Journals →  Черные металлы →  2023 →  #11 →  Back

Нагрев и термообработка
ArticleName Определение рациональных режимов термической обработки новой высокомарганцевой аустенитной стали с использованием термодинамического моделирования
DOI 10.17580/chm.2023.11.12
ArticleAuthor В. Б. Деев, С. Л. Арапов, А. А. Косович, Е. М. Лесив
ArticleAuthorData

Уханьский текстильный университет, Ухань, Китай1 ; Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, Владимир, Россия2 ; Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Москва, Россия3

В. Б. Деев, профессор-эксперт факультета машиностроения и автоматизации1, главный научный сотрудник2, профессор кафедры обработки металлов давлением3, докт. техн. наук, профессор, эл. почта: deev.vb@mail.ru


ООО «Инжиниринг Строительство Обслуживание», Ачинск, Россия1 ; Сибирский федеральный университет, Красноярск, Россия2

С. Л. Арапов, главный металлург1, младший научный сотрудник2, эл. почта: arapovsl@yandex.ru


Сибирский федеральный университет, Красноярск, Россия
А. А. Косович, доцент кафедры литейного производства, старший научный сотрудник, канд. техн. наук, эл. почта: akosovich@sfu-kras.ru
Е. М. Лесив, доцент кафедры литейного производства, канд. техн. наук, эл. почта: elesiv@sfu-kras.ru

*Корреспондирующий автор

Abstract

Изучено определение оптимального режима термической обработки высокомарганцевой аустенитной стали Fe – 1,1 C – 16 Mn – 0,8 Si – 1,3 Cr – Mo – Ni для повышения надежности отливок при эксплуатации в условиях ударно-абразивного износа. Предварительно проведена оценка микроструктуры и механических свойств образцов, подвергнутых термообработке по режиму, применимому к легированным аналогам стали 110Г13Л (сталь Гадфильда): двухступенчатый нагрев с выдержкой при температурах 600 и 1050 °C. Построение диаграммы состояния исследуемого материала выполнено расчетным методом термодинамических фазовых превращений CALPHAD. Установлены границы существования карбидных фаз типа М7С3, М23С6 и М6С в интервале температур от 0 до 1600 °C. На основе анализа полученных данных разработан оптимальный режим термической обработки: трехступенчатый нагрев с выдержками при температурах 350 и 700 °C и последующей закалкой в воде с температуры 1150 °C. В образцах стали, подвергнутых экспериментальной обработке, отмечено уменьшение размера зерна (на 23 %) и карбидов (в 2 раза), а также повышение ударной вязкости (на 26,7 %) и устойчивости к истиранию (на 3,7 %) при снижении твердости (на 4,8 %).

Работа выполнена в рамках государственного задания в сфере научной деятельности Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема FZUN-2020-0015, госзадание ВлГУ).

keywords Сталь Гадфильда, термическая обработка, CALPHAD, аустенит, карбидная фаза, фазовое превращение, ударная вязкость
References

1. Chen C., Lv B., Ma H., Sun D., Zhang F. Wear behavior and the corresponding work hardening characteristics of Hadfield steel // Tribology International. 2018. Vol. 121. P. 389–399. DOI: 10.1016/j.triboint.2018.01.044
2. Varela L. B., Tressia G., Masoumi M., Bortoleto E. M. et al. Roller crushers in iron mining, how does the degradation of Hadfield steel components occur? // Engineering Failure Analysis. 2021. Vol. 122. 105295. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2021.105295
3. Choudary U. V., Chang Y. A. Gibbs energies of formation of Mn3C, M(Fe, Mn)3C and Mn23C6 from the ternary phase equilibria in the Fe–Mn–C system // Calphad. 1978. Vol. 2. No. 2. P. 169–185. DOI: 10.1016/0364-5916(78)90033-0
4. Демент Т. В., Попова Н. А., Курзина И. А. Влияние изменения концентрации Mn на фазовый состав и внутризеренную структуру сплава Fe–Mn–C (1,2 вес. % С) // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2016. Т. 13. № 4. С. 421–426.
5. Горленко Д. А., Михалкина И. В., Феоктистов Н. А. Влияние легирования феррохромом на химический состав и морфологию карбидной фазы стали Гадфильда // Технологии металлургии, машиностроения и материалообработки. 2020. № 19. С. 101–106.
6. Чайкин А. В., Чайкин В. А., Лозов В. С., Касимгазинов А. Д. и др. Сравнительный анализ качественных показателей стали 110Г13Л, выплавленной с применением различных модификаторов и раскислительных смесей // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова. 2018. Т. 16. № 1. С. 19–25. DOI: 10.18503/1995-2732-2018-16-1-19-25
7. Болобов В. И., Бочков В. С., Мишин И. И., Неструев А. А. О влиянии режимов термомеханической обработки на износостойкость материалов быстроизнашиваемых элементов горно-обогатительного оборудования // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 1. С. 52–59.
8. Pu J., Li Z., Hu Q., Wang Y. Effect of heat treatment on microstructure and wear resistance of high manganese steel surfacing layer // International Journal of Modern Physics B. 2019. Vol. 33, Iss. 01-03. 1940035. DOI: 10.1142/S0217979219400356
9. Zellagui R., Hemmouche L., Bouchafaa H. et al. Effect of heat treatments on the microstructure, mechanical, wear and corrosion resistance of casted hadfield steel // Inter Metalcast. 2022. Vol. 16. P. 2050–2064. DOI: 10.1007/s40962-021-00751-z
10. Baek S., Park M., Lee J. I., Kim S.-H. The Effects of post-welding heat treatment on the cryogenic absorbed energy of high manganese steel weld metal // Metals. 2023. Vol. 13, Iss. 6. 1126. DOI: 10.3390/met13061126
11. Kroupa A. Modelling of phase diagrams and thermodynamic properties using Calphad method – Development of thermodynamic databases // Computational Materials Science. 2013. Vol. 66. P. 3–13. DOI: 10.1016/j.commatsci.2012.02.003
12. Liu C., Shi Q., Yan W., Shen C. et al. Designing a high Si reduced activation ferritic/martensitic steel for nuclear power generation by using Calphad method // Journal of Materials Science & Technology. 2019. Vol. 35, Iss. 3. P. 266–274. DOI: 10.1016/j.jmst.2018.07.002
13. Gao J., Zhong J., Liu G., Yang S. et al. A machine learning accelerated distributed task management system (Malac-Distmas) and its application in high-throughput CALPHAD computation aiming at efficient alloy design // Advanced Powder Materials. 2022. Vol. 1, Iss. 1. DOI: 10.1016/j.apmate.2021.09.005
14. San Martin D., Palizdar Y., Garcia-Mateo C. et al. Influence of aluminum alloying and heating rate on austenite formation in low carbonmanganese steels // Metall. Mater. Trans. A. 2011. Vol. 42. P. 2591–2608. DOI: 10.1007/s11661-011-0692-1
15. Lin S.-G., Yang H.-H., Su Y.-H., Chang K.-L. et al. CALPHAD-assisted morphology control of manganese sulfide inclusions in free-cutting steels // Journal of Alloys and Compounds. 2019. Vol. 779. P. 844–855. DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.11.290
16. Dykas J., Samek L., Grajcar A., Kozlowska A. Modelling of phase diagrams and continuous cooling transformation diagrams of medium manganese steels // Symmetry. 2023. Vol. 15. 381. DOI: 10.3390/sym15020381
17. Арапов С. Л., Беляев С. В., Косович А. А., Партыко Е. Г. Цифровой эксперимент как метод повышения механических свойств стали Гадфильда // Черные металлы. 2022. № 10. С. 45–51.
18. Арапов С. Л., Беляев С. В., Косович А. А., Партыко Е. Г. и др. Разработка цифровой модели литейного процесса изготовления деталей горно-обогатительного оборудования // Литейщик России. 2023. № 1. С. 15–17.
19. Арапов С. Л., Беляев С. В., Косович А. А., Партыко Е. Г. и др. Разработка цифровой модели влияния режимов литья на формирование микроструктуры стали // Литейщик России. 2023. № 1. С. 32–34.
20. Arapov S. L., Belyaev S. V., Kosovich A. A. et al. Application of mathematical statistics to improve hadfield steel casting impact strength // Metallurgist. 2023. Vol. 66, Iss. 9-10. P. 1083–1091. DOI: 10.1007/s11015-023-01421-7
21. ГОСТ 4755–91. Ферромарганец. Технические требования и условия поставки. — Введ. 01.01.1997.
22. ГОСТ 6008–90. Марганец металлический и марганец азотированный. — Введ. 01.07.1991.
23. ГОСТ 4759–91. Ферромолибден. Технические требования и условия поставки. — Введ. 01.01.1993.
24. ГОСТ 4757–91. Феррохром. Технические требования и условия поставки. — Введ. 01.01.1993.
25. ГОСТ 849–2018. Никель первичный. Технические условия. — Введ. 01.06.2019.
26. ГОСТ 1415–93. Ферросилиций. Технические требования и условия поставки. — Введ. 01.01.1997.
27. ГОСТ 295–98. Алюминий для раскисления, производства ферросплавов и алюминотермии. — Введ. 01.07.2001.
28. ГОСТ Р 54153–2010. Сталь. Метод атомно-эмиссионного спектрального анализа. — Введ. 01.01.2012.
29. ГОСТ 5639–82. Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна. — Введ. 01.01.1983.
30. ГОСТ 9454–78. Металлы. Метод испытаний на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах. — Введ. 01.01.1979.
31. ГОСТ 9012–59. Металлы. Метод измерения твердости по Бринеллю. — Введ. 01.01.1960.
32. Saunders N., Guo U. K. Z., Li X. et al. Using JMatPro to model materials properties and behavior // JOM. 2003. Vol. 55. P. 60–65. DOI: 10.1007/s11837-003-0013-2

33. Guo Z., Saunders N., Miodownik P., Schille J.-P. Modelling phase transformations and material properties critical to the prediction of distortion during the heat treatment of steels // International Journal of Microstructure and Materials Properties. 2009. Vol. 4. P. 187–195. DOI: 10.1504/IJMMP.2009.028632
34. Mishra S., Dalai R. A comparative study on the different heat-treatment techniques applied to high manganese steel // Materials Today: Proceedings. 2021. Vol. 44. P. 2517–2520. DOI: 10.1016/j.matpr.2020.12.602

Language of full-text russian
Full content Buy
Back