Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,674

NEW MODES OF HEAT TREATMENT OF HIGH-CHROMIUM STEELS WITH HIGH WEAR RESISTANCE FOR PUMPS

Nikiforova S.M. 1 Khadyev M.S. 1 Zhilin A.S. 1 Filippov M.A. 1 Ryzhkov M.A. 1 Ozerets N.N. 1
1 «Ural Federal University named after the first President of Russia B.N.Yeltsin»
This article is devoted to the study of the influence of heat treatment and abrasive wear on the behavior of austenite in high-chromium steels Kh12M and 95Kh18. It is shown that heat treatment, including quenching from 1100?°C lead to the formation of metastable structures, with subsequent exposure to which the abrasive wear occurring phase transformation. Metastable austenite is transformed into martensite deformation, which ultimately significantly strengthens the working surface. The result of this study is to define the modes of heat treatment of steels X12M and 95X18 based on the analysis of the phase composition and mechanical properties, which guarantee high parameters of wear resistance in abrasive wear. It is carried out the estimation of the amount of residual austenite in the analyzed steels and it is shown that 30?% of austenite in the steel Kh12M and 55?% of residual austenite in the steel 95Kh15 transformed into deformation martensite.
mud pumps
metastable austenite
wear resistance
phase transformations
high chromium steels
heat treatment
hardness
1. Geller Ju.A. Instrumentalnye stali 5-e izd. M.:Metallurgija. 1968. 568 р.
2. Ivanova V.S. Sinergetika v metallovedenii // MiTOM. 2005. no. 2. рр. 12–19.
3. Korshunov L.G., Gojhenberg Ju.N., Tereshhenko N.A., Uvarov A.I., Makarov A.V., Chernenko N.L. Iznosostojkost i struktura poverhnostnogo sloja azotsoderzhashhih nerzhavejushhih austenitnyh stalej pri trenii i abrazivnom vozdejstvii // FMM. 1997. T. 84. Vyp. 5. рр. 137–149.
4. Schastlivcev V.M., Filippov M.A. Rol principa metastabilnosti austenita Bogacheva-Minca pri vybore iznosostojkih materialov // MiTOM. 2005. no. 1 рр. 6–9.
5. Filippov M.A., Gervasev M.A., Plotnikov G.N., A.S. Zhilin, S.M. Nikiforova. Formirovanie struktury i iznosostojkih stalej 150HNML i H12MFL pri zakalke // MiTOM. 2015. no. 11. рр. 5–9.
6. Schmidt I. Reibungsinduzierter Martensit in austenitischen Fe-Mn-C Stahlen // Zeitschrift fur Metallkude. 1984. Bd. 75, H. 10. рр. 747–754.

В современном машиностроении, в особенности автомобилестроении, активно проводятся работы по разработке функциональных материалов с повышенной контактной прочностью, обусловленной TRIP-эффектом (пластичностью, наведенной превращением). В основе работы изделий из данной стали лежит их способность в исходном состоянии или после термической обработки иметь метастабильные структуры, которые в дальнейшем при определенном воздействии, например, абразивным износом способны претерпевать фазовые превращения, в результате которых происходит упрочнение изделия [4].

Износостойкие материалы в условиях абразивного, гидро- и газоабразивного, эрозионного, кавитационного и других воздействий должны обладать структурой, способной к максимальному упрочнению под влиянием контактного нагружения. Рабочая поверхность таких материалов отличается высокой эксплуатационной прочностью, препятствующей внедрению частиц абразива. Одними из наиболее эффективных и в то же время экономически доступных для крупного серийного производства материалов являются стали, в которых при определенных условиях сформирована метастабильная структура, приобретающая в результате фазовых превращений необходимые свойства за счет качественного и количественного изменения структурных составляющих [2, 3, 6].

К распространённым деталям, подвергающимся гидроабразивно-коррозионному воздействию агрессивных жидкостей, содержащей твёрдые частицы, принадлежат, например, рабочие лопатки и улитки центробежных насосов, цилиндровые втулки буровых насосов. Срок службы таких деталей не превышает 100–200 ч вследствие гидроабразивного и коррозионного изнашивания и появления недопустимо больших зазоров в сопрягаемых деталях [5]. Поэтому настоящая работа представляет большой практический интерес в разработке технологии производства цилиндровых втулок буровых насосов, обладающих повышенной износостойкостью за счет работы метастабильной структуры в процессе эксплуатации.

Целью настоящего исследования является определение влияния термической обработки и абразивного изнашивания на поведение остаточного аустенита в высокохромистых сталях Х12М и 95Х18, в настоящее время используемых в производстве деталей насосов нефтегазовым машиностроением.

Материалы и методы исследования

Для работы выбраны две стали ледебуритного класса – Х12МФЛ после нормализации и отпуска и 95Х18 после горячей прокатки и отжига. Из сталей изготовлены образцы размером 10×10×25 мм для изучения микроструктуры и испытаний на абразивное изнашивание.

Термическую обработку проводили в печах, при этом температуру нагрева под закалку изменяли в широком диапазоне температур от 850 до 1170 °С. Выдержка при температуре нагрева составляла 30 мин, с последующим охлаждением в масле.

Оценка износостойкости образцов производилась с помощью методики изнашивания по закреплённому образцу, реализованной на специальной установке. Образцы с площадью рабочей части 10×10 мм совершали возвратно–поступательное движение по шлифовальной бумаге 14А32МН481 (ГОСТ 6456-82) на корундовой основе. Нагрузка на образец составляла 10 кг (удельная нагрузка 1 МПа).

Абразивная износостойкость определялась по результатам двух параллельных испытаний, сравнение результатов производили через относительные единицы:

ε = ΔМэ/ΔМо,

где ε – относительная износостойкость; ΔМэ – потеря массы образца-эталона – валковой стали 9Х5МФС после закалки от 900 °С и низкого отпуска (0,4100 г); ΔМо – потеря массы испытуемого образца, которая составляла менее 1 % на пути трения 30 м [5].

Фазовый состав поверхности образцов после изнашивания определяли методом рентгеноструктурного анализа, упрочнение рабочей поверхности оценивали по приросту микротвёрдости при нагрузке 0,49 Н.

Электронно-микроскопическое исследование тонких фольг, полученных из поверхностного рабочего слоя образцов, проводилось на микроскопе ЭМВ-100Л в режиме светлопольного и темнопольного изображений и режиме микродифракции.

Рентгенофазовый и рентгеноструктурный анализы проводили после первичной обработки экспериментальных данных. Первичную обработку выполняли с помощью программного комплекса Shimadzu, позиции пиков определяли с помощью программы ORIGIN.

Дилатометрические измерения проводили на дилатометре L78 RITA «Rapid Induction Thermal Analysis»

Результаты исследования и их обсуждение

Дилатометрический анализ стали Х12МФЛ проведен с целью определения критических температур и температуры начала мартенситного превращения. По дилатометрическим эффектам определены характерные структурные превращения в стали. Определение температуры Мн проведено для трёх различных состояний после разных температур нагрева под закалку с быстрым охлаждением – от 900, 1000 и от 1100 °С.

Температура аустенитизации, как и следовало ожидать, при принятой скорости охлаждения (3 °/с) оказывает значительное влияние на положение температуры Мн: если при температуре нагрева 900 °С температура Мн составляет 300 °С, то вследствие повышения температуры нагрева образцов до 1000 и 1100 °С температура Мн снижается до 230 и 140 °С соответственно (рис. 1).

Характер влияния температуры нагрева под закалку на температуру начала мартенситного превращения для стали 95Х18 подобен характеру поведения стали Х12МФЛ (рис. 1). При температуре нагрева 900 °С точка Мн составляет 280, при 1100 °С точка Мн снижается до 150 °С.

Металлографический анализ полученных структур показал, что выбранные в опытах температуры нагрева под закалку не обеспечивают полного растворения карбидов М7С3 в аустените. По данным [1] суммарное количество карбидов в сталях, к которым относится Х12МФЛ, при температурах нагрева 900, 1000 и 1100 °С составляет около 15 и 3 % соответственно. Содержание углерода и хрома в мартенсите увеличивается по сравнению с исходным отожжённым состоянием примерно вдвое, что приводит к понижению температуры начала мартенситного превращения, а также к повышению содержания остаточного аустенита с увеличением температуры аустенитизации (рис. 2).

pic_52.tif

Рис. 1. Температурная зависимость начала мартенситного превращения для стали Х12МФЛ

pic_53.tif pic_54.tif

а б

Рис. 2. Структура стали 95Х18 после закалки от разных температур: а – 900 °С; б – 1170 °С

Одной из главных причин повышения абразивной износостойкости Х12МФЛ и 95Х18 в результате высокотемпературной закалки является образование мартенсита деформации. Однако немаловажное значение имеет тот факт, что остаточный аустенит и образующийся из него мартенсит имеют повышенное содержание углерода, что обуславливает высокую микротвёрдость и способность к упрочнению.

Исходная структура образцов стали Х12МФЛ представлена карбидно-аустенитной эвтектикой по границам первичных кристаллов аустенита и избыточных карбидов [1]. Сталь 95Х18 содержит мартенсит плюс избыточные карбиды, часть которых ориентирована в направлении прокатки стали. При закалке от 900–1000 °С структура обеих сталей обеспечивает высокую твёрдость (61–64 НRC) за счет мартенсита и избыточных карбидов. Однако максимальную износостойкость в условиях абразивного изнашивания достичь не представляется возможным.

Повышение температуры нагрева под закалку сталей 95Х18 и Х12МФЛ до 1100–1170 °С существенно влияет на структуру обеих сталей. При этом происходит снижение твёрдости до 44 и 49 НRC для сталей 95Х18 и Х12МФЛ соответственно. Это происходит по причинам растворения определенной доли карбидов и одновременным увеличением количества остаточного аустенита (до 95 и 60 % соответственно для сталей 95Х18 и Х12МФЛ). Поэтому износостойкость обеих сталей при абразивном изнашивании, особенно для стали 95Х18, растет. Результаты металлографического анализа приведены в таблице.

Остаточный аустенит, получаемый в результате высокотемпературной закалки в сталях 95Х18 и Х12МФЛ (1100–1170 °С), метастабилен и превращается в высокоуглеродистый мартенсит деформации в процессе изнашивания, что придаёт сталям максимальную износостойкость (в 4–5 раз выше износостойкости стали 9Х5МФС после закалки от 900 °С) вследствие обеспечения высокой способности к фрикционному упрочнению рабочей поверхности. Микротвёрдость рабочей поверхности сталей 95Х18 и Х12МФЛ после изнашивания достигает 11–12 ГПа.

Количество мартенсита (α) и аустенита (γ) в сталях Х12МФЛ и 95Х18 после закалки от разных температур до и после испытаний на абразивный износ

Температура нагрева под закалку

До абразивного износа

После абразивного износа

Сталь 95Х18

900 °С

95–97 % α

95–97 % α

1100 °С

45 % γ, 55 % α

98 % α

1170 °С

95 % γ, 5 % α

60 % α, 40 % γ

Сталь Х12МФЛ

900 °С

96–98 % α

96–98 % α

1100 °С

20 % γ, 80 % α

90 % α, 10 % γ

1170 °С

60 % γ, 40 % α

70 % α, 30 % γ

pic_55.tif а  pic_56.tif б

pic_57.tif  в pic_58.tif г

Рис. 3. Трансмиссионное изображение микроструктуры поверхности стали Х12МФЛ после закалки от 1170 °С и испытания на абразивное изнашивание: а, б – светлопольное и темнопольное изображения в рефлексе α-фазы; в – микродифракция; г – схема индицирования

Электронно-микроскопическое исследование тонких фольг стали Х12МФЛ, после закалки от 1170 °С, полученных с рабочей поверхности после изнашивания, показало наличие пластин мартенсита, остаточного аустенита и карбидов типа Cr7C3. Дисперсные кристаллы мартенсита деформации с длиной, соответствующей ширине микроцарапин, оставленных после прохода абразивных частиц, образуются параллельными периодическими рядами. Ширина кристаллов мартенсита деформации, образующихся под углами, определёнными кристаллографическими соотношениями решётки аустенита по отношению к направлению движения частиц (рис. 3), относится к ультрадисперсным и наноразмерным величинам и составляет в локальных участках поверхности примерно 50–70 нм.

Выводы

1. Повышение температуры закалки сталей 95Х18 и Х12МФЛ до 1170 °С вызывает увеличение содержания количества остаточного аустенита до 95 % для стали 95Х18 и 60 % для стали Х12МФЛ.

2. Остаточный аустенит, получаемый в результате высокотемпературной закалки в сталях 95Х18 и Х12МФЛ, метастабилен и превращается в ультрадисперсный и нанокристаллический мартенсит деформации (55 % в первой и 30 % во второй стали) в процессе изнашивания, что придаёт сталям несмотря на пониженную перед испытанием на изнашивание исходную твёрдость, максимальную износостойкость вследствие обеспечения высокой способности к фрикционному упрочнению рабочей поверхности сталей

3. Определены интервалы температуры нагрева под закалку 1050–1170 °С, обеспечивающие повышенную износостойкость сталей.