и новой техноло гии при производстве термоупрочненного фасонного профиля и проката для насосных штанг. В условиях Ижевского металлургического завода изготовлена горя чим прессованием с закалкой на воздухе партия фасон ного профиля различного сечения из НМС 07ХЗГНМЮА; на Пермском АО «Камасталь» - насосные штанги 019 и 022 мм из стали 12ХЗГАФБ. Однородная мартенситная структура и отсутствие окалины, возни кающей от дополнительного нагрева под самостоятель ную операцию закалки, позволили повысить эксплуата ционные характеристики штанг в 3-4 раза, а также ис ключили операцию очистки. Новая экологически чистая технология совмещенного горячего формообразования
с последующей закалкой охлаждением на воздухе может быть использована при изготовлении термоупрочненного полуфабриката на любом металлургическом заводе. Она не требует применения специальных нагревательных и охлаждающих устройств и экологически вредных жид ких закалочных сред.
Промышленность Российской Федерации произво дит НМС в виде листа, ленты, сортового проката, поко вок. труб, фасонного профиля, эффективность примене ния нового класса сталей отражена на табл. 5.11.
Таблица 5.11
Эффективность применения НМС
Технологические особенности
Эффективность применения
Высокая прокали- |
Исключается обязательное при |
ваемость при ох |
менение жидких закалочных сред |
лаждении на воз |
Исключаются все виды брака при |
духе |
закалке в жидкие среды (образо |
Обеспечение |
вание трещин, коробление и др.) |
Облегчается обработка резанием, |
|
свойств в узком |
в т.ч. сердцевины термоупроч |
интервале значе |
ненных цементованных шестерен |
ний |
(Сто,2= 1000. ..1100 Н/мм2 вместо |
|
1000... 1500 Н/мм2) |
Отсутствие склон |
Исключается правка, вызванная |
ности к деформа |
деформацией при термообработ |
ции и короблению |
ке |
|
Обеспечивается бездеформаци- |
|
онная закалка конструкции, сва |
|
ренной из нетермоупрочненных |
|
элементов |
Технологические особенности
Эффективность применения
Совмещение горя Исключаются закалка, правка, чего формообразо транспортировка в термический
вания с закалкой |
цех |
на воздухе и в |
Обеспечивается изготовление |
штампах без ис |
точных термоупрочненных заго |
пользования жид |
товок в металлургическом произ |
ких сред |
водстве с точностью, которую га |
|
рантирует оборудование для об |
|
работки давлением |
Отсутствие обез |
Не требуются защита и дополни |
углероживания |
тельные припуски |
Хорошая свари |
Отсутствует склонность к холод |
ваемость в |
ным и горячим трещинам |
термоупрочненом, |
Исключается подогрев по сварку |
а„ > 1000 Н/мм2 |
Исключается ограничение време |
и нетермоупрочни между сваркой (сборкой) и от неном состояниях пуском
Ликвидируется зона термическо го влияния (при закалке конст рукции в целом)
Повышается надежность из-за устранения остаточных напряже ний сварки Возможна сварка сердцевины
термоупрочненных цементован ных и азотированных деталей
Конструкторские особенности
Экологические особенности
Эффективность применения
Обеспечение бла |
Возможно использование для |
гоприятного соче |
сложных сварных конструкций |
тания характери |
Возможна эксплуатация при зна |
стик прочности |
копеременных нагрузках |
и вязкости при |
Возможна эксплуатация в усло |
температурах |
виях Крайнего Севера |
до -50 °С (а0>2= |
Снижение веса на 20...30 % |
= 800... 1000 Н/мм2) |
Возможно применение для слож |
Хорошая дефор |
|
мируемость в хо |
ных нежестких сварных термо |
лодном состоянии, |
упрочненных конструкций, по |
в т.ч. термоупроч |
лучаемых с использованием хо |
ненном |
лодной деформации |
|
Возможно формообразование |
Технологичность |
элементов конструкции |
Проектирование с учетом новых |
|
Закаливаемость |
технологических возможностей |
Исключается применение жид |
|
при охлаждении на ких охлаждающих сред и про |
|
воздухе |
точной воды |
|
Устраняется необходимость ути |
|
лизации жидких охлаждающих |
|
сред |
|
Устраняется необходимость очи |
|
стки деталей после закалки |
Возможность со |
Исключается операция самостоя |
вмещения горячего тельной закалки (дополнитель
формообразования |
ный нагрев, окалина, очистка де |
с закалкой |
талей) |
Правка в термоуп |
Исключается длительная опера |
рочненном состоя |
ция отжига, необходимого для |
нии |
осуществления правки проката; |
|
уменьшается окапинообразование |