книги / Технология термического производства. Способы наноструктурирования материалов
.pdf
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 6.3 |
Свойства стали 40Х после различных обработок |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Вид обработки |
σВ |
|
σТ |
δ |
|
ψ |
KCU, |
|
МПа |
|
% |
Дж/см2 |
|||
ТЦО, 3 цикла |
618 |
|
371 |
23,5 |
|
60,3 |
91/ 35 |
4 цикла |
623 |
|
373 |
24,0 |
|
59,8 |
105/35 |
5 циклов |
607 |
|
386 |
29,0 |
|
62,4 |
130/60 |
Отжиг |
683 |
|
400 |
26,0 |
|
56,8 |
60–70/30–32 |
Нормализация |
654 |
|
375 |
27,8 |
|
57,0 |
60–67/30 |
с отпуском |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
Примечание: для KCU в числителе – результат испытания при температуре + 20 °С, в знаменателе – при температуре – 40 °С.
Для уменьшения действия отпускной хрупкости в легированных сталях перлитного класса необходимо снизить насыщенность феррита различными примесями вблизи границ зерен. Это может быть достигнуто увеличением общей протяженности границ зерен, т.е. вследствие резкого их измельчения. При ТЦО происходит сильное измельчение зерен, и это должно если не устранить явление отпускной хрупкости в сталях, то хотя бы сильно ослабить его. Исследования показали, что высказанное предположение полностью подтверждается.
Эксперименты проводились с выдержками при отжиге, нopмализации, закалке и отпуске ТЦО и отпуске по одному часу. Результаты испытаний стали 40Х были следующими:
|
|
KCU, Дж/см2 |
Отжиг............................................................................... |
|
76 |
Нормализация................................................................. |
81 |
|
Закалка |
+ отпуск, 550° С, охл. с печью...................... |
125 |
Закалка |
+ отпуск, 550° С, охл. в воде........................ |
138 |
ТЦО.................................................................................. |
|
323 |
201
ТЦО + отпуск, 550 |
°С, охл. с печью.............................. |
257 |
ТЦО + отпуск, 550 |
°С, охл. в воде................................. |
257 |
Из приведенных данных видно, что после ТЦО сталь не обладает отпускной хрупкостью второго рода и совсем не чувствительна к скорости охлаждения.
Следовательно, ТЦО позволяет повышать работоспособность легированных сталей в условиях динамических нагрузок и повышенных температур, не превышающих температуру отпуска.
Высокотемпературная циклическая электротерми-
ческая обработка. Циклическая электротермическая обработка (ЦЭТО) легированных сталей отличается тем, что требуется после быстрых нагреваний и быстрых охлаждений. Одновременно необходимо, чтобы происходил полный распад аустенита на феррит и карбиды. Но у легированных сталей С-образная кривая распада аустенита сдвинута вправо от ординаты, т. e. распад начинается и заканчивается намного позднее, чем в нелегированных сталях. Для обеспечения распада аустенита в каждом цикле производят соответствующую по длительности выдержку при постоянной температуре. Последнее охлаждение ведется так же, как при закалке.
Таким образом, ЦЭТО легированных сталей представляет собой электронагревание со скоростью 50 град/с до температуры полной аустенитизации, охлаждение воздухом со скоростью 50 град/с до температуры наиболее быстрого изотермического распада аустенита (420−450 °С) и выдержку 200 с. По окончании выдержки производят второй, третий и последующие циклы изотермических электрозакалок. Последний термоцикл − обычная электрозакалка [38]. Термоциклической обработке по описанному режиму подвергались проволочные образцы диаметром 2,0 и длиной 225 мм из сталей 40ХН и 40ХНМ.
202
Врезультате такой обработки получили повышение прочности и пластичности (табл. 6.4).
Всравнении с печной закалкой ЦЭТО дает большие пре-
имущества. Предел прочности возрастает на 400−500 МПа, т.е. на 40−50 %. Сопоставление свойств, получаемых после циклической электротермической и после высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО), позволяет сделать вывод о том, что ЦЭТО значительно улучшает механические характеристики стали (прочность, пластичность) в сравнении с обычной закалкой независимо от исходного состояния материала. Показано, что ВТМО стали 40ХНМ дает результаты, сопоставимые с ЦЭТО.
Таблица 6.4
Свойства сталей 40ХН и 40ХНМА [36]
Предваритель- |
Окончательная |
40ХН |
|
40ХНМ |
||
ная обработка |
обработка |
σВ, МПа |
ψ, % |
σВ, МПа |
ψ, % |
|
Нормализация |
Печная закалка |
1900 |
|
3 |
2000 |
3,8 |
|
ЦЭТО |
2400 |
|
38 |
2380 |
45 |
|
Печная закалка |
1900 |
|
3 |
2200 |
5 |
Отжиг |
ВТМО |
− |
|
− |
2400 |
38 |
|
ЦЭТО |
2300 |
|
48 |
2380 |
45 |
Микроструктурный анализ показал, что при ЦЭТО происходит измельчение зерен. Так, диаметр зерен после печной закалки сталей 40ХН и 40ХНМ равен 17−20 мкм, а после ЦЭТО – 7−8 мкм. Именно измельчением зерен в сталях и благоприятной неоднородностью микроструктуры мартенсита объясняется повышение характеристик прочности и пластичности при ЦЭТО.
Опыт оптимизации технологических параметров ЦЭТО привел к созданию режимов с переменными параметрами не только по скоростям нагреваний, но и по температурным
203
диапазонам термоциклирования. Их эффективность показана в работе [38]. Известно несколько способов ЦЭТО с переменными параметрами. Так, изучено влияние циклической электротермообработки на механические свойства и структурное состояние проволочных образцов из стали 40Х. В одном случае при неизменной скорости нагревания от цикла к циклу уменьшалась температура нагревания (рис. 6.5, а). Второй способ − повышающиеся от цикла к циклу скорости и температуры нагреваний (рис. 6.5, б). Эксперименты проводились на отожженных образцах диаметром 2,3 и длиной 300 мм. Нагревания осуществлялись пропусканием переменного электрического тока через образец. Нагревание и выдержка при обычной закалке с печным нагревом производилась в вакуумной печи, отпуск − в термостате (температуры 150, 180 и 200 °С). Выдержка при отпуске во всех случаях длилась 1 ч.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а |
б |
|
Рис. 6.5. Схемы режимов ЦЭТО с переменными параметрами |
||
При равных параметрах: υ1 |
= υ2 = 50 град/с, t1 = t2 = |
= 940 °C по сравнению с печной закалкой ЦЭТО дает повышение предела прочности образцов на 130−160 МПа, а относительного сужения − на 35 %. Механические свойства улуч-
204
шаются при понижении температуры нагревания во втором цикле. Способ ЦЭТО с переменными параметрами предпочтительнее, так как позволяет достичь более высокого уровня механических свойств.
Режимы совершенствования ЦЭТО связаны именно с применением способов с переменными параметрами обработки.
ЦЭТО стали ШХ15. Сталь ШХ15 идет в основном на изготовление шарикоподшипников. К ней предъявляются особые требования по технологичности, так как изготовление подшипников − одно из наиболее массовых производств. При использовании ЦЭТО была установлена принципиальная возможность перевода грубозернистой пластинчатой структуры в структуру зернистого перлита [36]. Однако до настоящего времени заготовки колец подшипников в виде труб или колец после горячего формообразующего деформирования стали ШХ15 подвергаются традиционному отжигу на зернистый перлит. Этот отжиг проводится в печах с 780−810 °С (при выдержке 2−6 ч и охлаждением со скоростью 15–30 град/ч. Продолжительность отжига обычно составляет 24−30 ч. Вместо отжига стали ШХ15 на структуру зернистого пеpлита может быть рекомендована ЦЭТО.
Термоциклирование проводилось со скоростью нагревания ТВЧ 50 град/с, температурой нагревания 900−920 °С, охлаждением на воздухе до 650 °С и выдержкой при этой температуре 60 с. Такая 5-кратная обработка приводит к структуре зернистого перлита. Была описана и производственная технология ЦЭТО трубных или прутковых заготовок из стали ШХ15. Показано, что ЦЭТО может быть осуществлена перемещением, например, трубы через пять последовательно расположенных индукторов ТВЧ. Технология опробована в производственных условиях. Трубы длиной 8 м, диаметром 70 и 140 мм (толщина стенок соответственно 7 и 14 мм) пропускались через один нагревающий индуктор на специальном
205
стане. В результате ЦЭТО была получена необходимая зернистая структура. Размер карбидов был меньше требуемого по ГОСТу, а твердость составляла 213−228 вместо
187−207 НВ.
Увеличение размеров карбидных частиц и большее снижение твердости возможно при обработке по оптимальному режиму ЦЭТО [38].
В результате проведения ЦЭТО на установке электроконтактного нагрева, оснащенной магнитометрическим датчиком для контроля за температурой фазового перехода, были найдены основные закономерности влияния такой обработки на структуру и свойства стали ШХ15. Опыты показали, что за первый термоцикл твердость снижается с 368 до 255 НВ. После шести-семи циклов твердость равна 207 НВ. Дальнейшее снижение твердости возможно, но нецелесообразно. После трех термоциклов зеренная структура стали ШХ15 соответствовала 13−14-му номеру.
ТЦО стали 12Х2Г2НМФТ. Сталь 12Х2Г2НМФТ относится к новому классу сталей – низкоуглеродистым мартенситным сталям (НМС). Эти стали разработаны Р.И. Энтиным, Л.М. Клейнером и др. [46, 47]. В горячекатаном состоянии стали имеют структуру низкоуглеродистого мартенсита.
Исследования, проводимые на кафедре МТО, показали возможность измельчения зерна на НМС путем термоциклирования. Образцы стали 12Х2Г2НМФТ нагревали в соляной ванне (скорость нагрева 80 °С/с) до температур выше Ас3, выдержка 20 с, и охлаждали в воде. Перед ТЦО все образцы были закалены с температуры 920 °С (печной нагрев), выдержка 20 мин, охлаждение в воде. Средний размер зерна –
15 мкм.
При термоциклировании с нагревом на 900 и 1000 °С 5 циклов зерно измельчается до 1,4 и 7 мкм соответственно. Внутри диспергированных зерен при электронномикроско-
206
пическом исследовании четко видна реечная фрагментация. При зерне d = 1,5 мкм поперечный размер реек уменьшается с 200 (в исходном состоянии) до 100 нм. Механические свойства стали до и после ТЦО (по данным Л.Ц. Зайца, Ю.Н. Симонова, Д.О. Панова) приведены в табл. 6.5.
Таблица 6.5 Механические свойства стали 12Х2Г2НМФТ
Вид обработки |
σв |
|
σ0,2 |
δ |
|
ψ |
KCU, |
|
|
|
|
|
|
Дж/см2 |
|
|
МПа |
|
% |
||||
Зак. 920 °С, вода |
1300 |
|
1080 |
16 |
|
60 |
41 |
900 °С, 1 ц |
1406 |
|
1061 |
15,4 |
|
61,5 |
65 |
900 °С, 5 ц |
1410 |
|
1253 |
14,1 |
|
52,0 |
81 |
1000 °С, 1 ц |
1399 |
|
1082 |
16 |
|
63,1 |
72 |
1000 °С, 5 ц |
1395 |
|
1199 |
15 |
|
62,2 |
79 |
Таким образом, высокотемпературная термоциклическая обработка НМС позволяет одновременно с повышением прочности существенно повысить ударную вязкость и измельчить фрагменты структуры вплоть до наноструктурного состояния.
Контрольные вопросы
1.Назначение ТЦО. Изменение структуры стали при этой обработке.
2.Виды и технологические параметры при ТЦО.
3.Особенности превращений, происходящих в стали при термоциклировании.
4.Особенности нагрева при ТЦО. Необходимое оборудование.
5.Применение ТЦО для улучшаемых конструкционных
сталей.
207
6.Особенности и применение ТЦО с переменными параметрами.
7.ТЦО с переменными параметрами.
8.ТЦО цветных металлов и сплавов.
9.Изменение механических свойств конструкционных сталей при предварительной объемной обработке и термоциклировании.
208
7.НАНОТЕХНОЛОГИИ
ИНАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ
МАТЕРИАЛЫ
Наноматериалы и нанотехнологии являются наиболее приоритетными для технического прогресса XXI века.
Материалы этого класса в России первоначально получили название ультрадисперсных материалов (УДМ), а в западной литературе – наноструктурных материалов (НСМ). В настоящее время обе эти терминологии равноправны, и к этому классу относят материалы с размерами морфологических элементов менее 100 нм [39, 45]. В настоящее время широко используют ультрадисперсные порошки (УДП), занимающие в США более 90 % рынка УДМ, нановолокна и нанопроволоки, нанопленки и нанопокрытия, и все большее применение начинают получать объемные наноматериалы – нанокристаллические и нанозернистые с размером зерен менее 100 нм.
Первые исследования наноматериалов показали, что
вних изменяются, по сравнению с обычными материалами, такие фундаментальные характеристики, как удельная теплоемкость, модуль упругости, коэффициент диффузии, магнитные свойства и др., что весьма важно для использования на практике. Понятие «нанотехнологии», термины «наноматериалы», «наночастицы», «наноструктуры» появились в научной литературе в 70-х гг. XX века. Тем не менее нанообъектами являются многие из давно используемых человечеством материалов. Одним из самых древних примеров таких систем могут служить цветные стекла, окрашенные наночастицами металлов, технология получения которых была известна еще
вДревнем Египте. Эта технология дожила до наших дней. Например, рубиновое стекло кремлевских звезд – это высококачественное стекло, в котором «растворены» наночастицы
золота. Нанодисперсные состояния веществ реализуются в коллоидных растворах, в таких процессах как катализ, фотография и др.
209
Нанотехнологии включают создание и использование материалов, устройств и технических систем, функционирование которых определяется наноуровнем их структуры, то есть упорядоченными фрагментами от 1 до 100 нм.
Согласно рекомендации Международной конференции по нанотехнологиям (Висбаден, 2004) целесообразно выделить следующие типы наноматериалов: нанопористые структуры; наночастицы; нанотрубки и нановолокна; нанодисперсии (коллоиды); наноструктурированные поверхности
ипленки; нанокристаллы и нанокластеры. Последние представляют собой частицы упорядоченного строения размером
от 1 до 5 нм, содержащие до 1000 атомов. Собственно наночастицы диаметром от 5 до 100 нм состоят из 103–108 атомов. Нитевидные и пластинчатые частицы могут содержать гораздо больше атомов и иметь один или даже два линейных размера, превышающих пороговое значение, но их свойства остаются характерными для вещества в нанокристаллическом состоянии. Если наночастица имеет сложную форму
истроение, то в качестве характеристического рассматривают не линейный размер частицы в целом, а размер ее упорядоченного фрагмента. Такие частицы, как правило, называют наноструктурами, причем их линейные размеры могут значительно превышать 100 нм. В зависимости от того, какую преимущественную анизотропию имеют структурные элементы наноструктур, последние также подразделяют на нуль-, одно-,
двух- и трехмерные [39].
По словам академика РАН Ю.Д. Третьякова, «современная нанотехнология отличается тем, что она соединяет талант химика-синтетика и физика-теоретика с мастерством инженера, и именно этот союз позволяет создавать самые замысловатые наноструктуры». Следовательно, нанотехнологии – междисциплинарная область, объединяющая усилия химиков, физиков, материаловедов, объединяющая фундаментальную науку с практическим внедрением результатов ее
210