Наукові та технологічні засади карбонітридного зміцнення легованих спеціальних сталей

Сталь 20Х1ЗАФЛ впроваджено на Тульському збройному заводі при виготовлені спеціальних тонкостінних виробів складної конфігурації. Досягнуто зниження браку виливків по гарячих тріщинах в 2 рази (з 60 до 30%) і зовсім усунено брак виливків за механічними властивостями, який досягав 10%.

Дослідно-промислове випробування на Сумському МНВО ім.Фрунзе корозійностійкої однофазної феритної сталі 04Х18АФ показало, що вона за корозійною стійкістю не поступається перед аустенітною сталлю типу Х18Н(10-12)Т, крім агресивних середовищ з йонами сірки, водню та хлору, а після стабілізації зварювального шву має в'язке, чи в'язко-крихке руйнування до температур нижче нуля на 20-40°С. Сталь 04Х18АФ має добру технологічність при металургійному переділі та зварювально-складальних роботах.

Дослідно-промислове випробування та впровадження підтвердили високу ефективність застосування жароміцних сталей з карбонітриднім зміцненням:

- заміна сталі марки З0Х24Н12СЛ на Куйбишевському сталеливарному заводі на сталь З0Х24Н10АТС2Л забезпечила підвищення довготривалості литих колосників високотемпературної зони холодильників обпалювальних цементних та глиноземних печей у 1,5-3,0 рази; заміна на ВО КамАЗ сталей марок 40Х25Н19С2Л та З0Х18Н35Л на сталь 40Х25Н19С2АФТЛ підвищила довготривалість литої оснастки гартувальних печей до 5 разів, нормалізаційних печей та заливальних агрегатів в 2 рази;

- заміна сталі марки 40Х18Н24С2Л на сталь З0Х18Н18АФБЛ при дослідно-промисловому випробуванні підвищила довготривалість литої оснастки термічного обладнання на 25-88%, а при впровадженні на Челябінському тракторному заводі - статистичне її не змінило, внаслідок регулярного, значного перевищення вмісту вуглецю в сталі над верхнею межею марочного складу.

Реальна та очікувана економічна ефективність застосування розроблених спеціальних сталей з карбонітридним зміцненням слідуюча (у.о./т): сталь 5ХНМАФЛ - 500-1000; 5ХНМАФ - 300-500; З0Х6МАФЛ - 800-1000; 20Х13АФЛ - 200-500; 04Х18АФ - 600-1000; жароміцні хромонікелеві - 600-1000.

ВИСНОВКИ

1.Створено наукові та технологічні засади розробки та виробництва економнолегованих штампових для інструменту гарячого деформування, нержавіючих мартенситних 13% хромистих, корозійностійких однофазних феритних хромистих та жароміцних хромонікелевих аустенітних сталей, які забезпечують зниження витрат на їх виробництво хрому, нікелю, молібдену, вольфраму, ванадію, ніобію та інших дефіцитних елементів, як за рахунок зниження їх вмісту в сталях, так і за рахунок підвищення довговічності виробів при експлуатації.

2. Ефективне покращання фізико-механічних властивостей спеціальних сталей при комплексному легуванні азотом та нітридоутворюючими елементами (V, Nb, Ті) досягається при оптимальній кількості та переважно внутрішньозеренному, рівномірному дисперсійному виділенню нітридів розмірами тисячні та соті долі мікрона без наявності сегрегаційних та лікваційних нітридів та їх скупчень розмірами більш як 5мкм.

Встановлено, що з метою зменшення витрат відносно більш дорогих та дефіцитних нітридоутворюючих елементів у порівнянні з азотом, вказані вимоги ефективного легування N, V, Nb, Ті при допустимих та наявних для промислових умов температурно-часових параметрах гарячого деформування, термічної обробки, швидкостях охолодження металу при і після твердіння, гарячого деформування, термічних обробок, високотемпературних технологічних нагрівань (зварювання) досягаються за слідуючих умов:

- при максимальному легуванні азотом, котре в сталях, які твердіють в () - кристалічній гратці, лімітується розчинністю азоту в твердіючому металі, а в аустенітних, які твердіють у - кристалічній гратці, - розчинністю азоту у розплаві, і яке становить: для мартенситних сталей типу 5ХНМ - 0,025%N, типу З0Х6МФА -0,11%; типу (20-40)Х13А - 0,12%, для однофазних феритних типу 08Х18А - 0,16%, для аустенітних із співвідношенням хромового та нікелевого еквівалентів Е_Cr/Е_Ni 1,27 -0,17%N та з Е_Cr/Е_Ni < 1,27 - більш як 0,25%;

- при максимальному легуванні V і Nb, яке забезпечує можливість необхідного ступеню (90-95%) розчинності первинних нітридів при гарячому деформуванні, аустенітизації, гомогенізації, можливість високотемпературного виділення нітридів в однофазних феритних та аустенітних сталях і яке не супроводжується виділенням великих сегрегаційних та лікваційних нітридів, яке складає: для мартенситних сталей типу 5ХНМАФ(Л) - 0,15%V, типу З0ХбМАФ(Л) - 1,5%V, типу (20-40)Х13АФЛ - 0,35%V, для однофазних феритних типу 08Х18А(Ф, Б) - 0,9%V та 0,7%Nb; для аустенітних типу З0Х24Н(12-24)С2А(Ф, Б)Л - 1,4% V та 0,6%Nb;

- при максимальному легуванні феритних і аустенітних сталей титаном не більш ніж 0,15%.

При максимальному легуванні N, V, Nb, Ті при допустимих температурно-часових режимах високого відпуску, старіння, стабілізації у сталях виділяється: у мартенситних до 59% VN, у однофазних феритних до 49% VN та 86%NbN, в аустенітних у литому стані до 15% VN та 53%NbN, після гомогенізації та старіння до 33% VN і 56%NbN, в аустенітних та феритних до 9 5% ТiN.

Нітриди ванадію та ніобію мають склад, близький до стехіометричного. Карбіди, чи карбонітриди цих елементів виділяються тільки у випадку малого легування азотом і при значно більшій кількості в сталях вуглецю, ніж азоту.

Комплексне легування N, V, Nb, Ті практично не змінює склад та масову кількість карбідних фаз, крім сталі 08Х18Т, в якій замість Сг₂₃С_б виділяються Сг₂(С, N), Сг₂N.

3. Експериментально встановлено, що модифікуючий вплив легування азотом та нітридоутворюючими елементами на формування дендритної структури пов'язаний, головним чином, зі зниженням азотом лінійної швидкості кристалізації та зростає пропорційно розширеннню інтервалу твердіння та підвищенню швидкості охолодження. При цьому вплив нітридоутворюючих елементів на ефективність модифікування азотом має місце тільки для хромонікелевих аустенітних сталей, які кристалізуюються - -кристалічній гратці, внаслідок зниження температури перетворення в інтервалі твердіння, що визначає коефіцієнт розподілу азоту.

Встановлено кількісні залежності впливу швидкості охолодження, ширини інтервалу твердіння, температури перегріву розплаву, кількості азоту і нітридоутворюючих елементів на ефективність модифікування сталей.

Встановлено, що зменшення міжгілкових відстаней в дендритах в легованих азотом та нітридоутворюючими елементами спеціальних сталях приводить до істотно помітного зниження їх первинної хімічної та структурної неоднорідності внаслідок покращення умов високотемпературної гомогенізації при охолодженні металу після твердіння.

4. Встановлено, що при легуванні азотом і ванадієм у оптимальних межах досягається диспергування в 2-2,5 рази пакетного мартенситу штампових та 13% хромистих мартенситних сталей, підвищення на 3-13 НRС його твердості, зниження швидкості самовідпуску та відпуску мартенситу, які знаходять відображення у підвищенні на 80-100°С температури відпуску на однакову твердість та підвищенні до 20 НRС твердості при відпуску при 600-650°С. Головний вплив на ці процеси мають нітриди ванадію, які не розчинились при аустенітизації та твердорозчинні азот і ванадій. Нітриди забезпечують зменшення в 3 - 6 разів розмірів аустенітного зерна та підвищення до 2 разів щільності первинних та вторинних дислокацій, твердорозчинні азот і ванадій знижують на 40-50°С температуру М_н та зменшують дифузійну рухливість вуглецю.

5. Встановлено, що нітридна фаза підвищує швидкість розпаду пересичених твердих розчинів однофазних феритних хромистих та хромонікелевих аустенітних сталей, диспергує продукти розпаду, забезпечує усунення їх зернограничної сегрегації та статистичне рівномірне внутрішньозеренне виділення, зменшення швидкості їх зростання та коагуляції. Головний механізм реалізації цих явищ пов'язаний з внутрішньозеренним, дисперсним, рівномірним розподілом нітридних фаз та створенням ними зон ефективного дифузійного стоку для елементів проникнення. Цими зонами є міжфазні границі нітрид - матриця та зони викривленої кристалічної ґратки матриці біля нітридів.

6. Встановлено, що оптимальне легування азотом та нітридоутворюючими елементами забезпечує диспергування зерна мікроструктури однофазних феритних хромистих та хромонікелевих аустенітних сталей при литті та високотемпературних обробках внаслідок підвищення нітридною фазою енергії активації міграції дислокацій, мало-, середньо- та висококутових кордонів в аустенітних сталях та зі зменшенням енергії активації зародження центрів рекристалізації та уповільненням збиральної рекристалізації у феритних сталях.

7. Встановлено, що легування азотом та нітридоутворюючими елементами впливає на механізм релаксації структурно-термічних напружень при розпаді пересичених твердих розчинів:

- в аустенітних сталях має місце зміна процесу двійникування на полігонізацію з закономірним зменшенням субзерна при збільшенні ступеню легування;

- в феритних сталях вплив легування має екстремум. Тільки при оптимальному легуванні фіксується зміна двійникування на полігонізацію.

Це явище пов'язане, головним чином, з підвищенням нітридною фазою щільності внутрішньозеренних дислокацій, зменшенням їх рухливості та підвищенням напружень другого роду.

8. Встановлено, в залежності від температурних параметрів термічної обробки, закономірності впливу легування азотом та нітридоутворюючими елементами на механічні та експлуатаційні властивості вивчених сталей. Визначено оптимальні межі їх легування, які забезпечують підвищення окремих чи у комплексі таких властивостей, як міцність, в'язкість, плинність при температурах нижче нуля, кімнатних та підвищених, втомна міцність, термовтомна витривалість, холодна та гаряча зносостійкість, теплостійкість, жароміцність, корозійна стійкість.

При цьому не тільки не погіршуються, але і суттєво зростають технологічні властивості спеціальних сталей, в тому числі, рідкоплинність, стійкість до виникнення гарячих та холодних тріщин при литті та зварюванні, гаряча деформівність, прогартовуваність, схильність до хіміко-термічного поверхневого зміцнення.

9. Вперше у теорії та практиці розробки та виробництва корозійностійких однофазних феритних сталей з стандартним вмістом домішок для традиційних масових металургійних технологій, в тому числі, газокисневого рафінування, показано, що усунення розвитку відомих структурних станів, які визначають незворотне високотемпературне окрихчування металу при литті, гарячій прокатці та зварюванні, є недостатнім для усунення цього явища. Встановлено, що необхідною додатковою умовою усунення незворотнього високотемпературного окрихчування е формування дисперсної субструктури, що фактично на кілька порядків зменшує розмір ефективного зерна.

10. Ефективність створених наукових та технологічних засад розробки та виробництва легованих спеціальних сталей з карбонітридним зміцненням підтверджена результатами дослідно-промислових робіт та впровадження у виробництво створених конкретних марок сталей та технологій їх виробництва. Зокрема, штампова сталь 5ХНМАФ впроваджена на підприємстві п/с А-3595 (м.Челябінськ) та ЧТЗ, 5ХНМАФЛ та З0Х6МАФЛ - на Херсонському заводі карданних валів і КП "Київтрактородеталь", нержавіюча сталь 20Х1ЗАФЛ - на Тульському збройному заводі, жароміцні сталі З0Х18АФБЛ - на ЧТЗ та З0Х24Н10АТС2Л - на Куйбишевському сталеливарному заводі. Реальна та очікувана економічна ефективність застосування сталей сягає 200-1000 у.о. на 1 тону.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНО

1. Шипицын С.Я. Повышение качества и долговечности литья из хромистых сталей нитридным модифицированием// Экономия металлов в литейном производстве.- Киев: Ин-т пробл.литья АН Украины.- 1982.-С.17-21.

2. Шипицын С.Я. Модифицирование стали титаном, азотом и нитридами ванадия // Плавка литейных сплавов.-Киев: Ин-т пробл.литья АН Украины.- 1982.-С.136-140.

3. Єфімов В.О., Бабаскін Ю.З., Ющенко К.А., Афтандилянц Є.Г., Ліподаєв В.М., Шипіцин С.Я. та інш. Формування внутрізеренної сегрегації домішок // Вісник АН УРСР.-1984.-№6.- С.44-50.

4. Бабаскин Ю.З., Шипицын С.Я., Иваницкая Т.Н. Повышение срока службы отливок экономнолегированных теплостойких сталей //Литейное производство.-1984.-№ 8-С.11-12.

5. Babaskin Yu.Z., Shipitsyn S.Ya., Aftandiljants Ye.G. Low-Alloy Steels Insteand of Complex - Alloy Ones // Licensintorg, Panorama.-1985.-17.-Р.10-11.

6. Шипицын С.Я., Бабаскин Ю.З. Эффективное применение модифицирования и микролегирования для повышения качества стального литья // Тезисы докладов VII Всесоюзной конференции "Новые высокопроизводительные технологические процессы, высококачественные сплавы и оборудование в литейном производстве". - Часть 1.- Киев: ИПЛ АН УССР.- 1986.-С.145-147.

7. Шипицын С.Я., Бабаскин Ю.З., Смолякова Л.Г. Нитридванадиевое упрочнение штамповых сталей // МиТОМ.-1986.-№7.-С.47-49.

8. Бабаскин Ю.З., Шипицын С.Я., Афтандилянц Е.Г. Экономное легирование стали.- Киев: Наук.думка, 1987.-188 с.

9. Иваницкая Т.Н., Бабаскин Ю.З., Шипицын С.Я.,Ивенко В.Ф., Лысенко В.В. Повышение долговечности колосников холодильников обжиговых печей типа "Волга" // Исследование и создание нового оборудования для производства цемента.-Тольятти.-1987.- вып.ХХХ.- С.66-78.

10. Шипицын С.Я., Бабаскин Ю.З., Лория Д.Б., Волощенко Н.Н. Кристаллизация и литейные свойства высокохромистых сталей, модифицированных азотом // Литейное производство.-1987.- №12.-С.4 -7.

11. Бабаскин Ю.З., Шипицын С.Я., Лория Д.Б., Смолякова Л.Г., Колодяжная Л.Ю. Влияние упрочнения нитридами ванадия на структуру нержавеющих мартенситных сталей // Известия АН СССР, Металлы.-1988.- №2.- С.84-89.

12. Шипицын С.Я., Бабаскин Ю.З., Семеняка Г.Д., Белорусов С.И., Юрченко И.В. Повышение долговечности средних и крупных штампов горячего деформирования // Кузнечно-штамповочное производство.-1988.- №10.- С.11-12

13. Шипицын С.Я., Бабаскин Ю.З., Иваницкая Т.Н. Модифицирование и упрочнение литых жаропрочных сталей азотом и нитридообразующими элементами // Тезисы докладов I Всесоюзного симпозиума "Новые жаропрочные и жаростойкие металлические материалы". Часть II. Стали, сплавы на основе тугоплавких металлов и интерметаллидов.-М.: Черметинформация.- 1989.- С.6 -7.

14. Шипицын С.Я., Бабаскин Ю.З. Перспективы создания безникелевых, маломарганцевых азотосодержащих феррито-аустенитных коррозионностойких сталей // Вторая конференция по высокоазотистым сталям. Доклады.Часть 1.-Киев: Ин-т металлофизики АН Украины.- 1992.- С.44-48.

15. Шипицын С.Я., Бабаскин Ю.З. Механизм модифицирования сталей азотом // Процессы литья.- Киев: Наук.думка.- выпуск 3.- 1991.- С.33-43.

16. Бабаскин Ю.З., Шипицын С.Я., Лория Д.Б., Смолякова Л.Г. Роль структурных факторов в повышении механических и специальных свойств мартенситных хромистых сталей при нитридванадиевом упрочнении // Процессы литья.- 1992.- №1.- С.131-137.

17. Шипицын С.Я., Бабаскин Ю.З. Ферритные и ферритоаустенитные азотосодержащие свариваемые коррозионностойкие стали // Аннотации стендовых докладов участников Семинара Европейской экономической комиссии ООН "Новые материалы и их применение в машиностроении"- Киев: ИПМ НАН Украины.- 1992.- С.108-109.

18. Shipitsyn S.Ya. Babaskin Yu.Z., Smolyakova L.G., Lev I.Ye. Mitskevich N.S., Shakhanova N.G., Kinietics and Thermodynamics of Dissolution and Precipitation of Vanadium and Niobium Nitrides in High-Chromium Ferrite // Proceedings of the 3rd International Conference High Nitrogen Steels. HNS-93.-Kiev: Institute for Metal Physics Academy of Sciences of Ukraine.- 1993.-Part I.-S.198-203.

19. Шипицын С.Я., Бабаскин Ю.З. О механизмах высокотемпературного охрупчивания хромистых ферритных сталей // Процессы литья.- 1993.- №4.- С.100-115.

20. Babaskin Yu., Shipitsyn S., Aftandilyants E. Investigation and use cast steels microalloyed bi Nitrogen and Vanadium // Proceedings of the 61ST World Foundry Congress. Beijing, China - International Academic Publishers.-1995.-С.525-530.

21. Котельников Г.И., Стомахин А.Я., Бурова Е.С., Шипицын С.Я., Бабаскин Ю.З., Савиченко С.А.. Растворимость азота и нитридообразование в сплавах железо-хром // Процессы литья.- 1995.-Сообщение 1.- №2.- С.56-69.- Сообщение 2.- №3.- С.67-74.

22. Шипицын С.Я., Бабаскин Ю.З., Вихляев В.Б., Смолякова Л.Г.,

Маркашова Л.И. Роль высокотемпературной нитридной фазы в подавлении необратимости охрупчивания высокохромистого феррита // Процессы литья.- 1996.- №3.- С.65-77.

23. Шипицын С.Я. Безмолибденовая штамповая сталь с карбонитридным упрочнением для массового кузнечно-прессового инструмента повышенной долговечности // Процессы литья.-1997.- №2.- С.70-76.

24. Шипицын С.Я. Безвольфрамовая высокотеплостойкая штамповая сталь с карбонитридным упрочнением // Металл и литье Украины.- 1997.- №5.- С.17-19.

25. Шипицын С.Я. Высокотемпературный распад феррита в свариваемой коррозионностойкой стали 04Х18АФ // Автоматическая сварка.-1997.-№6(531).-С.13-16.

26. Шипицын С.Я. Улучшение свариваемости ферритных коррозионностойких сталей типа 08Х17Т легированием нитридной фазой // Автоматическая сварка.- 1998.- №1(538)-С.8-13.

27. Бабаскін Ю.З., Шипіцин С.Я., Афтанділянц Є.Г. Дослідження і використання литих сталей, мікролегованих азотом та ванадієм //Металознавство та обробка металів.-1998.- №3.- С.60-65.

28. Шипицын С.Я., Бабаскин Ю.З. Специальные азотсодержащие экономнолегированные стали с карбонитридным упрочнением // Процессы литья.- 1998.- №3-4.- С.122-130.

29. Шипицын С.Я., Бабаскин Ю.З., Вихляев В.Б. Коррозионностойкая ферритная сталь 04Х18АФ с повышенной вязкостью и свариваемостью // Металл и литье Украины.-1998.-№9-10.-С.15-18.

30. Шипицын С.Я., Бабаскин Ю.З., Кутищев С.М., Кирчу И.Ф. Повышение долговечности и снижение себестоимости кузнечно-прессового инструмента применением штамповых сталей с карбонитридным упрочнением // VIII Семинар с международным участием "Разработка, производство и применение инструментальных сталей и сплавов".-Киев: Ин-т пробл. Материаловедения НАН Украины.- 1998.- С.20.

31. Lipodaev V.N., Shipitsyn S.Ya., Babaskin Yu.Z. Improvement of Ferritic Corrosion-Resistant Steels.- Welding and Surfacing Reviews.-Edited by B.E.Paton, E.O.Paton Electric Welding Institute , Ukrainian Academy of Sciences, Kyiv, 1998.- 85 p.

32. А.с.1015670 СССР, МКИ С22С 5/52. Способ получения коррозион-ностойких хромистых ферритных и ферритоаустенитных сталей/ Б.Е.Патон, В.А.Ефимов, Ю.З.Бабаскин, С.Я.Шипицын, К.А.Ющенко, В.Н.Липодаев, О.И.Тищенко, Л.И.Сенюшкин, Е.В.Мокров; Опубл. 1983.

33. А.с.1080506 СССР, МКИ С22С 38/50. Жаростойкая сталь / С.Я.Шипицын, Ю.З.Бабаскин, Т.Н.Иваницкая, И.Л.Рева, Н.Е.Дудов, А.А.Поляков, П.А.Фельдман; Опубл. 17.03. 1983.

34. А.с.1109468 СССР, МКИ С22С 38/24. Литейная высокопрочная нержавеющая сталь / С.Я.Шипицын, Ю.З.Бабаскин, Д.Б.Лория, В.К.Оболонный, О.А.Луценко, Л.Г.Смолякова, О.Н.Литвиненко; Опубл. 23.08.1984, Бюл. № 31.

35. А.с.112066 СССР, МКИ С22С 38/50. Ферритная коррозионностойкая сталь / Б.Е.Патон, Ю.З.Бабаскин, С.Я.Шипицын, К.А.Ющенко, В.Н.Липодаев, Р.И.Морозова, Г.Ф.Настенко, Б.Г.Вайншейн, О.Н.Тищенко, А.И.Гиндин, Сенюшкин Л.И., О.Н.Агишев; Опубл. 07.09.1984, Бюл. № 33.

36. А.с.1340210 СССР, МКИ С22С 38/50. Литая сталь / С.Я.Шипицын, Ю.З.Бабаскин, Т.Н.Иваницкая, В.Н.Костяков, А.С.Житник, В.П.Падос, Ф.Б.Хальфин; Опубл.1987.

37. А.с.1482974 СССР, МКИ С22С 38/58. Жаропрочная сталь/ Ю.З.Бабаскин, С.Я.Шипицын, В.Н.Костяков, Т.Н.Иваницкая, А.С.Житник, Л.М.Киршон, В.А.Руденко, А.А.Радченко; Опубл. 30.05.1989, Бюл. № 20.

38. А.с.1548253 СССР, МКИ С22С 38/32. Штамповая сталь/ Бабаскин Ю.З., Шипицын С.Я., Семеняка Г.Д., Костяков В.Н., Житник А.С., Кулюкин В.С.; Опубл. 07.03.1990, Бюл. № 9.

39. Патент України ИА 10324А. Клас МПК С22С 38/00. Сталь/ С.Я.Шипіцин, Ю.З.Бабаскін, С.М.Кутіщев, М.М.Антипов, О.Л.Снітія, Ю.М.Станков, Л.М.Носов; Опубл. 25.12.1996, Бюл. № 4.

40. Патент України ИА 10864А. Клас МПК С22С 38/24. Сталь / С.Я.Шипіцин, Ю.З.Бабаскін, С.М.Кутіщев, А.М.Гаранчук, В.В.Чухліб, І.І.Дегтяр; Опубл. 25.12.1996, Бюл.№ 4.

Размещено на Allbest.ru