Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

STUDY THE PROPENSITY TO OVERHEAT STEEL SYSTEMS H3G3MFS AND HN3MFS

Abrosimova A.A. 1 Vagin R.A. 1 Panov D.O. 1 Simonov Yu.N. 1
1 Perm National Research Polytechnic University
Данная работа посвящена определению склонности к перегреву сталей систем легирования Х3Г3МФС и ХН3МФС. В работе исследовали стали 25Х3Г3МФС, 25Х3Г3МФС2, 45Х3Г3МФС, 45Х3Г3МФС2, 25ХН3МФС, 25ХН3МФС2, 45ХН3МФС, 45ХН3МФС2. Каждую сталь нагревали до температур 1000 ºС, 1050 ºС, 1100ºС, 1150 ºС и 1200 ºС, выдержка составляла 30 минут с последующим охлаждением на воздухе. Металлографический анализ проводили с использованием светового микроскопа OlympusGX 51 при увеличениях до 1000 крат на травленных косых микрошлифах, размер зерна определяли с помощью программы Olympus Stream Motion. По результатам эксперимента были построены графики зависимостей размера аустенитного зерна от температуры нагрева. По результатам металлографических исследований сталей систем легирования Х3Г3МФС и ХН3МФС можно сделать вывод о том, что при повышении содержания кремния (%, масс.) температура рекристаллизации аустенита повышается. Исследование сталей системы Х3Г3МФС показало, что при повышении содержания углерода температура рекристаллизации аустенита понижается. В ходе проведенных исследований установлено, что плавки 25Х3Г3МФС2 и 25ХН3МФС2 наименее склонны к перегреву.
This paper investigates the propensity to overheat steel alloying systems H3G3MFS and HN3MFS. In this paper we have investigated steel 25H3G3MFS, 25H3G3MFS2, 45H3G3MFS, 45H3G3MFS2, 25HN3MFS, 25HN3MFS2, 45HN3MFS, 45HN3MFS2. Each steel is heated to a temperature of 1000 °C, 1050 ºC, 1100 °C, 1200 °C and 1150 ºC, exposure was 30 minutes, followed by cooling in air. Metallographic analysis was performed using a light microscope at magnifications OlympusGX 51 to 1000-fold in the etched skew microsections grain size was determined using the Olympus Stream Motion. The experiment results were plotted as austenitic grain size on the heating temperature. According to the results of metallographic investigations steel alloying systems H3G3MFS HN3MFS and it can be concluded that with increasing silicon content (% wt.) recrystallization temperature of austenite increases. The study was a system H3G3MFS showed that with increasing carbon content of the recrystallization temperature of austenite is lowered. During the studies found that the melting 25H3G3MFS2 and 25HN3MFS2 less prone to overheating.
the system of doping
the recrystallization temperature
grain austenite structural heredity tendency to overheat

В современном машиностроении существует потребность в материалах обладающих высоким уровнем механических свойств, которые определяются химическим составом и структурой. Базовым параметром структуры, который определяет качество стальных изделий, является размер аустенитного зерна.

Перспективной группой материалов являются системно легированные стали типа ХН3МФС и Х3Г3МФС, так как при проведении термической обработки этих сталей можно получить структуру беcкарбидного бейнита [1], обладающего достаточно высокой прочностью, за счет структуры бейнита, и высокой пластичностью, за счет остаточного аустенита. В результате ранее проведенных дилатометрических исследований было установлено, что критическая точка Ас3 у этой группы сталей находится на уровне 950°С. Поэтому целесообразно исследовать данные стали на склонность к перегреву при температурах выше Ас3. Научное исследование в этом направлении позволит выбрать стали с таким химическим составом, у которых склонность к перегреву будет минимальной.

Таким образом, целью данной работы является исследование склонности к перегреву сталей систем легирования Х3Г3МФС и ХН3МФС.

Материалы и методы исследования

В работе исследовали стали марок 25Х3Г3МФС, 25Х3Г3МФС2, 45Х3Г3МФС, 45Х3Г3МФС2, 25ХН3МФС, 25ХН3МФС2, 45ХН3МФС, 45ХН3МФС2, химический состав которых приведен в таблице 1.

Таблица 1

Химический состав исследуемых сталей, % (масс.).

Марка стали

Содержание элементов

С

Si

Mn

Cr

Mo

Ni

V

25Х3Г3МФС

0,318

1,57

2,380

2,87

0,626

0,378

0,159

25Х3Г3МФС2

0,317

>2.50

2.410

2.87

0.597

0.349

0.154

45Х3Г3МФС

0.430

1.73

2.320

2.66

0.463

0.506

0.130

45Х3Г3МФС2

0.421

2.66

2.480

2.67

0.485

0.409

0.096

25ХН3МФС

0.304

1.61

0.268

2.85

0.501

3.120

0.128

25ХН3МФС2

0.313

2.96

0.257

2.77

0.512

3.250

0.122

45ХН3МФС

0.425

1.57

0.287

1.74

0.479

3.120

0.159

45ХН3МФС2

0.411

>2.50

0.297

1.73

0.469

3.040

0.0631

При исследовании образцы сталей, подготовленные по методике [2], подвергали нагреву до температур 1000 ºС, 1050 ºС, 1100 ºС, 1150 ºС и 1200 ºС, выдержке 30 минут и последующему охлаждению на воздухе. В результате чего получили зерно аустенита [3] различного размера.

Микрошлифы изготавливали в несколько этапов: на абразивных шкурках Р240, Р320, Р600, Р1200, Р2000 последовательно сошлифовывали поверхностный слой до момента удаления следов от предыдущей шкурки со сменой направления шлифования на 90 °. Полировку поверхности образца производили на полировочном круге с использованием сукна и алмазной пасты. После полирования образец промывали водой, обезжиривали тампоном, смоченном в спирте, и сушили фильтровальной бумагой. Далее полированную поверхность образца подвергали травлению 4 %-м раствором азотной кислоты в этиловом спирте. Косой шлиф после термической обработки изготавливали таким же образом, но под углом к исходной поверхности.

Металлографический анализ проводили на травленных косых микрошлифах с использованием светового микроскопа Olympus GX 51 при увеличениях до 1000 крат. Размер зерна определяли с помощью программы Olympus Stream Motion.

На полученных изображениях поверхности исследуемого материала измеряли средний размер аустенитного зерна, для этого произвольно размещали несколько отрезков длиной L на снимок измеряемого образца и подсчитывали размер отдельно взятого зерна. Средний размер аустенитного зерна определяли по формуле: lср= (l1+l2+…+ln)/n, где: l – размер зерна, мм; n – число измерений. Замер проводили не менее двадцати наиболее типичных зерен на каждом изображении в общем случае не менее 50 раз.

Результаты исследования и их обсуждение

По результатам металлографического анализа сталей с системами легирования Х3Г3МФС и ХН3МФС после перегревов до различных температур получили изображения зеренной структуры аустенита, которые приведены на рисунках 1 и 2.

Рис. 1. Зереная структура аустенита сталей 25Х3Г3МФС (а‑в), 25Х3Г3МФС2 (г‑е), 45Х3Г3МФС (ж‑и) и 45Х3Г3МФС2 (к‑м) после нагрева до температур: а, г, ж, к - 1000°С; б, д, з, л - 1100°С; в, е, и, м - 1200°С

Рис. 2. Зереная структура аустенита сталей 25ХН3МФС (а‑в), 25ХН3МФС2 (г‑е), 45ХН3МФС (ж‑и) и 45ХН3МФС2 (к‑м) после нагрева до температур: а, г, ж, к - 1000°С;
б, д, з, л - 1100°С; в, е, и, м - 1200°С

Средние значения размеров аустенитных зерен и доверительные интервалы, полученные в результате статистического анализа структур сталей с системой легирования Х3Г3МФС (рис. 1) представлены в таблице 2, а для случая сталей с системой легирования ХН3МФС (рис. 2) – в таблице 3.

Таблица 2

Средние размеры зерен аустенита и доверительные интервалы для сталей с системой легирования Х3Г3МФС после нагрева до различных температур

Сталь

d±∆d, мкм

1000°С

1050°С

1100°С

1150°С

1200 °С

25Х3Г3МФС

35±3

25±3

36±3

57±4

154±5

25Х3Г3МФС2

31±4

33±4

24±2

32±3

46±3

45Х3Г3МФС

21±2

22±2

27±2

46±4

157±6

45Х3Г3МФС2

62±4

23±3

37±4

42±2

96±6

В результате исследований было обнаружено, что у сталей 25Х3Г3МФС и 45Х3Г3МФС2 средний размер аустенитного зерна в интервале температур нагрева 1000-1050 °С уменьшается, что объясняется прошедшей в этом интервале температур рекристаллизацией восстановленного исходного аустенитного зерна [4, 5].

В стали 25Х3Г3МФС2 обнаружена рекристаллизация аустенита в интервале более высоких температур 1050-1100 °С. Более высокая температура рекристаллизации этой стали по сравнению со сталью 45Х3Г3МФС2 обусловлена меньшим содержанием углерода, а в сравнении со сталью 25Х3Г3МФС – увеличенным содержанием кремния.

Таблица 3

Средние размеры зерен аустенита и доверительные интервалы для сталей с системой легирования ХН3МФС после нагрева до различных температур

Сталь

d±∆d, мкм

1000°С

1050°С

1100°С

1150°С

1200 °С

25ХН3МФС

26±2

23±2

41±3

71±5

97±3

25ХН3МФС2

54±4

26±3

25±3

29±3

54±3

45ХН3МФС

22±2

20±3

36±3

69±4

106±6

45ХН3МФС2

74±4

40±2

42±3

45±4

64±4

В ходе испытания было установлено, что в сталях 25ХН3МФС2 и 45ХН3МФС2 температура рекристаллизации находится в интервале температур 1000-1050 °С, то есть при более высоких температурах по сравнению со сталями 25ХН3МФС и 45ХН3МФС, у которых явления рекристаллизации аустенита в исследованном интервале температур не обнаружено. Повышение температуры рекристаллизации аустенита в сталях 25ХН3МФС2 и 45ХН3МФС2 вызвано увеличенным содержанием кремния в составе.

По результатам исследования были построены графики зависимости среднего размера аустенитного зерна от температуры нагрева для сталей с системой легирования Х3Г3МФС и ХН3МФС (рис. 3).

 а   б

Рис. 3. График зависимости среднего аустенитного зерна от температуры нагрева сталей с системой легирования Х3Г3МФС (а) и ХН3МФС (б)

Анализируя полученные данные (рис. 3), можно сказать, наибольшую склонность к росту аустенитного зерна при нагреве показали стали 25ХН3МФС, 45Х3Г3МФС, 25ХН3МФС и 45ХН3МФС. Наименьшую склонность к перегреву имеют стали 25Х3Г3МФС2 и 25ХН3МФС2, так как при перегреве в область температур 1100 – 1200 °С у этих сталей наблюдается наименьший размер зерна в своих системах легирования.

Выводы

По результатам металлографических исследований сталей систем легирования Х3Г3МФС и ХН3МФС, можно сделать вывод о том, что при повышении содержания кремния температура рекристаллизации аустенита повышается.

При повышении содержания углерода в сталях системы Х3Г3МФС наблюдается также рост температуры рекристаллизации аустенита, однако в сталях системы легирования ХН3МФС такой закономерности не выявлено.

В ходе проведенных исследований установлено, что плавки 25Х3Г3МФС2 и 25ХН3МФС2 наименее склонны к перегреву.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (договор № 02.G25.31.0068 от 23.05.2013 г. в составе мероприятия по реализации постановления Правительства РФ № 218).

Рецензенты:

Беленький В.Я., д.т.н., профессор, декан МТФ ПНИПУ, г. Пермь;

Ханов А.М., д.т.н., профессор, зав. кафедрой КМиТОМ ПНИПУ, г. Пермь.