Q&P ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ СТАЛЕЙ С УДЕРЖИВАЕМЫМ АУСТЕНИТОМ

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается новая технология обработки стали. Обозревается конкретно Q&P - quenching and partitioning (закалка и разделение), технология позволяющая создавать микроструктуры с обогащенным углеродом удерживаемым аустенитом. Используя современные методы анализа микроструктуры стали проведен анализ и сопоставление текущих технологий закалки поверхностей. Особое внимание уделяется закалке посредством воздействия на поверхностный слой металла. Рассмотрены схожие с Q&P технологии закалки сталей.

Ключевые слова: quenching and partitioning (закалка и разделение), мартенсит, аустенит, TRIP-эффект, TWIP-эффект.

Q&P - quenching and partitioning (закалка и разделение) - это новая технология обработки стали, которая может быть использована для создания микроструктур с мартенситом и обогащенным углеродом удерживаемым аустенитом. Применение технологии обусловлено необходимостью увеличения пластичности и вязкости сталей с помощью удерживаемого аустенита [3, c. 21].

Такая обработка заключается в изначальном нагреве образца до температуры выше 910 ^оС для образования гранецентрированной кристаллической решетки аустенита. После выдержки времени начинается процесс закалки (стадия Q-«quenching»), в ходе которого температуру образца снижают ниже температуры начала мартенситного превращения (Ms), но выше его окончания (Mf). Вследствие этого образуется некоторое количество пересыщенного углеродом мартенсита закалки. Далее, после нагрева образца выше температуры Ms, происходит процесс разделения (стадия Р-«partitioning»), что подразумевает диффузию углерода из мартенсита в остаточный аустенит, поскольку растворимость углерода в аустените значительно выше, чем в мартенсите. Движущей силой процесса «разделения» является стремление системы к минимуму свободной энергии за счет уменьшения энергии упругой деформации решетки мартенсита.

В результате аустенит насыщается углеродом, что понижает его мартенситную точку и повышает устойчивость к мартенситному превращению при последующем охлаждении. Мартенсит, образовавшийся на стадии Q, претерпевает распад на стадии «partitioning». По завершении стадии Р следует окончательное охлаждение, в процессе которого формируется структура, состоящая из отпущенного мартенсита, остаточного аустенита и свежезакаленного мартенсита (последний образуется из насыщенного углеродом аустенита при охлаждении в интервале температур Ms… Mf). Эта структура сочетает микроучастки с различной прочностью и пластичностью, что в совокупности обеспечивает повышенный комплекс свойств, стали в связи с реализацией эффекта естественного композита. График циклов Q&P обработки представлен на рисунке 1.

Рисунок 1. Циклы термической обработки Q&P образца

В первую очередь следует отметить, что в процессе обработки стали по Q&P технологии достигается достаточное содержание удерживаемого метастабильного аустенита [1, 3]. Q&P сталь обладает низким пределом текучести. Данный показатель в совокупности с другими факторами снижает ударный износ поверхности образца и препятствует образованию поверхностных трещин [1, 2].

По итогам исследования [1] сделан вывод о том, что износостойкость образца зависела от исходной поверхностной твердости, независимо от микроструктуры материала образца. Однако в исследовании [2], напротив, указывается на непосредственное влияние структуры материала на способность сопротивляться абразивному износу. Под структурой материала понимается структура, образованная кристаллами мартенсита и удерживаемыми пленками и кластерами аустенита.

Другим противоречием в проведенных исследованиях является оценка влияния удерживаемого аустенита на изменение показателя износостойкости стали Q&P. Из исследования [1] следует вывод: «Наличие удерживаемого аустенита, по-видимому, не улучшило износостойкость стали DQ&P». Данный вывод противоречит результатам двух других исследований. Результаты исследования [2, 3] четко указывают на повышение износостойкости благодаря Q&P обработке.

В исследованиях [2, 3] выявлена особенность, обеспечивающая автоматическую закалку под воздействием деформации, благодаря удерживаемому аустениту. Такая закалка способствует получению толстого закаленного слоя на поверхности образца благодаря TRIP-эффекту.

Следствием воздействия абразива на образец, и вызванного тем самым TRIP-эффекта, является снижение потерь массы при износе. Данный факт отмечен в исследованиях [2, 3], в исследовании [1] наименьшие потери массы, как указано в выводах, связаны с исходным значением твердости поверхности.

Технология Q&P основана на закалке и разделении, причем закалка должна быть прервана в промежуток температур Ms и Mf. Существуют также близкие технологии со схожими технологическими процессами, направленными на получение, стали с определенными физическими свойствами.

Необходимо также отметить, что существуют модификации Q&P технологии. К таким модификациям можно отнести Q-Q&P (обработка с двойной закалкой), IA-Q&P (IA – intercritical austenization), Q&P-T-обработка (T-tempering) [4].

Схожими с Q&P технологиями являются: QT (закалка с последующим отпуском) [2], TRIP (пластичность, наведенная превращением), а именно LTB (низкотемпературное бейнитное превращение) [3], TWIP (пластичность, наведенная двойникованием).

Рассмотрим каждую из них, выявим преимущества Q&P технологии с точки зрения износостойкости по отношению к вышеперечисленным технологиям.

Рассмотрим QT сталь, графики термической обработки Q&P-T и QT образцов представлены на рисунке 2.

Согласно [2 с. 128], содержащийся остаточный аустенит в Q&P-T стали под воздействием ударов абразива преобразуется в мартенсит (TRIP - эффект), тем самым упрочняя поверхность стали в местах контакта с абразивом.

Q&P-T сталь показала наличие слоя закалки под поверхностью на глубине нескольких сотен микрон, более толстый закаленный слой обеспечивает поддержку поверхности стали.

Рисунок 2. Циклы термической обработки (а) Q&P-T образца; (b) QT образца

Кроме того, мартенситные пакеты в Q&P-T стали имеют равномерное внутреннее напряжение за счет равного размера (рисунок 3). Мартенситные пакеты в QT стали имеют различные размеры, следствием чего является разница напряжений между большими и малыми пакетами. Разница напряжений при нагрузке зачастую приводит к трещинам в структуре QT стали.

Рисунок 3. Распределение размеров мартенситных пакетов образцов Q&P-T и Q-T

В совокупности свойств Q&P-T стали при абразивном износе имеют меньшую потерю массы, относительно стали QT. Низкий предел текучести и высокая вязкость увеличивают сопротивление абразивному износу стали Q&P-T.

Далее рассмотрим технологию изготовление TRIP (LTB) стали, графики термической обработки Q&P и LTB представлены на рисунке 4.

Рисунок 4. Циклы термической обработки Q&P и LTB образцов

Обе термообработки, Q&P и LTB привели к схожему пределу прочности и твердости, которые отличалась чуть менее чем на 1%. Однако разница потере веса при испытании на абразивный износ в течение пяти циклов составила 15,3%. Ударная вязкость вносит огромный вклад в увеличение износостойкости. В типичной двухфазной стали ударная вязкость определяется главным образом аустенитной фазой. Повышенная твердость поверхности, вызванная превращением остаточного аустенита в мартенсит при износе, улучшает износостойкость при сохранении хорошей ударной вязкости. Это означает, что стабильность остаточного аустенита играет важную роль в процессе абразивного износа. Стабильность удерживаемого аустенита образца Q&P была выше (на 34,6% и 32,4% для пакетного и мембранного аустенита соответственно).

По сравнению с LTB образцом, Q&P образец имеет более высокое содержание аустенита. Как следствие, в результате TRIP-эффекта происходит упрочнение поверхности на большую глубину и образец Q&P демонстрирует наилучшую абразивную износостойкость [3, с. 29].

TWIP стали характеризуются низким пределом текучести, высоким содержанием удерживаемого аустенита и свойствами, схожими с Q&P сталями.

Двойникование в микроструктуре TWIP стали можно наблюдать на рисунке 5.

Рисунок 5. Микроструктура (а) Q&P стали; (b) TWIP стали

Тест, в ходе которого поверхности Q&P и TWIP сталей царапают острым предметом показал более высокую износостойкость Q&P стали при нагрузках до 25 Н (рисунок 6) [4, с. 53].

Рисунок 6. Результаты износа с приложением усилия (а) единожды; (b) многократно

Список литературы:

1. O. Haikoa, M. Somania , D. Portera , P. Kantanena , J. Kömia, N. Ojalab , V. Heinob, Comparison of impact-abrasive wear characteristics and performance of direct quenched (DQ) and direct quenched and partitioned (DQ&P) steels, Wear 400-401 (2018) 21-30.
2. C.Wang, X. Li, Y. Chang, S. Han, H. Dong, Comparison of three-body impact abrasive wear behaviors for quenching–partitioning–tempering and quenching–tempering 20Si2Ni3 steels, Wear 362-363 (2016) 121-128.
3. H.Y. Donga, K.M. Wua, X.L. Wanga, T.P. Houa, R. Yanb, A comparative study on the three-body abrasive wear performance of Q&P processing and low-temperature bainitic transformation for a mediumcarbon dual-phase steel, Wear 402-403 (2018) 21-29.
4. X. Xu, S. Zwaag, W. Xu, A novel multi-pass dual-indenter scratch test to unravel abrasion damage formation in construction steels, Wear 322-323 (2015) 51-60.