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 втором этапе проекта в 2023-2024 гг. были выполнены исследования позволяющие оценить влияние термического упрочнения разработанной модифицированной стали 70Х3Г2ФТР на механическое и теплофизическое поведение модифицированной стали 70Х3Г2ФТР(м) в условиях циклического нагружения и теплового воздействия в интервалах температур, близких к эксплуатации готового инструмента – пуансона машины литья под давлением алюминиевых сплавов. В итоговой части работы выполнено обоснование технологии упрочнения модифицированной штамповой стали для производства металлургической оснастки, включая анализ напряженного состояния штампового инструмента и оценку экономической эффективности использования разработанной стали 70Х3Г2ФТР(м), подтверждающую промышленную привлекательность разработки.

В ходе выполнения проекта получены следующие результаты:

- сравнительные результаты определения твердости, микротвердости, тепло – и разгаростойкости свидетельствуют, что рекомендованный для стали 70Х3Г2ФТР(м) режим термической обработки: отжиг II рода при температуре 950 ℃, выдержка 2-3 часа, охлаждение с печью; закалка с 980-1000 ℃, выдержка 2 часа, охлаждение в масле; отпуск при 560-600 ℃, выдержка 3 часа, охлаждение на воздухе обеспечивает стабилизацию значений механических и эксплуатационных свойств в интервале температур 350 - 450 ℃.

- выполнена сравнительная оценка статической трещиностойкости термообработанной микролегированной стали для различных температур отпуска. Установлено, что при комнатной температуре показатели статической трещиностойкости стали 70Х3Г2ФТР(м) находятся в пределах от 22,1 до 34,2 МПа×м1/2, а увеличение температуры отпуска в интервале от 500 ℃ до 600 ℃ повышает значения K1c на 50 %.

- в ходе испытаний на циклическую трещиностойкость, по виду кинетических диаграмм усталостного разрушения (КДУР) для различных температур и продолжительности отпуска установили, что для стали 70Х3Г2ФТР(м) изменение температуры и продолжительности отпуска до 500 ℃, в целом, мало влияет на КДУР и, соответственно, на циклическую трещиностойкость. Повышение температуры отпуска с 500 ℃ до 600 ℃, способствует снижению скорости роста усталостной трещины в интервале значений ΔК=14-16 МПа×м1/2 и, повышению в интервале указанных значений ΔК циклической трещиностойкости данной стали. После отпуска при температуре 600 ℃ сталь 70Х3Г2ФТР(м) обладает более высокой циклической трещиностойкостью по сравнению со сталью 4Х5МФС.

- в ходе фрактографических исследований установлено, что в зоне циклического роста трещины, исследованная сталь не имеет выраженных усталостных бороздок, усталостное разрушение образцов стали 70Х3Г2ФТР(м) идет по смешанным модам циклического и статического разрушения. В изломе стали 70Х3Г2ФТР(м) после отпуска при 600 ℃ продолжительностью 3 и 7 часов между зонами циклического и статического разрушения, выявлена так называемая «зона вытяжки», шириной от 4 до 5 мкм, которой соответствуют самые высокие значения показателя статической трещиностойкости K1c=34,2 МПа×м1/2.

- полученные данные сопоставили с данными структурных исследований и карбидообразования, и установили, что такие факторы как размер, форма и распределение карбидов оказывает большое влияние на циклическую и статическую трещиностойкость материала. При более низких температурах отпуска, карбидные частицы, не потерявшие когерентную связь с матрицей мартенсита, могут становиться предпочтительными путями распространения трещин. С повышением температуры отпуска тонкопластинчатые карбиды сменяются обособленными частицами сферического типа, что как правило сопровождается одновременным изменением типа дислокационной структуры при нагреве. Указанные структурные изменения при высоком отпуске вызывают увеличение пластичности матрицы и способствуют росту значений K1с исследуемых сталей.

- оценка тепловой структурной устойчивости показала, что после термической обработки теплофизические характеристики стали 70Х3Г2ФТР(м) отличаются повышенной стабильностью до 300-400 ºС, а в случае теплоемкости до 750 ºС. Стабильность теплофизических параметров объясняется наличием в структуре экономно-легированной стали сложных дисперсных карбидных фаз типа Cr7C3 и более сложных карбидных включений, содержащих тугоплавкие элементы титан и ванадий. Полученные значения теплофизических характеристик хорошо согласуются с полученными ранее значениями механических и технологических свойств в указанном интервале температур для стали 70Х3Г2ФТР(м).

- по результатам применения метода ДМА установлены зависимости модуля упругости от частоты, амплитуды нагружения и температуры. Испытания показали высокую стабильность теплофизических характеристик стали 70Х3Г2ФТР(м) в широком частотном диапазоне, наблюдались небольшие потери стабильности только в области наибольших частот свыше 70–80 Гц. При температуре испытания 400 ℃ однозначной зависимости модуля упругости от величины деформации не выявлено. Для всех температур испытания величина наблюдаемого изменения модуля упругости от деформации не превышает 0,2 %.

- выполнены рентгеноструктурные исследования в температурном диапазоне от –187 ℃ до 300 ℃. По данным дифрактограмм установлено, что в исследуемом материале в указанном температурном интервале отсутствуют какие-либо фазовые превращения, происходит изменение периода решетки, изменение носит линейный характер. Выявлено, что фазовый состав в виде тонкопластинчатой феррито-цементитной смеси с карбидным упрочнением с ростом температуры до 300 ºС не меняется, что согласуется с ранее полученными данными дилатометрического анализа.

- результаты исследования текстуры образцов стали 70Х3Г2ФТР(м) включая построение и анализ прямых и обратных полюсных фигур, используя линии (110), (200) и (211) позволил выявить на прямых полюсных фигурах, полученных по линии 110, слабое по интенсивности кольцо при угле α≈ 30°, что является свидетельством слабовыраженной аксиальной текстуры (111). На обратных полюсных фигурах по направлению z видно увеличение полюсной плотности вблизи плоскости (111), что согласуется с данными ППФ и подтверждает наличие слабовыраженной аксиальной текстуры. Данные показывают, что основные колебания интенсивности наблюдаются в пределах погрешности.

- методом просвечивающей электронной микроскопии установлено, что структура после предварительной термической обработки представляет дисперсную феррито-цементитную смесь, с межпластинчатым расстоянием около 100-150 нм. Большинство упрочняющих карбидных включений имеют сферическую форму и расшифровываются в предположении карбидной фазы Cr7C3. Однако, на разных электронограммах карбидных фаз зафиксировано изменение параметров решётки, что, с учетом карбидного анализа методом выделения карбидных осадков, выполненного ранее, свидетельствует об изменении состава карбидов. Проведение дополнительных исследований карбидных фаз методом микрорентгеноспектрального анализа показало, что в разработанной стали 70Х3Г2ФТР(м), наряду с карбидами типа Cr7C3 в структуре присутствуют и более сложные карбидные включения, содержащие тугоплавкие элементы титан и ванадий.

- проведенные исследования позволили установить взаимосвязи между состоянием тонкой структуры металла и физико-механическими свойствами, что оказывает определяющее влияние на прогнозирование деформационного поведения стали при различных условиях нагружения и теплового воздействия в интервале температур от 350 ℃ до 500 ℃.

- исследование дефектных зон готового изделия в виде пуансона машины литья под давлением с помощью индикатора механических напряжений «Stressvision» позволило отобразить распределение разности главных механических напряжений (РГМН) и идентифицировать явные, скрытые и зарождающиеся дефекты исследуемого участка изделия. Анализ напряженного состояния готового изделия позволил выявить локальные зоны для стали 70Х3Г2ФТР, в которых максимальное значение РГМН составляет 22,20 у.ед., тогда как для стали 4Х5МФС в наиболее напряженной зоне максимальное значение РГМН в которой равно 91,43 у.ед., что в несколько раз выше, чем у стали 70Х3Г2ФТР(м), что подтверждает высокую сопротивляемость стали 70Х3Г2ФТР(м) температурным воздействиям, по сравнению с традиционными аналогами.

- по результатам второго года реализации проекта подготовлены четыре статьи в журналы, две из которых индексируются в базе Scopus, (одна из них опубликована в журнале 1-го квартиля), а также сделаны доклады на 3-х международных конференциях. Так же одна статья отправлена на рецензирование в журнал The International Journal of Advanced Manufacturing Technology издательства Springer.