Пoвышение свойств сталей экологичным способом изотермической и ступенчатой закалки

Abstract

RUS: Актуальность работы. Повышение механических свойств сталей позволяет увеличить эксплуатационную стойкость деталей машин, что является важной задачей материаловедения. Одним из перспективных направлений в ее решении является получение у них многофазной структуры, одной из основных составляющих которой является метастабильный аустенит, претерпевающий при нагружении динамическое деформационное мартенситное превращение (ДДМП)-эффект самозакалки при нагружении (СЗН). Способами, обеспечивающее требуемую структуру, являются изотермическая и ступенчатая закалка. Однако в настоящее время при их проведении для охлаждения с температуры аустенитизации и выдержки при постоянной. температуре используются неэкологичные вещества: нагретое масло, расплавы солей или щелочей. В связи с этим актуальной проблемой является их исключение из технологического процесса. В работе на ряде сталей показана возможность решения этой проблемы. Цель работы – показать возможность повышения механических свойств исследованных сталей 30ХГСА, 38ХС, 45Г, 40ХН, 10Г12, 60Х18 применением рациональных режимов экологичного способа закалки сталей (изотермической – для низколегированных и ступенчатой – для высоколегированных) за счет получения в их структуре наряду с другими составляющими метастабильного остаточного аустенита и реализации эффекта СЗН. Методы исследования. Образцы исследованных сталей после аустенитизации (в ряде случаев с выдержкой в межкритическом интервале температур – МКИТ) охлаждались в воде до температуры образования нижнего бейнита (изотермическая закалка) или стабилизации переохлажденного аустенита к мартенситному превращению при охлаждении (ступенчатая закалка), после чего выдерживались в печи, и охлаждались на воздухе до комнатной температуры. Применялись дюрометрический, металлографический и рентгеновский методы исследования. Определялись механические свойства при растяжении и ударная вязкость. Эти свойства сравнивались с полученными у исследуемых сталей после типовой термообработки, включающей закалку в масле и отпуск. Результаты. Показано, что изотермическая и ступенчатая закалка исследованных сталей без использования неэкологичных веществ, проведенная по рациональным режимам, позволяет повысить механические свойства по сравнению с их уровнем после обычно применяемой закалки в масле (пожароопасно, пары концерогенны), и отпуска. Это достигается поучением многофазной структуры с метастабильным аустенитом. Научная новизна. Предложено для повышения механических свойств исследованных сталей получать у них многофазную структуру с метастабильным аустенитом проведением изотермической и ступенчатой закалки экологичным способом без использования нагретого масла, расплавов солей или щелочей. Практическая ценность. Для исследованных сталей определены режимы изотермической и ступенчатой закалки экологичным способом, позволяющие повысить механические свойства по сравнению с уровнем, достигаемым закалкой и отпуском. При этом в отличие от аналогичного типового способа закалки исключены затраты на приобретение солей или щелочей, их утилизацию, промывку изделий от них. По сравнению с закалкой и отпуском новый способ не требует применения масла и отпуска. Последнее улучшает экологию и снижает энергозатраты при термообработке. UK: Актуальність роботи. Підвищення механічних властивостей сталей дозволяє збільшити експлуатаційну стійкість деталей машин, що є важливим завданням матеріалознавства. Одним з перспективних напрямків в її вирішенні є отримання у них багатофазної структури, однією з основних складових якої є метастабільний аустеніт, що зазнає при навантаженні динамічне деформаційне мартенситне перетворення (ДДМП) – ефект самогартування при навантаженні (СГН). Способами, що забезпечують необхідну структуру, є ізотермічний і ступінчатий гарт. Однак в даний час при їх проведенні для охолодження з температури аустенітизації і витримки при постійній температурі використовуються неекологічні речовини: нагріте масло, розплави солей або лугів. У зв’язку з цим актуальною проблемою є виключення їх з технологічного процесу. В роботі на ряді сталей показана можливість вирішення цієї проблеми. Мета роботи – показати можливість підвищення механічних властивостей досліджених сталей 30ХГСА, 38ХС, 45Г, 40ХН, 10Г12, 60Х18 застосуванням раціональних режимів екологічного способу гартування сталей (ізотермічного для низьколегованих і ступінчастого для високолегованих) за рахунок отримання в їх структурі поряд з іншими складовими метастабільного залишкового аустеніту і реалізації ефекту СГН. Методи дослідження. Зразки досліджених сталей після аустенітизації (в ряді випадків з витримкою в межкрітіческій інтервал температур МКІТ) охолоджувалися в воді до температури утворення нижчого бейнита (ізотермічний гарт) або стабілізації переохолодженого аустеніту до мартенситного перетворення при охолодженні (ступінчатий гарт), після чого витримувалися в печі, і охолоджувалися на повітрі до кімнатної температури. Застосовувалися дюрометрічний, металографічний і рентгенівський методи дослідження. Визначалися механічні властивості при розтягуванні і ударна в’язкість. Ці властивості порівнювалися з отриманими у досліджуваних сталей після типовий термообробки, що включає гартування в маслі і відпуск. Результати. Показано, що ізотермічний і ступінчатий гарт досліджених сталей без використання неекологічних речовин, проведений по раціональним режимам, дозволяє підвищити механічні властивості в порівнянні з їх рівнем після гартування в маслі (пожаронебезпечне, пари канцерогенні) і відпуску, що зазвичай застосовується. Це досягається отриманням багатофазної структури з метастабільним аустенітом. Наукова новизна. Запропоновано для підвищення механічних властивостей досліджених сталей отримувати у них багатофазну структуру з метастабільним аустенітом проведенням ізотермічного і ступінчатого гартування екологічним способом без використання підігрітого масла, розплавів солей або лугів. Практична цінність. Для досліджених сталей визначені режими ізотермічного і ступінчастого загартування екологічним способом, що дозволяють підвищити механічні властивості в порівнянні з рівнем, що досягається при загартуванні і відпуску. При цьому на відміну від аналогічного типового способу гарту виключені витрати на придбання солей або лугів, їх утилізацію, промивку виробів від них. У порівнянні з гартуванням і відпуском новий спосіб не вимагає застосування масла та відпуску. Останнє покращує екологію, знижує енерговитрати при термообробці. EN: The relevance. Improving the mechanical properties of steels makes it possible to increase the service life of machine parts, which is an important task in materials science. One of the promising directions in its solution is to obtain in steel a multiphase structure, one of the main components of which is metastable austenite, which undergoes a dynamic deformation martensitic transformation (DDMT) - self-hardening effect under loading (SHL). Methods providing the required structure are isothermal and step quenching. However, at present, when they are carried out for cooling from the austenitizing temperature and holding at the constant temperature used non-environmentally friendly substances: heated oil, molten salts or alkalis. In this regard the actual problem is the exclusion of them from the technological process. The possibility of solving this problem on several steels has shown. Purpose is to show the possibility of increasing the mechanical properties of the studied steels 30ХГСА, 38ХС, 45Г, 40ХН, 10Г12, 60Х18 by using rational modes of an environmentally friendly method of steels quenching (isothermal - for low-alloyed and step - for high-alloyed) due to obtaining in their structure along with other components of metastable residual austenite and the implementation of the SHL effect. Research methods. Samples of the investigated steels after austenitization (in some cases with holding in IСIT) were cooled in water to the temperature of lower bainite formation (isothermal quenching) or stabilization of supercooled austenite to martensitic transformation upon cooling (step quenching), after which they were kept in a furnace and cooled in air to room temperature. Durometric, metallographic and X-ray research methods were used. The tensile properties and impact strength were determined. These properties were compared with those obtained for the studied steels after a typical heat treatment, including quenching in oil and tempering. Results. It is shown that isothermal and step quenching of the investigated steels without the use of non-environmentally friendly substances, carried out according to rational modes, makes it possible to increase the mechanical properties in comparison with their level after the commonly used quenching in oil (fire hazard, the vapors are cancerogenic) and tempering. This is achieved by obtaining a multiphase structure with metastable austenite. Scientific novelty. It is proposed to obtain a multiphase structure with metastable austenite in them to improve the mechanical properties of the studied steels by conducting isothermal and step quenching in an environmentally friendly way without using heated oil, molten salts or alkalis. Practical value. For the studied steels the modes of isothermal and step quenching are determined in an environmentally friendly way, which make it possible to increase the mechanical properties in comparison with the level achieved by quenching and tempering. Wherein in contrast to a similar typical quenching method are excluded the costs of purchasing salts or alkalis, their disposal and washing of products from them. Compared to quenching and tempering, the new method does not require the use of oil and tempering. The latter improves ecology and reduces energy consumption during heat treatment.