Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,931

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ КОРРОЗИОННОСТОЙКОЙ СТАЛИ ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ

Куракова Н.П. 1 Гаврин В.С. 1 Гаврилов Г.Н. 1 Костромин С.В. 1
1 ФГБОУ ВПО Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева
В статье приведены данные по разработке режима термической обработки конструкционной стали переходного аустенитно-мартенситного класса 13Х15Н4АМ3. Рассмотрено влияние режимов закалки на механические свойства с последующей обработкой холодом и отпуском, а также представлены литературные данные по исследованию зависимостей механических свойств от температур отпуска и обработки холодом при фиксированной температуре закалки. Производилось исследование зависимости предела прочности и ударной вязкости от температуры закалки с последующей обработкой холодом при температуре -70 0С 2 ч. и отпуском при температуре 2000С–3500С 1 в течение 1 часа. По полученным данным была установлена оптимальная температура закалки, после которой достигается наилучшее сочетание предела прочности и ударной вязкости. Было произведено металлографическое исследование образцов, после выбранного режима термической обработки.
переходный класс
аустенитно-мартенситный класс
ударная вязкость
предел прочности
высокопрочная сталь
конструкционная сталь
13Х15Н4АМ3
ВНС5
1. Братухин А.Г., Гурвич Л.Я. Коррозионная стойкость высокопрочных нержавеющих сталей. – М.: Авиатехинформ, 1999. – 208 с.
2. Гаврилов Г. Н. Особенности термической обработки стали 13Х15Н4АМ3 / Г. Н. Гаврилов, Строганов Г. Б., Григорьев В. М., Братухин А. Г., Плакидин А. Д. // Митом. – 1972. – № 7. – С. 66-67.
3. Григорьев В. Н. Структурно технологические особенности высокопрочной стали ВНС5 / В. Н. Григорьев, А. Г. Братухин, Г. Н. Гаврилов // Авиационная промышленность. – 1968. – № 8. – С. 68-71.
4. Метод испытания на ударный изгиб при пониженной, комнатной и повышенной температурах: ГОСТ 9454– 78. – М.: Изд-во стандартов, 1978. – 12 с.
5. Методы испытаний на растяжение; ГОСТ 1497– 84. – М.: Изд-во стандартов, 1984. – 28 с.
6. Потак Я.М. Высокопрочные стали. – М.: Металлургия, 1972. – 208 с.

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.


Библиографическая ссылка

Куракова Н.П., Гаврин В.С., Гаврилов Г.Н., Костромин С.В. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ КОРРОЗИОННОСТОЙКОЙ СТАЛИ ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 2.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=12907 (дата обращения: 16.06.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074