Влияние термообработки на характеристики сталей 12Х2Н4МА и 18Х2Н

Влияние термообработки на структуру, метастабильность аустенита и износостойкость цементованных сталей 12Х2Н4МА и 18Х2Н4МА

Чейлях Александр Петрович, доктор технических наук, профессор
Караваева Наталья Евгеньевна, преподаватель
Приазовский государственный технический университет, г. Мариуполь, Украина

Аннотация: Приводятся результаты экспериментальных исследований влияния закалки и отпуска при различных температурах после цементации на структуру, твердость и износостойкость сталей 12Х2Н4МА и
18Х2Н4МА. Определены оптимальные технологические режимы, которые позволяют повысить износостойкость стали в 2,5-3 раза. Показано, что для повышения сопротивления изнашиванию цементованных сталей последующая термообработка должна быть направлена на получение в поверхностном слое метастабильной
аустенитно-мартенситно-карбидной структуры, в которой метастабильный остаточный аустенит способен к деформационному мартенситному превращению при изнашивании.
Ключевые слова: цементация, закалка, метастабильный остаточный аустенит, износостойкость, твердость.

Важность проблемы прочности и износостойкости металлических сплавов подтверждается
острой необходимостью повышения надежности и долговечности современных тяжелонагруженных машин. Наиболее эффективным и надежным способом решения этой проблемы остается цементация. Однако роль остаточного аустенита (Аост) при этом остается спорной. Целью настоящей работы является изучение возможности повышения износостойкости легированных цементуемых сталей за счет сохранения опреде-
ленного количества метастабильного Аост и реализации его деформационного мартенситного
превращения в процессе испытаний на изнашивание (ДМПИ).
Объектом исследования служили стали 12Х2Н4МА и 18Х2Н4МА. Образцы которых подвергались цементации в твердом карбюризаторе при температуре 930ºС в течение 10 часов, с охлаждением с печью. Для стали 12Х2Н4МА варьировалась температура закалки после цементации в интервале 780-1040ºС (отпуск при
200ºС). Для стали 18Х2Н4МА проводилась закалка с повышенной температуры 1100ºС, температура последующего отпуска варьировалась в интервале 200-600ºС.
Нагрев стали при температурах аустенизации 780–840ºС не обеспечивает полного растворения
карбидов. В связи с этим, не достигается максимальное насыщение аустенита углеродом и легирующими элементами. По мере повышения температуры нагрева под закалку в выбранном интервале в поверхностном слое количество мартенсита закалки и карбидов уменьшается, а количество Аост возрастает. После закалки стали 12Х2Н4МА с максимальных температур выбранного диапазона 1000–1040ºС структура поверхностного слоя состоит из мелкоигольчатого мартенсита, нерастворившихся равномерно распределенных карбидов и повышенного количества (60-80%) Аост (рис. 1).

а)

б)

Рис. 1. Микроструктура цементованной стали 12Х2Н4МА после закалки с температур (отпуск при 200ºС):
а) 1000ºС; б) 1040ºС; х1200

Закономерность изменения полученной микроструктуры от температуры нагрева под закалку цементованных сталей неоднозначно определяет износостойкость.

Повышение относительной абразивной износостойкости и износостойкости в условиях сухого трения металл по металлу стали 12Х2Н4МА достигается после закалки цементованной стали с температур 800ºС, а при нагреве
до 1040ºС  и возрастают в еще большей степени (рис. 2). При этом износостойкость увеличивается в 2,5-3 раза (рис. 2) по сравнению со стандартной закалкой с 780-810ºС, рекомендованной справочной литературой.

Рис. 2. Относительная абразивная износостойкость (1) и относительная износостойкость в условиях сухого
трения скольжения металл по металлу (2) цементованной стали 12Х2Н4МА после закалки с различных температур и низкого отпуска

В первом случае количество Аост было 15-20%, а во втором 60-80%. Причиной повышения износостойкости в первом случае является образование большого количества цементита и мартенсита закалки. Дополнительным и существенным фактором является метастабильность Аост и реализация ДМПИ. В результате образующийся мартенсит деформации, отличающийся повышенной дисперсностью и твердостью, вызывает эффект деформационного самоупрочнения непосредственно в ходе изнашивания, а процесс его образования – релаксацию микрона-пряжений. Еще больший эффект самоупрочнения от реализации ДМПИ проявляется после закалки с повышенной температуры 1040ºС, так как образуется большее количество мартенсита деформации. При других температурах нагрева под закалку износостойкость несколько ниже максимальных значений.
После предварительной закалки с 1100ºС в цементованном слое содержится повышенное количество (≈ 60 %) Аост.

а)

б)

Рис. 3. Микроструктура цементованной стали 18Х2Н4МА после закалки с 1100ºС и отпуска при температурах:
а) 500ºС; б) 600ºС, х1200

Последующий отпуск цементованной и закаленной стали 18Х2Н4МА неоднозначно влияет на фазовоструктурный состав науглероженного слоя и степень метастабильности Аост. С увеличением температуры отпуска от 200 до 600ºС в следствие дестабилизации аустенита активируется ДМПИ. Причем, если после отпуска при температуре 40 ºС в рабочей части испытуемых образцов вследствие ДМПИ образуется преимущественно мартенсит деформации, то после дестабилизирующего отпуска при 500 и 600ºС наблюдается выделение карбидов ((Fe,Cr)3C и Mo₂C) одновременно с образованием мартенсита деформации – более дисперсного
и твердого (рис. 3). Это приводит к повышению твердости до HRC 56-59. В результате более интенсивного развития ДМПИ достигаются наиболее высокие показатели относительной износостойкости (рис. 4).

Рис. 4. относительная абразивная износостойкость (1) и относительная износостойкость в условиях сухого трения скольжения металл по металлу (2) цементованной стали 18Х2Н4МА после закалки с температуры 1100ºС и отпуска при различных температурах

Таким образом, для повышения сопротивления изнашиванию цементованных сталей последующая термообработка должна быть направлена на получение в поверхностном слое метастабильной аустенитномартенситно-карбидной структуры. При закалке с повышенной оптимальной температуры, либо при закалке с повышенных температур (~1100ºС) и дестабилизирующего отпуска при оптимальной температуре
500ºС можно добиться существенного повышения износостойкости цементованных изделий, что позволит сократить расходы на ремонт и замену деталей оборудования, работающего в тяжелонагруженных условиях.

Литература

1. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. – Справочник / Под ред. Ляховича Л.С. – М.: Металлургия, 1981. – 426 с.
2. Влияние цементации и последующей термообработки на структуру, фазовый состав и абразивную стойкость Fe-Cr-Mn сталей / Л.С. Малинов, А.П. Чейлях, Е.Л. Малинова // Изв. АН СССР. Металлы. – 1991. - № 1. – С. 120-122.
3. А.П. Чейлях, Экономнолегированные метастабильные сплавы и упрочняющие технологии. – Харьков: ННЦ ХФТИ, 2003. – 212 с.
4. О роли остаточных напряжений в повышении предела выносливости стали при химико-термической обработке / Б.Г. Гуревич, С.Ф. Юрьев // М.: Машгиз, 1952. С. 43-63.
5. Коршунов Л.Г., Макаров А.В., Черненко Н.Л. Влияние остаточного аустенита на абразивную износостойкость высокоуглеродистых сталей // Тез. докл. V Всесоюзн. Совещ. 11-15 марта. Свердловск, 1991. – С.34.

Cheiliakh A.P., Karavaieva N.E.
Influence of heat treatment on the structure, metastable austenite and wear resistance of carburized steels
12H2N4MA and 18H2N4MA
Abstract: The results of experimental research of the influence the temperature of hardening and tempering after carburizing
and quenching on the structure, hardness and wear resistance of steels 12Х2Н4МА and 18Х2Н4МА presented.
The optimal technological regimes that improve wear resistance of steel 2,5-3 times were determined. It is shown that to
improve the wear resistance of carburized steels subsequent heat treatment should be directed at getting to the surface
layer of a metastable austenitic-martensitic-carbide structure in which the metastable retained austenite is capable of deformation
induced martensite transformation at wear.
Keywords: carburizing, quenching, metastable residual austenite, wear resistance, hardness.