ВЛИЯНИЕ ОХЛАЖДЕНИЯ В РАСТВОРЕ ПОЛИМЕРА НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВЫСОКОМАРГАНЦОВИТОЙ СТАЛИ

АННОТАЦИЯ

В статье приведены результаты экспериментов по термической обработке стали 110Г13 в среде водного раствора натриевой соли карбоксилметилцеллюлозы. Выявлены возможности регулирования охлаждающей способности водного раствора в температурном интервале структурных превращений для улучшения механических свойств стали 110Г13Л. Охлаждение в среде водного раствора полимера за счёт «саморегулирования» охлаждающей способности позволяет повысить пластичность, уменьшает величину зерен, способствует получению гомогенной, аустенитной структуры.

ABSTRACT

The article presents the results of experiments on the heat treatment of 110Г13 steel in an aqueous solution of sodium carboxylmethylcellulose. The possibilities of regulating the cooling capacity of an aqueous solution in the temperature range of structural transformations to improve the mechanical properties of 110Г13L steel have been identified. Cooling in an aqueous polymer solution, due to “self-regulation” of the cooling ability, increases plasticity, reduces the grain size, and helps obtain a homogeneous, austenitic structure.

Ключевые слова: термичекая обработка, сталь, охлаждающая способность, охлаждающая среда, скорость охлаждения. 

Keywords: heat treatment, steel, cooling capacity, cooling medium, cooling rate.

Повышение качества металлопродукции является одним из основных направлений обеспечения долговечности и надежности работы деталей и узлов технологического и другого вида оборудований. Получение необходимых эксплуатационных свойств напрямую зависит от стабильности механических свойств металлопродукции, а для металлов, используемых для изготовления сварочных конструкций – еще и от гарантированного химического состава.

Для деталей, работающих в условиях абразивного износа применяются высокомарганцовистые стали аустенитного класса 110Г13Л и её модификации.

Сталь 110Г13Л по износостойкости, устойчивости к статическим и динамическим нагрузкам имеет превосходство по сравнению с другими металлами, используемыми для изготовления деталей горнорудного оборудования. В то же время сталь имеет высокую чувствительность к условиям плавки, содержанию С, Si, S в составе отливки, способу легирования для образования карбидообразующих элементов, модифицирования. Обеспечение стабильного состава и механических свойств стали согласно ГОСТ 977-88, ГОСТ21357-88 является сложной задачей при получении отливок для изготовления деталей. В целях оптимизации структуры, механических и технологических свойств стали 110Г13Л проводятся исследования новых её модификаций легированием Ni, Mo, применением модификаторов из редкоземельных элементов.

Высокие механические и технологические свойства обеспечиваются термообработкой вышеуказанных видов стали, где результатом является полученная гомогенная структура без карбидных включений и силикатов. По ГОСТ 977-88 стандартная температура закалки составляет 1050–1100 °С независимо от химического состава стали. Предельные значения элементов состава аустенитных сталей имеют значительные различия. Карбиды, образующиеся при термообработке по стандартному режиму в зависимости от содержания углерода, содержат менее 6,67 % углерода и не растворяются при термообработке.

Исследованиями с применением множественного корреляционного анализа зависимости механических свойств от химического состава стали 110Г13Л выявлено, что увеличение содержания углерода способствует росту σв, σт, снижает относительное сужение и ударную вязкость. В то же время увеличение содержания марганца приводит к росту показателей механических свойств, увеличение содержания кремния приводит к обратному эффекту [1].

При увеличении содержания марганца происходит растворение атомов марганца в аустенитной матрице, кремний же образует карбиды за счет вытеснения углерода на границы зерен, количество силикатов возрастает [1; 2].

В горнодобывающей отрасли кроме экскаваторов, бульдозеров, автомобилей для транспортировки руды широко используется железнодорожный транспорт, где к материалам для изготовления деталей предъявляются особые требования. Для изготовления железнодорожных крестовин ГОСТ7376-86 регламентирует следующий состав высокомарганцовистой стали аустенитного класса:

Таблица 1

Состав высокомарганцовистой стали аустенитного класса

Согласно ГОСТ7376-86 в зависимости от механических свойств высокомарганцовистой стали для отливок определены группы по наименьшему из показателей механических свойств в таблице 2.

Таблица 2.

Показатели групп механических свойств высокомарганцовистой стали для отливок

При подобных значениях разброса химического состава и механических свойств получение литейных заготовок из высокомарганцовистой стали с гарантированным комплексов свойств представляет собой довольно сложную задачу.

Установлено, что даже небольшие отклонения содержания различных компонентов в пределах этих значений влияют по-разному на конструктивные и технологические показатели стали. В расплавленном металле взаимодействие компонентов может способствовать к возникновению различных включений в структуре металла. Отклонения от среднего уровня содержания химических элементов наблюдается в различных плавках, разброс предельных значений приводит к изменению состава, структуры металла, к невозможности получения металлоизделия с необходимыми или гарантированными свойствами [1; 2; 3].

Наиболее доступными способами повышения износостойкости, конструкционной прочности является уменьшение разброса процентного соотношения содержания при подготовке шихты, модифицирование и выбор оптимального режима термической обработки. Для термообработки предложены различные способы и составы охлаждающих жидкостей, ступенчатая закалка и др. Влияние термической обработки на механические и другие свойства сталей исследованы в работе [2].

Охлаждение водой и индустриальными маслами для закалки все еще находит широкое применение при термической обработке деталей, изготовленных из различных марок конструкционных сталей, в том числе и высокомарганцовистых сталей. Охлаждающие способности этих сред изучены достаточно в полном объеме. Известно так же, что имеются различия в охлаждающих способностях сред. Вода обеспечивает более высокую скорость охлаждения в интервале температур мартенситного превращения, что может привести к деформации деталей, к появлению трещин.  Масло имеет максимальную скорость охлаждения при температуре близкой к 250 °С, что повышает вероятность развития перлитного превращения, которое является нежелательной структурой для многих конструкционных сталей.

Машиностроительная и обрабатывающие отрасли освоили и осваивают также новые охлаждающие жидкости на основе полимеров, поверхностно-активных веществ.  Ведутся так же исследования по улучшению качества закалочных масел, широко применяемых до сегодняшнего дня из-за доступности как материалов, так и по доступности технологии.

Исследования в области охлаждающих жидкостей ведутся в двух направлениях – разработка технологических охлаждающих жидкостей, имеющих скорость охлаждения в промежутке между скоростями охлаждения в масле и воде; решение вопросов, связанных с экономикой, экологией и способами регенерации при использовании масла.

Промышленные предприятия при термической обработке в качестве охлаждающих жидкостей применяют также водные растворы полимеров: железосодержащая полиакриловая кислота (ПК-2), водный полиакриламида (ПАА), карбоксилметилцеллюлозы (Na–KMЦ) с различными добавками, моносульфатного черного щелока (МСЦ), «Thermisol» и «Aquatensid» в различных концентрациях и другие.

При проведении экспериментов по закалке литых заготовок из стали 110Г13Л в качестве охлаждающей жидкости применяли 2 % водный раствор карбоксилметилцеллюлозы с добавлением буры 1,8 % [3].

Водный раствор полимера карбоксилметилцеллюлозы по охлаждающим свойствам занимает промежуточное положение между охлаждением водой и маслом. Выбор охлаждающей жидкости обосновывается доступностью и дешевизной компонентов, технологии изготовления раствора. Охлаждающую способность оценивали по величине зерна в различных частях литой заготовки.

В температурном интервале кристаллизации на микроструктуру стали существенно влияет степень переохлаждения. Уменьшение или увеличение степени переохлаждения в свою очередь связано с изменением скорости охлаждения. При низкой скорости охлаждения и соответственно степени переохлаждения в единице времени образуются малое количество центров кристаллизации, скорость роста зародышей будет высокой. При скоростях охлаждения 5 °С/с происходит увеличение объемных размеров отдельных зерен, что повышает хрупкость. Повышение же скорости охлаждения 10 °С/с и более способствует к увеличению неравномерности микроструктуры.

Водный раствор карбоксилметилцеллюлозы имеет различные скорости охлаждения в температурных интервалах структурных превращений. Основной характеристикой охлаждающих жидкостей является охлаждающая способность. Методика определения охлаждающих жидкостей установлена стандартом ASTM D6200. Охлаждающая способность среды определяется анализом кривых охлаждения, полученных регистрацией температуры по времени в центре термозонда диаметром 12,5 мм. К основным характеристикам охлаждающих жидкостей относятся: 

• максимальная скорость охлаждения, V_max;
• температура, при которой достигается V_max;
• скорость охлаждения в интервале температур 700–500 ^оС;
• скорость охлаждения при температуре 300 ^оС;
• время охлаждения до 600 ^оС;
• время охлаждения до 400 ^оС;
• время охлаждения до 200 ^оС;

Основные характеристики водного раствора полимера Na–KMЦ и кривой охлаждения показаны в таблице 3 и на рисунке 1.

Таблица 3.

Основные характеристики водного раствора полимера Na–KMЦ и кривой охлаждения

Физический процесс регулирования скорости охлаждения водным раствором полимера происходит в следующей последовательности: под воздействием охлаждающей жидкости поверхность заготовки мгновенно остывает до температуры кипения раствора. Образуется паровая рубашка, которая постепенно удаляется водным раствором полимера. Фронт теплоотвода начинает перемещаться в глубь заготовки.

При этом скорость перемещения фронта теплоотвода на различных участках заготовки в зависимости от геометрических размеров будет отличаться по объему заготовки.

В общем случае скорость перемещения фронта теплоотвода определяется соотношением критериев Фурье и Био.

Максимальная скорость или необходимая скорость охлаждения в центре заготовки достигается при установлении регулярного теплового режима.  Регулярный тепловой режим в зависимости от формы изделия достигается при Fо=0,2-0,3.

1-в области мартенситного превращения, 2- в области промежуточного превращения, 3-  в области перлитного превращения

Рисунок 1. Зависимость средней скорости охлаждения от % содержания полимера Na – КМЦ

Охлаждение перемешиванием охлаждающей жидкости с определенным первоначальным расходом продолжается до получения максимальных скоростей теплоотвода в наиболее удаленных от поверхности заготовки участках (в центре), когда близко к завершению необходимое структурное превращение.

Время охлаждения, т.е. критическое время охлаждения, можно определить из условия достижения в центре заготовки регулярного теплообмена.

Для цилиндрических деталей радиусом R и для плоских деталей толщиной в критерий Фурье можно определить из соотношений:

   для цилиндрических деталей;

  для плоских деталей,

где τ_кр – критическое время охлаждения;

α  – коэффициент теплопроводности стали.

Во многих случаях, за исключением деталей большой массы, величина τ_кр составляет ориентировочно 20÷25 % от общего времени охлаждения детали.

Термообработка литых заготовок из стали 110Г13Л проводилась в среде водного раствора карбоксилметилцеллюлозы при температуре 1050–1100 °С, что соответствует стандартной температуре термической обработки для высокомарганцовистых сталей.

Существенным преимуществом при регулировании скорости охлаждения в растворе полимера Na–KМЦ является изменение растворимости полимерного соединения в воде при изменении температуры раствора. Изменение растворимости приводит к изменению вязкости и теплофизических свойств раствора.

Процесс закалки в растворе полимера сопровождается тремя характерными стадиями охлаждения:

• образование паровой рубашки;
• кипения раствора;
• конвекционного теплообмена.

В начальном этапе охлаждения, когда заготовка погружается в раствор – повышается его температура. Растворимость полимера уменьшается и на поверхности закаливаемой детали образуется пленка полимера. Пленка образуется по всей поверхности детали, погружаемой в охлаждающий раствор. Толщина пленки при этом зависит от температуры отдельных участков детали. Участки, имеющие небольшую толщину, охлаждаются быстрее. Образовавшаяся пленка обладает охлаждающими свойствами, отличными по сравнению с охлаждением водой.  Пленка полимера повышает равномерность скорости охлаждения за счет её уменьшения на участках, где образовалась пленка большей толщины.

Термообработка литой заготовки была произведена при температуре 1050–1100 °С, что соответствует стандартной температуре термической обработки для высокомарганцовистых сталей. Химического состава металла определяли с использованием эмиссионного спектрометра. Химический состав металла заготовки приведен в таблице 4.

Таблица 4.

Химический состав металла заготовки

Для оценки влияния охлаждающей способности водного раствора полимера на механические характеристики металла были проведены соответствующие механические испытания.

Твердость образца замеряли методом Бринеля согласно ГОСТ 9012–59, диаметр индентора 10 мм, нагрузка 3000кГс, время выдержки под нагрузкой 15 с. Замеры производились в разных точках образца.

Образцы на ударную вязкость имели U образный надрез. Испытания проводились согласно ГОСТ 9454–78. Результаты механических испытаний показаны в таблице 5.

Таблица 5.

Результаты механических испытаний

В вышеприведенной таблице указаны средние значения измеренных величин.

Начальная температура раствора варьировалась в пределах от 20 °С до 50 °С. Исследованием микроструктуры было выявлено, что при начальной температуре раствора (50 °С) величина зерна после закалки практически одинаковая на различных участках заготовки и соответствует баллу 2, по 5-ти бальной системе, принятой в производстве. Избыточные карбиды распространены по границам зерен равномерно, структура гомогенная, аустенитная.

Было установлено также, что наиболее оптимальная структура формируется при начальной температуре раствора 50 °С и скорости охлаждения в интервале 4÷4,8 °С/с. Медленное или быстрое охлаждение вышеуказанных значений приводит к неоднородности зерен за счет увеличения отдельных зерен в первом случае или же к росту всех зерен во втором случае. Такие явления ухудшают отдельные механические свойства отливок. При высоких скоростях охлаждения (более 20 °С/с) увеличивается неравномерность структуры, скорость зарождения центров кристаллизации преобладает над ростом зерен аустенита.

Изменением концентрации раствора и скорости перемешивания появляется возможность регулирования скорости охлаждения и его охлаждающих свойств. При охлаждении в среде водного раствора карбоксилметилцеллюлозы получается структура с единичным количеством карбидов небольшого размера, что позволяет обеспечить оптимальное сочетание твердости и ударной вязкости, практически для каждого состава стали и геометрических размеров детали подобрать концентрацию раствора, обеспечивающего оптимальные механические свойства за счет улучшения прокаливаемости.

Выводы

1. Механические свойства стали 110Г13Л можно улучшить выбором оптимального режима термообработки и скорости охлаждения в интервале формирования микроструктуры.
2. Применение водного раствора карбоксилметилцеллюлозы способствует получению гомогенной аустенитной структуры за счет обеспечения равномерной теплоотдачи при изменении скорости охлаждения.

Список литературы:

1. Большаков В.И. Юшкевич О.П. Определение и сравнения уровней вклада химических компонентов в комплекс механических свойств стали 110Г13Л // Металлургическая и горнорудная промышленность: научно-технический и производственный журнал. – № 6. – Дн-ск, 2013. – С.34–38.
2. Гарост А.И. Влияние технологических факторов на структуру и свойства отливок высокомарганцовистой стали // Литье и металлургия. – 2005. – № 1(33). – С. 126-131.
3. Эргашев М., Садуллаев З.Ш., Хожибекова Ш.М., Рауфов Л.М. Исследование влияния охлаждающей жидкости на основе водного раствора полимера на свойства марганцовистой стали // Universum: Технические науки. – 2023. – 4(109). – С. 27–32.