Механические свойства и кавитационная стойкость аустенитных сталей

Марка стали	σ 0,2	σв	δ	ψ	КСU, МДж/м2	Потери массы, мг, за 10 ч испытаний
	МПа		%
10Х18Н10Т 30Х10Г10 03Х14АГ12М 20Х13Н3Г4	330 340 450 320	620 790 955 1530	44 16 45 24	52 9 49 15	2,4 1,2 2,8 2,3	1250 15 150 40

Представления об использовании метастабильной структуры для повышения служебных свойств были развиты впоследствии в работах многих исследователей, применивших синергетические представления в материаловедении и показавших всеобщность явления структурной приспособляемости материалов, самоорганизации структуры, направленной на уменьшение интенсивности повреждающих факторов внешнего воздействия. МАС являются наиболее яркими материалами, проявляющими свойства синергетических систем. Повышение износостойкости и усталостной прочности таких сталей по сравнению со стабильными аустенитными сталями близкого состава достигается за счёт проявления эффектов от развития ДМП в метастабильном аустените в процессе воздействия на поверхность абразивных частиц и циклического нагружения – интенсивного упрочнения при нагружении и создания сжимающих напряжений на поверхности вследствие образования мартенситных фаз и релаксации напряжений в момент фазовых превращений (микроПНП-эффекта (ПНП – пластичность, наведённая превращением).

МАС целесообразно использовать в условиях, когда рабочая температура среды не превышает М_д γ→ε→α-превращений. В противном случае кавитационная стойкость, абразивная, гидроабразивная стойкость и циклическая прочность будут снижаться.

Кавитационно-стойкие МАС используют для изготовле­ния литых деталей гидромашин (лопасти гидротурбин и гидронасосов, судовых гребных винтов) и других деталей, работающих в условиях изнашивания при кавитации, а также выпускают в виде листа и электродов для защитной облицовки или наплавки деталей из углеродистых сталей. Однако изготовление гребных винтов судов на подводных крыльях, имеющих сложную геометрическую форму, в цельнолитом или сварно-литом вариантах из кавитационно-стойких МАС не получило широкого распространения вследствие технологических трудностей. Поэтому наплавка и облицовка лопастей гидротурбин, насосов и других деталей, в том числе методом сварки взрывом, служит основным технологическим способом использования кавитационно-стойких МАС.

Принцип Богачёва–Минца как научная основа решения проблемы повышения контактной прочности металлических сплавов, выбора материалов и режимов их термической обработки оказался плодотворным и для других видов изнашивания, однако применительно к каждому виду механического изнашивания использование положения о необходимости соблюдения правила метастабильности аустенита (М_н < 20 ⁰С, или температуры эксплуатации во избежание появления хрупких кристаллов мартенсита охлаждения, М_д > 20 ⁰С, для обеспечения образования мартенсита деформации) конкретное наполнение этого положения должно быть разным.

Преимущества МАС системы Fe–Mn–Cr–C перед стабильными сталями близкого состава могут быть реализованы тогда, когда конкретным условиям эксплуатации (усталостное, абразивное, ударно-абразивное изнашивание, гидро- и газоабразивное, эрозионное, кавитационное, циклическое контактно-ударное воздействие) соответствует сталь определённого химического состава. При правильном выборе состава хромомарганцевого аустенита (сочетания углерода, хрома и марганца) обеспечивается благоприятная кинетика мартенситных превращений и достигаются свойства образующихся мартенситных фаз для реализации микроПНП эффекта, и сильного упрочнения микрообъёмов рабочей поверхности деталей машин. Например, для сталей, способных успешно противостоять абразивному изнашиванию, содержание углерода в метастабильном аустените должно быть не менее 0,6 %, чтобы их стойкость при испытании по закреплённому абразиву достигла таковой для стали 110Г13Л. Сталь 30Х10Г10Л, имея на порядок более высокую, чем сталь 110Г13Л, кавитационную стойкость, уступает этой стали по абразивной износостойкости вследствие невысокого содержания углерода в мартенсите деформации, что не обеспечивает достаточно высокого уровня упрочнения рабочей поверхности, несмотря на активную кинетику деформационных мартенситных превращений (ДМП).

В последнее время получило некоторое развитие направление разработки экономно-легированных марганцевых сталей со структурой метастабильного аустенита. Это обусловлено необходимостью экономии дефицитного ферромарганца и снижения остроты экологических проблем при выплавке высокомарганцевых сталей, с одной стороны, и возможностью повышения абразивной износостойкости за счёт увеличения способности к упрочнению метастабильного марганцевого аустенита при образовании мартенсита деформации – с другой.

В результате снижения концентрации марганца до 7¸9 % сталь становится метастабильной по отношению к развитию ДМП, вызванного воздействием абразивных частиц на рабочую поверхность отливок, что обусловливает рост абразивной износостойкости, сопровождающийся, однако, уменьшением ударной вязкости, особенно при отрицательных температурах. Заметно более высокую износостойкость (на 40¸50 % по сравнению со сталью 110Г13Л) имеет сталь Т. Нормана с пониженным содержанием марганца – 120Г6Л, однако низкая ударная вязкость позволяет использовать эту сталь лишь в условиях чисто абразивного изнашивания. Для повышения ударной вязкости Норман предложил легировать сталь 1 % Мо, однако сталь 120Г6МЛ не нашла заметного практического применения по технологическим и экономическим соображениям.

На основе линейной зависимости температур М_д и М_н от химического состава этих и других сталей и изучения кинетики мартенситных превращений, протекающих в процессе охлаждения и пластической деформации в широком диапазоне составов сталей, а также с учётом литературных данных построена концентрационная диаграмма мартенситных превращений и износостойкости сталей системы Fе–Mn–C с содержанием углерода 0,3¸1,4 %, которая предоставляет возможность рационального выбора химического состава сталей, стойких в различных условиях изнашивания (рис. 4.9).

Обоснованный выбор химического состава метастабильной аустенитной марганцевой стали с повышенной по сравнению со сталью 110Г13Л износостойкостью при абразивном изнашивании с учётом снижения хладостойкости в первом приближении можно сделать, используя эту диаграмму, на которую нанесены пограничные линии областей с различной стабильностью аустенита. 

 

Рис. 4.9. Обобщённая диаграмма стабильности аустенита, абразивной износостойкости
и положения условного порога хладноломкости сталей системы Fe–Mn–C: JGQF – область
состава стали 110Г13Л по ГОСТ 977-88; BEFC – область составов экономнолегированных износостойких сталей со структурой относительно стабильного аустенита; ABCD – область составов износостойких сталей со структурой метастабильного аустенита; 1–3 – границы составов износостойких сталей, для которых точка М_н выше 20^оС (1), сталей со структурой
метастабильного аустенита (2), сталей со структурой относительно стабильного аустенита (3). Цифры у кривых от 0,90 до 1,50 показывают износостойкость сталей по отношению к стали 110Г13Л*.

Диаграмма на рис. 4.9 разделена на 4 области, обозначенные римскими числами, в каждой из которых расположены составы сталей с определённой стабильностью аустенита по отношению к мартенситным превращениям при охлаждении и протекающим на рабочей поверхности в процессе абразивного изнашивания:

– область І (ограничена линией 1, М_н = 20 ^оС) – стали мартенситно-аустенитного класса, в которых мартенсит присутствует уже после охлаждения до комнатной температуры. При равном содержании углерода стали этой группы с пониженной концентрацией марганца имеют максимальную износостойкость (до 1,5), однако низкая ударная вязкость не позволяет использовать их в условиях ударно-абразивного изнашивания;

– область ІІ (–196 ^оС < М_н < 20 ^оС, ограничена линией 2, М_н = –196 ^оС) – стали переходного класса, аустенит которых частично превращается в мартенсит при охлаждении до температуры жидкого азота;

– область ІІІ ( М_н <–196 ^оС, М_д > 20 ^оС, ограничена линией 3,
М_д = 20 ^оС) – метастабильные аустенитные стали, мартенсит в которых образуется только деформационным путём при абразивном воздействии.

Перспективные составы сталей для работы в условиях ударно-абразивного изнашивания находятся в областях ІІ и ІІІ (область АВЕГСD
на рис. 4.9) с износостойкостью, на 20¸40 % превышающей износостойкость стали 110Г13Л, например 120Г7Л. Ударная вязкость такой стали (КСU ₊₂₀ ^о_С =
= 0,8¸1,0 МДж/м²) позволяет использовать её для некоторых видов отливок, эксплуатирующихся при положительных температурах, вместо стали 110Г13Л.

Сталь 110Г13Л во всём диапазоне марочного состава (область IGQF на
рис. 4.9) находится в состоянии стабильного аустенита (область ІV, М_д<–196 ^оС) и имеет износостойкость, принятую за эталон (1,0).

Выбор состава экономно-легированной МАС можно производить на основе приведённой на рис. 4.9 диаграммы с учётом условий работы отливок в отношении сочетания ударных нагрузок и абразивного изнашивания, а также температуры эксплуатации. На диаграмме нанесены линии равной условной хладостойкости (Т₅₀), соответствующие температурам +40 ^оС, +20 ^оС, 0 и –40 ^оС. Эти линии соответствуют температурам, при которых значения КСU для данной стали снижаются примерно в 2 раза и составляют примерно 0,9 МДж/м² (значение, обеспечивающее в большинстве случаев достаточный запас вязкости при ударном нагружении). Зная условия работы отливки, можно определить минимально допустимое содержание марганца в стали. В зависимости от категории отливок содержание марганца может быть снижено до 7¸8 % (бронефутеровочные плиты мельниц самоизмельчения, стержневых и некоторых типов шаровых мельниц, другие детали горно-металлургического оборудования, работающие в условиях преимущественно абразивного изнашивания, износостойкость равна 1,2¸1,3) или до 9¸10 % (траки гусеничных машин, бронефутеровочные плиты различных мельниц и дробилок и другие детали, работающие при воздействии умеренных ударных нагрузок, износостойкость равна 1,1). Снижение содержания марганца по отношению к марочному составу стали 110Г13Л для наиболее ответственных отливок, подвергающихся действию интенсивных ударных нагрузок при пониженных температурах (железнодорожные стрелки и крестовины, зубья ковшей экскаваторов, конусы и щёки дробилок), не рекомендуется в связи с уменьшением значений ударной вязкости, особенно при отрицательных температурах
(рис. 4.10).

Аналогичное влияние на повышение порога хладноломкости оказывает уменьшение концентрации углерода в стали при постоянной концентрации марганца в связи с прогрессирующей потерей стабильности аустенита по мере снижения температуры испытания.

 

 

Рис. 4.10. Температурная зависимость ударной вязкости сталей системы
Fe–Mn–C: 1 – 110Г13Л (область ІV диаграммы на рис. 4.9), 2 – 110Г9Л (область ІV),
3 – 60Г13Л (область ІІІ), 4 – 110Г7Л (область ІІІ), 5 – 50Г13Л (область ІІ),
6 – 35Г13Л (область І)

Выбор состава хромомарганцевых МАС для отливок, работающих в условиях циклического контактно-ударного нагружения и ударно-абразивного изнашивания. На основании комплексного изучения взаимосвязи кинетики ДМП с механическими свойствами и поведением сталей системы Fе–Mn–Cr–C в широком интервале концентрации по углероду, марганцу и хрому при разных способах динамического контактного нагружения в отношении сочетания истирающих и ударных нагрузок определены 3 группы составов сталей, представляющих интерес для их практического использования:

1. 0,5¸0,7 % С, 7¸14 % Mn, 0¸5 % Cr;

2. 0,75¸0,95 % С, 7¸8 % Mn, 2¸4 % Cr;

3. 1,0¸1,4 % С, 5¸10 % Mn, 0¸2 % Cr.

Стали имеют различную величину ЭДУ аустенита (возрастающую от 1-й группы к 3-й) и разную вследствие этого кинетику ДМП, различную морфологию и количество образующихся в процессе деформации мартенситных фаз, различную способность к деформационному упрочнению и износостойкость при разных условиях изнашивания.

– Сталь 1-й группы (типа 60Г10Х4(М)Л), имеющая активную кинетику γ→ε→α'^, мартенситных превращений уже при небольших степенях деформации, обеспечивает этим сталям высокий уровень деформационного упрочнения и преимущество перед сталью 110Г13Л по сопротивлению расклёпыванию. Они рекомендуются для отливок, работающих в условиях циклического контактно-ударного нагружения при наличии или в отсутствие абразивного изнашивания (крестовины железнодорожных рельсов и стрелок, бронефутеровочные плиты шаровых мельниц большого диаметра). Метастабильная аустенитная сталь с относительно высокой термической устойчивостью аустенита типа 60Г13Л рекомендуется в качестве материала основы комбинированных биметаллических отливок «сталь-износостойкий чугун» и цельнолитых отливок, используемых в условиях ударно-абразивного изнашивания в литом состоянии без закалки
(КCU ³0,8 МДж/м²) или после закалки комбинированных отливок (била молотковых дробилок, бронефутеровочные плиты разных типов, зубья ковшей экскаваторов).

– Сталь 2-й группы – типа 80Г7Х3Л, имеющая более высокое сопротивление абразивному изнашиванию (1,3) по сравнению со сталью 110Г13Л при достаточном запасе ударной вязкости КCU ³0,6 МДж/м², – рекомендуется для изготовления отливок, работающих в условиях интенсивного ударно-абразивного изнашивания, (бронефутеровочные плиты стержневых мельниц).

– Стали 3-й группы – типа 120Г7Х2Л, 110Г9ХЛ (КCU ³0,6 МДж/м²), 145Г5ХЛ (КCU ³0,4 МДж/м²) – рекомендуются для изготовления отливок, работающих в условиях преимущественно абразивного изнашивания, – бронефутеровочных плит мельниц самоизмельчения, некоторых типов стержневых и шаровых мельниц; увеличение доли ударных нагрузок требует повышения содержания марганца в сталях до 8¸10 %, что снижает абразивную стойкость. Эксплуатационная стойкость этих сталей близка к стойкости отливок из стали 110Г13Л или превышает её в 1,3¸1,6 раза при экономии ферромарганца в процессе их изготовления.

МАС являются износостойкими материалами, проявляющими свойства синергетических систем при контактном нагружении. Повышение износостойкости и усталостной прочности таких сталей по сравнению со стабильными аустенитными сталями близкого состава достигается за счёт проявления эффектов от развития деформационных мартенситных превращений в метастабильном аустените в процессе воздействия на поверхность абразивных частиц, быстротекущих потоков жидкости или газа – интенсивного упрочнения при нагружении, создания сжимающих напряжений на поверхности вследствие образования мартенситных фаз и релаксации напряжений в момент фазовых превращений (микроПНП-эффекта).

⇐ Предыдущая19202122232425262728Следующая ⇒

Поделиться: