ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА КОМПОЗИТОВ

Соединения разнородных сталей

Технология дальнейшей обработки предварительно соединенных слоистых заготовок, как правило, включает в себя как технологические нагревы перед различными способами горячей обработки давлением (ковкой, прокаткой, прессованием и др.), так и термическую обработку (отжиг, нормализацию, закалку, отпуск и др.). Предварительную термическую обработку проводят для подготовки заготовок к последующим технологическим операциям, например прокатке или обработке резанием, для увеличения пластических свойств металлов составляющих, уменьшения сопротивления деформации, снижения уровня внутренних напряжений, возможного увеличения прочности соединения слоев. Окончательную термическую обработку осуществляют в целях получения требуемого комплекса механических и служебных свойств и структуры композиционного материала.

При выборе рациональных режимов термической обработки необходимо учитывать ряд особенностей, присущих слоистым композиционным материалам.

  • 1. Особенности способа соединения слоев композита, во многом определяющего как свойства и структуру составляющих, так и характер, структуру и размеры переходной зоны.
  • 2. Различия в физико-химических и механических свойствах составляющих композиционного материала, например в температурах их плавления и рекристаллизации. При этом нагрев композита в оптимальной области температур для одной составляющей может привести для другой, более легкоплавкой составляющей либо к ее оплавлению, либо к значительному ухудшению микроструктуры вследствие перегрева или пережога.
  • 3. Диффузионные процессы, происходящие при нагреве композита на границе раздела слоев, могут приводить к появлению хрупких интерметаллидных прослоек, к изменению химического состава составляющих вблизи переходной зоны из-за миграции элементов. Образование сплошной интерметаллидной прослойки может при последующей горячей или холодной пластической деформации привести к резкому снижению прочности соединения, а в некоторых случаях и к его разрушению. Кроме того, наличие хрупких прослоек на границе слоев значительно затрудняет процессы деформирования композиционного материала.
  • 4. Различие в термических коэффициентах линейного расширения составляющих композита, что вызывает при нагреве появление на границе раздела слоев дополнительных напряжений, которые могут привести к короблению многослойной заготовки или к нарушению сплошности сварного соединения. Особое внимание на выбор температуры нагрева композита следует обратить в том случае, когда металл одной из составляющих претерпевает в этом интервале температур фазовые превращения с резким изменением объема.

Рассмотрим строение и свойства сварных соединений однородных и разнородных металлов, которые условно разделим на следующие группы:

  • — соединения разнородных сталей;
  • — соединения металлов, не взаимодействующих между собой;
  • — соединения металлов, образующих между собой твердые растворы;
  • — соединения металлов, образующих между собой химические соединения.

В промышленности наибольшее применение нашли биметаллы типа углеродистая сталь + коррозионностойкая сталь, изготовляемые литейным плакированием и наплавкой, горячей пакетной прокаткой или сваркой взрывом. Достаточно близкие температуры плавления и рекристаллизации составляющих этих композитов облегчают выбор рациональных температурных интервалов нагрева и термической обработки.

При термической обработке в сварных соединениях сталей с различным содержанием углерода и карбидообразующих элементов происходят диффузионные процессы, связанные с перемещением углерода в слои с меньшим его содержанием. В таких композитах диффузия углерода из твердого слоя в мягкий начинается уже при 500 °С. При этом на скорость диффузии влияют, в основном, содержание углерода в составляющих, наличие в стали карбидообразующих элементов.

Миграция углерода в плакирующий слой коррозионностойкой стали приводит к изменению механических свойств биметалла (повышению твердости, предела упругости и снижению пластичности и вязкости), а также к снижению коррозионной стойкости вследствие образования карбидов хрома.

В сварных соединениях низкоуглеродистых и перлитных сталей при нагреве выше 600 °С происходит насыщение углеродом феррита низкоуглеродистой стали, что приводит к увеличению твердости в ее околошовной зоне и образованию цементита на деформированных участках феррита (рис. 4.1). При близком содержании углерода в соединяемых сталях видимого его перераспределения при термической обработке в сварном шве не происходит.

Обезуглероженный слой в стали МК.-40 в соединении со сталью

Рис. 4.1. Обезуглероженный слой в стали МК.-40 в соединении со сталью

0Х17Т (хЮО) после нагрева (а) и карбидная прослойка встали 12Х18Н10Т в соединении со сталью СтЗ (хЮО) после нагрева до 700 °С (б)

В биметаллах углеродистая сталь + стали ферритного класса при нагреве углеродистая стать обезуглероживается вблизи границы соединения, приобретая ферритную структуру, а в ферритных статях образуется слой карбидов типа (CrFe)23C6. Наиболее интенсивно этот процесс протекает вблизи точки перлитного превращения. При нагреве сварного соединения выше точки Ас3 диффузия углерода уменьшается, так как сталь приобретает аустенитную структуру, которая ограничивает подвижность углерода. Прочность сварного соединения в околошовной зоне уменьшается на 10—15%, а биметалл разрушается по обезуглероженному слою.

В сварных соединениях углеродистых сталей с аустенитными нагрев выше 600 °С приводит к уменьшению прочности соединения слоев до уровня прочности низкоуглеродистой стали в исходном состоянии за счет разупрочнения металла в зоне термического влияния и интенсивного обезуглероживания. Увеличение температуры обработки вызывает в хромоникелевых сталях интенсификацию диффузии хрома и никеля. В случае нормализации биметалла между резко выраженной науглероженной зоной аустенита и ферритом, образовавшимся в результате обезуглероживания перлитной стали, обнаруживается промежуточный слой аустенита, обедненного карбидами. Этот слой образуется в результате диффузии хрома и никеля в перлитную сталь из аустенитной, сопровождаемой некоторой обратной диффузией углерода, так как при температуре нормализации обе стали имеют аустенитную структуру (рис. 4.2).

Схема формирования структуры в сварных соединениях разнородных сталей при их термообработке

Рис. 4.2. Схема формирования структуры в сварных соединениях разнородных сталей при их термообработке:

Ф — феррит; П — перлит; А — аустенит; К. — карбиды;

М — мартенсит; ЛС — линия соединения

При аустенизации интенсивная диффузия хрома, никеля и углерода из аустенитной стали приводит к значительному обеднению аустенита легирующими элементами: он становится магнитным. Аустенитная структура превращается в аустенитно-мартенситную, которая после отпуска становится аустенитно-ферритной. Эти же процессы приводят к образованию карбидной прослойки теперь уже в перлитной стали вследствие местного обогащения феррита хромом и никелем.

Полученные плакированием с помощью литья и последующей горячей прокатки биметаллические листы с плакирующим слоем из аустенитных сталей обычно подвергают нормализации в проходных печах при 900—930 °С с выдержкой 2—3 мин на 1 мм толщины листа с последующим охлаждением на воздухе. Биметаллы с плакирующим слоем из сталей ферритного класса нормализуют с последующим высоким отпуском при температуре 630—650 °С.

Многие типоразмеры биметаллов углеродистая сталь + коррозионностойкая сталь получают горячей пакетной прокаткой с последующей термообработкой. Так, после горячего плакирования стали СтЗсп сталью 12Х18Н10Т основной слой имеет ферритно-перлитную структуру с заметной полосчатостью. У границы раздела основной слой обезуглерожен на глубину около 0,2 мм. Микроструктура плакирующего слоя мелкозернистая, зерна вытянуты вдоль направления прокатки, приграничная зона науглерожена на глубину около 50 мкм.

Нормализация горячекатаного биметалла приводит к выравниванию структуры стали основного слоя и исчезновению полосчатости в плакирующем слое. После закатки структура основного слоя крупнозернистая, мартенситная. В стали плакирующего слоя у границы соединения слоев с повышенным содержанием углерода структура мелкозернистая, ближе к поверхности плакирующий слой имеет аустенитную структуру, характерную для стали 12Х18Н ЮТ.

Изучение механических свойств этого биметатла после различных технологических операций показато, что уровень прочностных и пластических свойств композита достаточно высок (табл. 4.1). После нормализации при 950 °С несколько уменьшается прочность и увеличивается пластичность. После закалки с 1050 °С резко уменьшается пластичность (8 = 7—11%), а при испытании на изгиб вокруг оправки со стороны основного слоя появляются трещины. Прочность соединения слоев композиции во всех случаях достаточно высока (ар = 280— 330 МПа).

Таблица 4.1

Механические свойства биметалла СтЗсп + 12Х18Н10Т

Операция

Механические свойства

oD, МПа

от, МПа

8, %

оотр, МПа

Горячее плакирование

490-517

347-379

35,5-38,3

279-334

Нормализация

436-464

236-245

46,6-49,2

302-323

Закалка

588-717

496-641

6,7-10,9

301-333

Для плакированных взрывом стальных композитов может применяться низкотемпературная (отжиг для снятия внутренних напряжений) или высокотемпературная (нормализация или закалка с отпуском для получения требуемых механических свойств основного металла) термическая обработка. Если плакированная сталь в дальнейшем используется для изготовления изделий глубокой вытяжкой, то для повышения пластичности перед высокотемпературной обработкой обычно проводят аустенизацию в целях предотвращения образования о-фазы.

Горячая прокатка сваренных взрывом биметаллов углеродистая сталь + коррозионностойкая сталь может не только повысить прочность соединения слоев, но и снизить ее. Так, прочность соединения слоев на отрыв у биметалла СтЗ + 08Х18Н10Т после сварки взрывом и термообработки составляла 500 и 460 МПа соответственно, а после прокатки сваренного взрывом листа и его термической обработки — соответственно 470 и 350 МПа.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >