Оренбургский государственный университет

Научно-обоснованная разработка микролегированной стали для металлургического инструмента, работающего в условиях теплового ударно-абразивного изнашивания

Проект № 22-79-00059

Руководитель — Ромашков Е.В.

На первом этапе проекта в 2022-2023 гг. опытной выплавке и исследованию подлежала экспериментальная модифицированная сталь, замаркированная 70Х3Г2ФТР(м), предназначенная для изготовления пресс-форм и пуансонов машин литья под давлением алюминиевых сплавов, востребованных предприятиями ОПК. Исследования включали сравнительный анализ с традиционными марками штамповых сталей 5ХГМ, 4Х5МФС, ранее применяемых для изготовления подобных изделий. В ходе выполнения проекта получены следующие результаты:

1. Поскольку выплавку заявленной стали выполняли с применением процесса модифицирования по разработанной технологии в индукционной печи ИСВ-001ПИМ-02, полученный химический состав отличается от запатентованного повышенным содержанием углерода на 0,02 %, хрома на 0,3 %, пониженным количеством ванадия и титана на 0,2 % и наличием в составе редкоземельных элементов (селена, циркония и тантала), введённых в известную сталь впервые с целью измельчения литой первичной структуры. После кристаллизации стали 70Х3Г2ФТР(м) с применением модифицирующих добавок, вводимых как непосредственно в зону расплава, так и на дно ковша, сформировалась литая структура с умеренным ячеисто-дендритным строением и разветвленностью дендритных кристаллов от 0,1 до 0,2 мкм. В литом состоянии фиксируются отдельные включения, определенные по результатам микрорентгеноспектрального анализа, как карбиды сложного типа на основе хрома, железа и ванадия. Сформирована смешанная перлитно-карбидная структура металлической основы с участками мартенситной матрицы, твердость 32-35 HRC.

Структура откованной стали кардинально отличается от литой, и представляет собой феррито-цементитную матрицу, насыщенную легирующими элементами. За счет модифицирования редкоземельными элементами Ta, Se и B, размер зерна металлической основы стали 70Х3Г2ФТР(м) не превышает от 20 до 30 мкм, легирующие элементы Mn, Cr, Ti равномерно распределены по металлической основе.

2. Основной задачей при реализации предварительной термической обработки в виде полного отжига, являлось устранение карбидной неоднородности, фрагментация, либо растворение крупных карбидов, равномерное перераспределение легирующих элементов в металлической матрице, а также приобретение равноосной структуры металлической основы, соответствующей стабилизации напряженного состояния сплава после кристаллизации и последующей горячей пластической деформации на стадии ковки. С целью нивелирования нежелательных последствий неоднородного затвердевания отливок и устранения структурной неоднородности полученной стали, отжиг проводили при температуре 950 ºС для стали 70Х3Г2ФТР(м) с комбинированным нагревом и последующим охлаждением с печью, после чего в стали 70Х3Г2ФТР(м) наблюдалось образование зернистого перлита с выделением карбидов Cr и V, их равномерным перераспределением по металлической основе, тогда как, в традиционных сталях 5ХГМ, 4Х5МФС после аналогичного отжига в свободном состоянии фиксируется крупный феррит, сохраняются контуры карбидной сетки, что негативно отражается на дальнейших операциях закалки и отпуска.

3. В процессе закалки во всех исследуемых сталях происходит характерное мартенситное превращение. В стали 70Х3Г2ФТР(м) формируется мелкоигольчатый мартенсит с количеством остаточного аустенита в пределах 7-10 %. В стали 5ХГМ и 4Х5МФС формируется крупноигольчатый мартенсит пластинчатой морфологии, кроме того, в стали 4Х5МФС остаются не растворенными отдельные карбидные включения.

В целях исследования процессов, происходящих при отпуске выбранных экспериментальных сталей инструментального класса, образцы после закалки подвергали отпуску в широком диапазоне температур от 150 °С до 650 °С с интервалом выдержки от 1 до 7 часов. При этом, особое внимание уделено определению особенностей фазовых превращений и выявлению механизма дисперсионного упрочнения при отпуске. Согласно электронно-микроскопическим исследованиям в структуре стали 70Х3Г2ФТР(м) на этапе высокотемпературного отпуска происходит распад мартенсита и насыщение карбидной фазы хромом в процессе перлитного превращения. Оптимальными параметрами отпуска являются: температура нагрева 560-600 °С и время выдержки 3 часа, так как их дальнейшее увеличение влечет за собой коагуляцию карбидных частиц и стабилизирует процесс их выделения. Микроструктура стали 70Х3Г2ФТР(м) после отпуска идентифицируется, как дисперсная феррито-цементитная матрица с карбидным упрочнением.

4. С целью полной идентификации структурных характеристик и определения связи между атомно-кристаллической структурой и свойствами материалов был проведен рентгеноструктурный анализ. С целью полной идентификации структурных характеристик и определения связи между атомно-кристаллической структурой и свойствами материалов был проведен рентгеноструктурный анализ. Анализ рентгенограмм стали 70Х3Г2ФТР(м), после закалки в масле позволил идентифицировать дифракционные спектры α-Fe и γ-Fe, а также карбиды типа TiС, Fe3C. Рентгеноструктурное исследование после закалки с 980-1000 °С, и отпуска 600 °С с выдержкой 3 выявило наличие карбидов Cr23C6, Cr3C2, Cr7C3, V2C, Fe3C. У всех образцов стали 70Х3Г2ФТР(м) присутствует полный дифракционный спектр α-Fe. Значительное количество карбидных пиков подтверждает процесс образования дополнительных стабилизирующих карбидных фаз при отпуске.

5. На основании проведенных исследований с применением методов математической статистики, проверки адекватности и сходимости на практике полученных математических и графических моделей для разработанной стали 70Х3Г2ФТР(м) рекомендован оптимальный режим термической обработки: отжиг II рода при температуре 950 °С, выдержка 2-3 часа, охлаждение с печью; закалка с 980-1000 °С, выдержка 2 часа, охлаждение в масле; отпуск при 560-600 °С, выдержка 3 часа, охлаждение на воздухе. Заявленный режим, на стандартных образцах для механических испытаний гарантирует формирование дисперсной феррито-цементитной матрицы с карбидным упрочнением и достижение значений твердости на уровне 50-55 HRC, предела выносливости не ниже 1480 МПа, ударной вязкости в пределах 49-59 Дж/см2, причем полученные свойства стабильны до температуры 300-350 °С.

Во второй части работы планируется апробация разработанного режима, в качестве упрочняющего для опытного пуансона машины литья под давлением из стали 70Х3Г2ФТР(м) с последующей оценкой тепловой и структурной стабильности в условиях циклического нагружения при температурах эксплуатации.

6. Изготовлены образцы разработанной модифицированной стали 70Х3Г2ФТР(м) после реализации различных режимов термической обработки для физико-механических испытаний в условиях воздействия тепловых циклических нагрузок.

7. По результатам выполнения проекта подготовлена одна статья, принятая к публикации в журнале «AIP Conference Proceedings», который индексируется в базе Scopus, опубликована одна статья в журнале из перечня ВАК «Ученые записки крымского инженерно-педагогического университета», а также сделаны доклады на 3-х международных научно-практических конференциях.