Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

RESEARCH OF PROPERTIES OF CORROSION-RESISTANT STEEL FOR PRODUCTS OF THE AIRCRAFT EQUIPMENT

Kurakova N.P. 1 Gavrin V.S. 1 Gavrilov G.N. 1 Kostromin S.V. 1
1 Nizhny Novgorod State Technical University R.E. Alexeyeva
Data on development of a mode of heat treatment of constructional steel of transitional class 13X15H4AM3 are presented in article. Are submitted influences of modes of tempering on mechanical properties with the subsequent processing by cold and leave and literary data of research of dependences of mechanical properties from temperatures of leave and processing by cold at a fixed temperature of tempering. Research of tensile strength and impact resistance from temperature tempering with the subsequent processing by cold was made at a temperature -70 0C 2 h. and leave at a temperature of 200 0C–350 0C within 1 hour. According to the obtained data the optimum temperature of tempering after which the best combination of tensile strength and impact resistance is reached was established. Metallography research of samples was made, after carrying out the chosen mode of heat treatment.
steel of transitional class
impact resistance
tensile strength

Высокопрочная сталь переходного аустенитно-мартенситного класса 13Х15Н4АМ3 обладает хорошим сочетанием прочности, ударной вязкости и пластичности.

За счёт изменения режимов термической обработки в структуре стали изменяется соотношение фаз, что позволяет получать изделия с заданными характеристиками прочности и вязкости [6].

Сталь 13Х15Н4АМ3 подвергают закалке от 1070±10°С, после которой структура состоит из мартенсита и аустенита. С целью увеличения мартенситной доли в структуре стали, изделия подвергают обработке холодом (-50 °С, 4ч или -70 °С, 2 ч), после которой проводят отпуск (старение).

В процессе определения оптимальной температуры закалки образцы из стали 13Х15Н4АМ3 закаливались от температур 950 0С, 1000 0С, 1050 0С, 1100 0С, 1150 0С, с последующей обработкой холодом при -70 0С в течение 2 ч. и отпуском при температуре 200–350 0С в течение 1 ч. После проведения термической обработки производились механические испытания с определением прочности и ударной вязкости [4,5]. Результаты испытаний приведены на рисунках 1 и 2.

Рис. 1. Зависимость предела прочности стали 13Х15Н4АМ3 от температуры закалки, с последующей обработкой холодом при -70°С в течении 4 ч. в и отпуском при 350 °С, 1 ч.

Рис. 2 - Зависимость ударной вязкости стали 13Х15Н4АМ3 от температуры закалки, с последующей обработкой холодом при -70°Св течение 4 ч. и отпуском при 350 °С, 1 ч.

Из анализа зависимости механических свойств от температуры отпуска и температур более высокого нагрева видно (рис 3), что нагрев до 200°–450°С, особенно для случая выдержки в течение 5 ч, обеспечивает уровень прочности ?В=1500 – 1600 МПа, однако пос­ле отпуска при 450 °С сталь становится более хруп­кой, т. к. снижается ударная вязкость [2].

Рис. 3. Влияние температуры отпуска на механические свойства:

1 – время выдержки 1 ч; 2 – время выдержки 5 ч;

Термообработка: закалка с 1070°С, + обработка холодом (-70°) -2 ч отпуск

Отказ от старения при 450 °С, при которой наблюдается максимальное значение прочности, и выбор температу­ры 350 °С вместо 200 °С, обусловленный соображе­ниями сохранения необходимой теплопрочности де­талей, вызвал есте­ственное снижение предела прочности до 1400±10МПа.

Этот уровень в большин­стве случаев не удо­влетворяет предъяв­ляемым к конструк­ции требованиям. Поэтому были пред­приняты попытки по­высить его путем из­менения других опе­раций термической обработки, но с со­хранением темпера­туры 350 °С.

Проблема получе­ния необходимых механических свойств в этом случае принципиально может решаться следующим образом:

— понижением температуры нормализации;

— понижением температуры и увеличением времени при обработке холодом.

Первый, наиболее приемлемый в технологическом отношении, фактор повышения прочности отпадает из-за недопустимости образования в большом коли­честве карбидных сеток по границам зерен.

При исследовании установлено, что понижение температуры обработки холодом не дает желаемого результата, так как про­цесс упрочнения при обработке холодом практиче­ски стабилизируется при температуре -80 °С. Мак­симальный перепад предела прочности, полученный обра­боткой при -70 ° и -190 °С, составляет 40–50МПа (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость механических свойств от температуры обработки холодом.

Термообработка по режиму: Закалка от 1070 °С + обработка холодом в течении 2 ч + отпуск при 350°С, 1 ч.

Приведенная зависимость получена по ре­зультатам испытаний образцов 20 промышленных плавок. Увеличение времени выдержки при обра­ботке холодом малоэффективно, так как после 4–5 ч выдержки количество мартенситной фазы достигает максимального значения и остается на одном уровне даже после выдержки в течение 12 ч. и более.

Таким образом, основным фактором, способным повлиять на конечное значение прочности, является температура отпуска. Строгое соблюдение установленного режи­ма термической обработки: закалка от 1070 °С+обработка холодом при -50° в течении 4 ч или при -70°С- 2ч + отпуск при 200 - 350°С – обеспечива­ет во всех случаях получение высоких пластических свойств (Ψ≥55 %, δ≥15 %, КСU≥12 МДж/м2), струк­турной однородности металла и определенной кор­реляционной зависимости между твердостью и фактической прочностью в интервале 1400-1600 МПа.

Наиболее целесообразной темпе­ратурой отпуска является интервал 200–350 °С; вы­бор крайних или средних значений зависитот требуемой экс­плуатационной теплостойкости каждой конкретной детали и узла. При этом следует учитывать, что повышение рабочей температуры детали, предварительно отпущенной при 200°С, до 250-350°С при­водит к естественному снижению прочности: в слу­чае кратковременного одноразового нагрева - с 1550 до 1460 МПа и после нагрева в течение 5 ч и более – до 1400±10 МПа [3].

Закалка деталей от температур ниже 1070 °С приводит к неполному растворению карбидной фазы, образующейся по границам зёрен, при предварительной термической обработке, обеспечивающей улучшенную механообрабатываемость. Установлено, что для полного раст­ворения карбидной фазы время прогрева при закалке должно составлять 0,8 мин на 1 мм толщи­ны детали + 25 мин. При толщинах более 35 мин. время выдержки следует увеличи­вать на 10–15 мин. Замедление скорости охлаждения в процессе закалки в интервале температур 900–700 °С приводит к вы­падению по границам аустенитных зёрен карбидной фазы, что резко уменьшает пластич­ность, ударную вязкость и коррозионную стойкость стали.

Поэтому детали при закалке необходимо охлаждать в воде с возможным подстуживанием на воздухе, в течение не более 1,0–1,5 мин., во время переноса из печи в закалочную ванну. Возникшая при закалке небольшая дефор­мация деталей легко исправляется правкой методом статического нагружения.

Применение высокой температуры нагре­ва при закалке вызывает необходимость применения защиты поверхности деталей от образования окалины, обезуглероживания поверхностного слоя металла и потери легирующих элементов на поверхности металла. Такие отрицательные процессы вызывают необходимость принятия защитных мер, предотвращающих или снижающих высокотемпературное взаимодействие сплавов с кислородом. К таким мерам относится создание защитной газовой атмосферы в печном пространстве и проведение термической обработки в атмосфере защитного генеративного газа (Nx-газа) или в атмосфере смеси генеративного и природного газа.

В данной работе для стали ВНС-5 наиболее рационально использование защитной обмазки состоящей из стеклопорошка, шамотной глины и талька. Тальк служит для устранения хрупкости, возникающей после обсушивания изделия с нанесённой обмазкой. Данная обмазка позволяет защитить изделие от окисления, обезуглероживания и потери легирующих элементов.

На по­верхности отожженных деталей, находящих­ся в структурно неоднородном и коррозионно не устойчивом состоянии, при длитель­ном хранении в условиях, не обеспечиваю­щих защиты от попадания влаги, происхо­дит медленное коррозионное разрушение по­верхности. Начинается оно с участков скоп­ления карбидных включений на поверхно­сти деталей.

Такие раз­рыхленные очаги в металле, взаимодейст­вуя с эмалью, разрушают ее и, интенсивно увеличиваясь в размерах, дают поверхност­ные раковины и язвы при нагреве под за­калку. При этом на поверхности термически обработанных деталей видны неглубокие, точеч­ные или размытые углубления.

Для исключения образования на по­верхности дефектов типа раковин и язв при хранении деталей в отожженном состоянии должно быть исключено попадание влаги или контакт с влажной атмосферой. С этой целью в помещениях, предназначенных для длительного хранения сталей, содержащих неравновесные фазы, размещают абсорбирующие материалы, впитывающие влагу. Ещё более надёжным и дорогостоящим решением может быть использование воздухоосушительных аппаратов [1].

По представленным выше результатам исследования установлено, что оптимальной температурой закалки с последующей обработкой холодом и отпуском является 1070 0С, при которой значения ударной вязкости и предела прочности достигают наиболее высоких значений: ?В = 1580 МПа, КСU=12,5 МДж/м2. На рисунке 5 представлена фотография микроструктуры стали 13Х15Н4АМ3, полученная после выбранного, оптимального режима термообработки.

Рис. 5. Микроструктура стали 13Х15Н4АМ3 после термообработки по режиму:

Закалка с 1070 °С, обработка холодом 4 ч. при -70 °Си отпуск 1 ч. при 350 °С, Увеличение х200

Выводы:

1. Наилучшее сочетание механических свойств стали 13Х15Н4АМ3: ?В = 1580 МПа, КСU=12,5 МДж/м2, было достигнуто при термической обработке по режиму: закалка с температуры 1070±10 °С с последующей обработкой холодом 4 ч. при -70 °С и отпуском 1 ч. при 350 °С.

2. С помощью микроанализа в стали ВНС-5 были выявлены следующие фазы: Мартенсит, количество которого достигает 75 ... 80 %, что было определено методом сравнения с эталоном микроструктуры стали 13Х15Н4АМ3, остаточный аустенит в количестве 15–20 %. Мартенсит обеспечивает в стали высокую прочность, а остаточный аустенит придаёт пластичность.

Рецензенты:

Пачурин Г.В., д. т. н., профессор, заведующий кафедрой «Производственная безопасность и экология», Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, г. Нижний Новгород.

Михаленко М.Г., д.т.н., профессор, директор «Института физико-химических технологий и материаловедения», Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, г. Нижний Новгород.