WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 ||

Послойный химический анализ показал, что хром, титан, ванадий и никель скапливаются в поверхностных слоях. Эти элементы имеют большее химическое сродство к азоту и углероду, чем железо, поэтому они диффундируют навстречу потоку насыщающих элементов, тормозят движения азота и углерода в глубь металла, что облегчает образование карбонитридной фазы. Более высокую концентрацию никеля вблизи поверхности можно объяснить образованием в тройной системе железо – никель – азот комплексного нитрида Fe3NiN, а также тем, что при содержании железа более 80 % и азота менее 3 % в нитриде Fe2N, присутствие которого в поверхностных слоях стали доказано РСА, часть атомов железа замещена никелем. Молибден остается главным образом в твердом растворе, хотя его концентрация изменяется меньше, чем у других элементов. Глубина проникновения серы не превышает 10 – 20 мкм.

Концентрация углерода вблизи поверхности достигает 1.3%, но уже на расстоянии 10 - 20 мкм в зависимости от режима насыщения снижается до среднего содержания, поэтому вклад углерода в изменение Dэфф азота не учитывали.

Изучение кинетики насыщения азотом НМС, показало, что сохранение субструктуры мартенсита в процессе обработки способствует снижению энергии активации диффузии азота Q (67 кДж/моль) относительно сталей с преимущественно ферритной структурой (70-80 кДж/моль), что хорошо согласуется с литературными данными.

Исследования размера зерна аустенита проведены для стали 12Х2Г2НМФБ, в случае измельченного зерна аустенита до размера менее 2 мкм мартенсит имел блочно-реечную структуру. Исследования структуры слоев методом оптической микроскопии показали существенное отличие в их строении при слабо отличающейся протяженности. По мере увеличения размера зерна аустенита и связанного с ним размера пакета мартенсита выделения карбонитридов становятся более грубыми и приобретают четко выраженную ориентацию в направлении диффузии насыщающих элементов. Такое расположение выделяющихся фаз обусловлено преимущественной диффузией азота по границам элементов субструктуры, ориентированных перпендикулярно к поверхности. Блочно-реечная структура стали не создала условий для преимущественного направления роста карбонитридов при насыщении.

Распределение микротвердости от поверхности к сердцевине имеет плавный характер. При измерении твердости поверхности образования трещин вблизи отпечатков не обнаружено. Особенности тонкого строения низкоуглеродистого мартенсита оказали слабое влияние на толщину полученных слоев (в отличие от морфологии карбонитридов), составляющих от 30 мкм после насыщения при темпераратуре 500 оС в течение 1 ч до 120 мкм после сульфокарбонитрирования 580 оС, 2 ч.

Расчетные значения энергии активации диффузии азота в пакетном и блочно-реечном мартенсите отличаются слабо и составляют примерно 67 кДж/мольК. Увеличение плотности дислокаций, измельчение зерна, то есть рост в теле количества путей коротких циркуляций, приводит обычно к ускорению диффузии. Энергия активации диффузии по границам и дислокациям значительно меньше энергии активации объемной диффузии. Поэтому при низких температурах диффузия по границам и дислокациям становится особенно заметной. Таким образом, измельчение зерна аустенита стали 12Х2Г2НМФБ должно интенсифицировать процесс насыщения азотом, но отношение энергии активации диффузии по дислокационным трубкам, формирующимся в процессе отпуска пакетного низкоуглеродистого мартенсита, превышает энергию активации по высокоугловым границам, что обуславливает сохранение значений Q практически на одном уровне.

Высокотемпературное насыщение азотом позволяет сократить процесс до 2-3 часов и получать слои глубиной на уровне 1 мм, но возникают проблемы сохранения формы и размеров деталей, т.к. после него требуется закалка в жидкие охлаждающие среды.

В процессе насыщения стали 12Х2Г2НМФБ при температуре 700 оС (-область) содержания азота на поверхности не достаточно для образования значительного количества аустенита в поверхностном слое и формирования мартенсита при последующем охлаждении на поверхности. Образуется темный слой, не отличающийся высокой твердостью, протяженностью до 100 мкм, состоящий из карбонитридов, аустенита и отпущенной -фазы.

Повышение температуры насыщения до 800 оС (верхняя область межкритического интервала температур), приводит к увеличению протяженности диффузионного слоя и снижению количества отпущенной -фазы. Глубина упрочненных зон после насыщения при 800 и 750 оС соизмеримы. Это обусловлено изменением соотношения - и -фаз, при повышении температуры насыщения в межкритическом интервале температур, возрастание энергии активации диффузии элементов внедрения компенсирует влияние температуры.

Насыщение НМС в аустенитной области при температуре 850–900 оС, 2 ч позволило получать более протяженные слои до 300 мкм. Уменьшение скорости охлаждения не изменило структуру и свойства поверхностных слоев. Таким образом, система легирования низкоуглеродистой мартенситной стали 12Х2Г2НМФБ позволяет реализовать переход по мартенситному механизму при малых скоростях охлаждения (на воздухе) и в слое с повышенным содержанием азота. Поверхностные слои содержат две основные фазы: (мартенсит) и (аустенит), на поверхности – 30 % -фазы и 70 % -фазы; на глубине 10-20 мкм - 70 % -фазы и 30 % -фазы; на глубине 40-50 мкм менее 10 % аустенита.

Распределение элементов в поверхностных слоях стали 12Х2Г2НМФБ после высокотемпературного насыщения качественно повторяет распределение элементов после низкотемпературного карбонитрирования. Концентрации всех легирующих добавок, за исключением углерода, выравниваются до средних значений на расстоянии от поверхности 30-50 мкм, зона повышенной концентрации углерода (выше марочного состава) ограничена 75 мкм. Протяженность упрочненного слоя – 300 мкм, свидетельствует о доминирующем влиянии диффузии азота.

Изучением насыщающей способности расплавов определено, что концентрация азотсодержащих соединений не выше 5 % (по массе) обеспечивает получение протяженных, твердых диффузионных слоев без темной составляющей.

Энергия активации диффузии азота в -фазе по литереатурным данным составляет 118–145 кДж/мольК. Наследование аустенитом дефектов структуры пакетного мартенсита и значительный фазовый наклеп при сдвиговом превращении снижает энергию активации диффузии азота в низкоуглеродистом аустените до Q=107 кДж/моль К.

Высокотемпературное карбонитрирование улучшает не только прочностные характеристики поверхности, но и антикоррозионные. Коррозионное поражение карбонитрированной стали в условиях повышенных значений относительной влажности и температуры без конденсации влаги снижается более чем на порядок относительно горячекатаной.

В пятой главе «Практическая реализация исследований и проведение натурных испытаний деталей винтовых забойных двигателей из низкоуглеродистой мартенситной стали» показано, что применение низкоуглеродистой мартенистной стали 12Х2Г2НМФБ взамен среднеуглеродистых 40ХН2МА, 38ХН3МФА для ответственных деталей винтовых забойных двигателей и разработанная технология термической обработки обеспечивает повышение прочности в 1,5 раза, ударной вязкости и трещиностойкости в 2 раза. Исключение предварительной и окончательной термической обработки позволяет значительно сократить продолжительность изготовления детали, отказаться от применения жидких закалочных сред.

Опытные детали «вал» и «муфта вала» из НМС 12Х2Г2НМФБ успешно выдержали ресурсные испытания на двигателях. В связи с положительными результатами испытаний принято решение о серийном изготовлении деталей «вал» и «муфта вала» из стали 12Х2Г2НМФБ на пермском предприятии ООО «Фирма «Радиус–Сервис».

Расчет экономической эффективности внедрения НМС, проведенный ООО «Фирма «Радиус–Сервис», показал возможность сокращения производственных и эксплуатационных расходов на сумму, превышающую 13,5 млн. руб. в год

Выводы

1. Методом ДСК установлено, что при нагреве НМС превращение начинается по сдвиговому механизму и завершается по диффузионному. Количество аустенита, образованного по обратному мартенситному механизму тем больше, чем выше отпускоустойчивость исходного мартенсита в результате сохранения реечной структуры до завершения превращения.

2. Высокая температура начала мартенситного превращения низкоуглеродистого аустенита стали 12Х2Г2НМФБ приводит к образованию пакетного мартенсита даже при охлаждении на воздухе благодаря высокой устойчивости переохлажденного аустенита.

3. Сталь 12Х2Г2НМФБ имеет высокий комплекс характеристик, отражающих конструкционную прочность: в = 1300 МПа, 0.2 = 1065 МПа, КСU = 1,60 МДж/м2, КСV = 0,92 МДж/м2, КСT = 0,52 МДж/м2, такое сочетание характеристик механических свойств обеспечивается структурным состоянием после отпуска 250 оС. НМС 12Х2Г2НМФБ обеспечивает в 1,5–2 раза большую вязкость, чем среднеуглеродистые улучшаемые стали типа 40ХН2М, 38ХН3МФ.

4. Энергия активации диффузии азота в НМС со структурой реечного мартенсита ниже чем в ферритной структуре при низкотемпературном (500-580 0С) сульфокарбонитрировании. В процессе насыщения в течение 1 – 2 ч формируется нехрупкий диффузионный слой с твердостью до 1000 HV, протяженностью до 130 мкм. Слой состоит из тонкой зоны оксисульфидов, высокоазотистых соединений (– и /–фазы) и зоны внутреннего азотирования, которая включает высокоазотистый мартенсит и остаточный аустенит (до 15 -17 %). Измельчение структурных элементов НМС приводит к росту дисперсности карбонитридной фазы в диффузионной зоне.

5. При высокотемпературном карбонитрировании наследование аустенитом дефектов кристаллического строения реечного мартенсита при сдвиговом превращении способствуют заметному понижению энергии активации диффузии азота в аустените (107 кДж/мольК) относительно сталей с исходными ферритной и феррито-перлитной структурами (118–145 кДж/мольК). Диффузионные слои НМС 12Х2Г2НМФБ протяженностью до 0,3 мм формируются за 2 часа. Структура поверхностного слоя, главным образом – мартенсит, менее 10 % остаточного аустенита (на расстоянии от поверхности 40 мкм) и дисперсные карбонитриды.

6. В процессе насыщения НМС в экологически безопасных расплавах солей идет перераспределение легирующих элементов в поверхностном слое. Сильные карбидо– и нитридообразующие элементы и никель имеют повышенную концентрацию вблизи поверхности, концентрации молибдена и марганца слабо зависят от расстояния до поверхности раздела, что указывает на их незначительное участие в образовании дисперсных упрочняющих фаз. Выравнивание концентраций до среднего содержания в стали происходит на расстоянии нескольких десятков микрон от поверхности. Глубина проникновения азота существенно превышает области с повышенной концентрацией других насыщающих элементов: углерода и кремния (в случае высокотемпературного насыщения).

7. Высокая устойчивость азотистого аустенита НМС 12Х2Г2НМФБ исключает эвтектоидный распад и обеспечивает переход по мартенситному механизму при малых скоростях охлаждения, что приводит к закалке при охлаждении на воздухе непосредственно после ХТО. Скорость охлаждения после насыщения (в исследованных интервалах) практически не влияет на толщину градиентного слоя.

8. Применение НМС 12Х2Г2НМФБ взамен среднеуглеродистых никелевых сталей 40ХН2МА, 38ХН3МФА для ответственных деталей винтовых забойных двигателей позволило получить значительные технологические и экологические преимущества, повысило конкурентоспособность продукции. Расчет экономической эффективности внедрения НМС и разработанных технологий термического упрочнения в условиях производства ООО «Фирма «Радиус–Сервис» (г. Пермь), показал возможность сокращения производственных и эксплуатационных расходов на сумму, превышающую 13,5 млн. руб. в год.

Основные публикации по теме диссертации:

1. Клейнер Л. М., Ларинин Д. М., Черепахин Е. В., Шацов А. А. Сульфокарбонитрирование сталей со структурой низкоуглеродистого мартенсита // Физика металлов и металловедение. – 2006. – Т. 102. – вып.5. – C. 563–570. (рецензируемое издание, рекомендованное ВАК)

2. Ларинин Д.М. Клейнер Л. М., Черепахин Е. В., Ряпосов И.В., Шацов А.А Сульфокарбонитрирование низкоуглеродистой мартенситной стали 12Х2Г2НМФТ// Металловедение и термическая обработка металлов. – 2007. – № 5. – C.48- 52. (рецензируемое издание, рекомендованное ВАК)

3. Ларинин Д,М., Клейнер Л.М., Шацов А.А. Высокотемпературное азотирование низкоуглеродистой мартенситной стали 12Х2Г2НМФБ в нетоксичных расплавах солей// Металловедение и термическая обработка металлов. – 2008. – № 10. – C. 48–51. (рецензируемое издание, рекомендованное ВАК)

4. Клейнер Л.М, Ларинин Д.М., Спивак Л.В., Шацов А.А. Фазовые и структурные превращения в низкоуглеродистых мартенситных сталях // Физика металлов и металловедение. – 2009. – Т. 108. – Вып.2. – С. 161–168. (рецензируемое издание, рекомендованное ВАК)

5. Ларинин Д. М., Клейнер Л. М., Шацов А. А., Черепахин Е. В. Сульфокарбонитрирование низкоуглеродистой мартенситной стали 12Х2Г2НМФТ // II Международная школа «Физическое материаловедение». XVII Уральская школа металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов»: сборник тезисов. – Тольятти, 2006. – С. 95.

6. Математическое моделирование сложных систем в металлургии: Методические указания к практическим занятиям / А.А.Шацов, Д.М. Ларинин. Пермский государственный технический университет. – Пермь, 2006. – 27 с.

7. Ларинин Д.М. Карбонитрирование низкоуглеродистой мартенситной стали 12Х2Г2НМФБ. / Материалы конференции VII Международная научно-техническая конференция «Уральская школа-семинар металловедов – молодых ученых». 27 ноября - 1 декабря 2006 г. – Екатеринбург, 2006. – С. 44.

8. Клейнер Л.М., Ларинин Д.М., Ряпосов И.В., Шацов А.А. Высокотемпературное карбонитрирование низкоуглеродистых сталей в экологически безопасных расплавах солей / В сб. науч. тр. Современная металлургия начала нового тысячелетия. Ч.5. – Липецк: ЛГТУ, 2006. – С. 150–156.

9. Ларинин Д.М. Клейнер Л. М., Шацов А.А., Хадеев А.М. Высокотемпературное азотирование низкоуглеродистой мартенситной стали 12Х2Г2НМФБ / В кн. XIX Уральская школа металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», посвященная 100-летиюсо дня рождения В.Д.Садовского. Екатеринбург, 4-8 февраля 2008 г.: сборник материалов, УГТУ-УПИ. – Екатеринбург, 2008. – С. 84.

10. Клейнер Л.М., Ларинин Д.М., Хадеев А.М., Шацов А.А. Высокотемпературное карбонитрирование низкоуглеродистой мартенситной стали 12Х2Г2НМФБ в расплавах солей / Материалы Восьмой ежегодной международной Промышленной конференции «Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях», 11-15 февраля 2008., п. Славское, Карпаты. – С. 367-368.

Pages:     | 1 | 2 ||






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»