ВЛИЯНИЕ МЕДИ НА СТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТАЛИ 45

EFFECT OF COPPER ON THE STRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF STEEL 45

Olga Timofeeva

student, Department of Materials science in mechanical engineering, Novosibirsk technical state University,

Russia, Novosibirsk

Natalia Stepanova

scientific supervisor, candidate of technical sciences, associate professor, Novosibirsk technical state University,

Russia, Novosibirsk

АННОТАЦИЯ

Работа посвящена исследованию структуры железоуглеродистого сплава, полученного методом легирования медью конструкционной стали 45. Исследовано влияние количества легирующего элемента и температуры закалки на структуру полученного сплава путём рентгенофазового и структурного анализа. Закалка проводилась при температурах 900 °С и 1150 °С.

ABSTRACT

The work is devoted to the study of the structure of an iron-carbon alloy obtained by alloying structural steel 45 with copper. The influence of the amount of the alloying element and the quenching temperature on the structure of the resulting alloy was studied by X-ray phase and structural analysis. Hardening was carried out at temperatures of 900 °C and 1150 °C. 

Ключевые слова: сталь 45; медь; структура; рентгенофазовый анализ; легирование.

Keywords: steel 45; copper; structure; x-ray phase analysis; alloyage.

В связи с высокой стоимостью бронзовых и латунных втулок, используемых при производстве большинства антифрикционных материалов возникает необходимость поиска не менее качественной, но экономически выгодной замены [1]. В качестве легирующего элемента предлагается использовать в небольших количествах медь. Добавление меди может обеспечить сплав высокой технологичностью и большим сроком службы. Благодаря высоким показателям прочности и вязкости предложенный сплав может использоваться не только для изготовления антифрикционных деталей, но и в качестве ответственных сооружений [2]. Целью данного исследования является изучение влияния меди после термической обработки.

Для исследования были взяты образцы стали 45 легированные медью в количестве от 0 до 6 мас. % с шагом 3 %. При отливке образцов использовалась технология песчано-глинистых смесей. Для оценки характера структурных преобразований было принято решение проводить закалку образцов при двух температурах: 900 °С и 1150 °С. В качестве закалочной среды использовалось минеральное масло. Исследования микроструктуры проводились на микроскопе CarlZeissAxio Observer.Z1m. Объектами исследования являлись заранее подготовленные методом шлифования и полировки металлографические шлифы. Для выявления структуры, образец подвергался химическому травлению раствором азотной кислоты в спирте.

Рентгеноструктурные исследования проводились при помощи дифрактометра ARL X’TRA. Перед началом исследования было необходимо провести дополнительное электролитическое полирование объектов с целью снятия остаточных напряжений. Идентификацию фаз осуществляли на основе базы данных PCPDF.

На рисунке 1 представлены исходная структура литых образцов. В литом состоянии сталь 45 имеет феррито-перлитную структуру, содержание феррита составляет ~ 30 %, средний размер зерна ~ 50 мкм. С увеличением содержания меди размер структурных составляющих в полученных отливках изменялся в меньшую сторону, а также происходит рост дисперсности перлита, межпластинчатое расстояние которого становится меньше, также уменьшается толщина цементитных пластин. Появление включений ярко выраженно в образцах с содержанием меди 6 мас. %. Включения имеют размер 2,5…3 мкм, преимущественно компактны.

Рисунок 1. Влияние меди на структуру стали 45 в литом состоянии

Нагрев до температуры 900 °С не обеспечивает полную закалку образцов. Об этом свидетельствует наличие в структуре полученных сплавов феррита, мартенсита и перлита. С повышением содержания меди структура сплавов измельчается аналогично тому, как это происходит в литых заготовках (рисунок 2). Металлографические включения ɛ-Cu зафиксированы в структуре образцов, содержащих 6 мас. % меди и имели размер ~ 2 мкм. Закалка при 900 °С показала, что в структуре образцов присутствуют мелкокристаллический мартенсит и остаточный аустенит. Объемная доля микрообъемов феррита не превышает 1,5 %, основной причиной образования феррита является относительно низкая скорость охлаждения образцов в масле.

Рисунок 2. Влияние меди на структуру стали 45, закаленной от 900 °C

После проведения закалки с нагревом образцов до температуры 1150 °С наблюдается ярко выраженное укрупнение структуры, состоящей из мартенсита и остаточного аустенита. С повышением содержания меди в образцах, размеры структурных составляющих уменьшаются (рисунок 3).

Рисунок 3. Влияние меди на структуру стали 45, закаленной от 1150 °C

На рисунке 4 представлены результаты рентгенофазового анализа образцов. Согласно полученным данным, показанным на рисунке 4 (а), в структуре образцов нелегированных медью присутствует только фаза α-Fe, никак не изменяющаяся с повышением температуры закалки. На рисунке 4 (б), легированных 3 мас. % меди образцов, заметно появление пиков ɛ-Cu фазы. Это связано с появлением в структуре наноразмерных частиц ɛ-Cu, наблюдаемых в железоуглеродистых сплавах методами просвечивающей электронной микроскопии [1]. Большинство крупных частиц (наблюдаемых методами оптической микроскопии) после закалки растворяется, и не фиксируются. При увеличении содержания меди до 6 % заметно смещение пиков α-Fe в сторону меньших углов с повышением температуры закалки. Это связано с растворением меди в фазах на основе железа, в частности с растворением меди в аустените. При быстром охлаждении решетка железа сильно искажается атомами меди, которые являются атомами замещения и медь не успевает диффундировать. Лишь часть меди идет на образование наноразмерных частиц ɛ-Cu, объемная доля фазы ɛ-Cu уменьшается (рисунок 4 в).

а                                          б                                               в

Рисунок 4. Результаты рентгенофазового анализа: а – 0 мас. % Cu,  б – 3 мас. % Cu, в – 6 мас. % Cu

Выводы: В ходе исследования было выявлено, что после термической обработки объемные доли феррита уменьшались, а дисперсность перлита росла в зависимости от температуры закалки и содержания меди в образце. Также замечено образование фазы ɛ-Cu в образцах с содержанием меди 6 мас. %. Это было замечено как на снимках, сделанных на световом микроскопе, так и после проведения рентгенофазового анализа.

Исследование выполнено на оборудовании ЦКП ССМ, при финансовой поддержке в рамках реализации программы развития НГТУ, научный проект №С22-14.

Список литературы:

1. Stepanova N., Razumakov A., Lozhkina E., Zhil'tsov I., Kuznetsov V. Influence of Surfactants on the Structure and Wear Resistance of Copper Alloyed Hypereutectoid Steel. Advanced Materials Research, 2014. Vol. 1040. Pp. 53-58.
2. Shubhank K., Kang Y. Critical evaluation and thermodynamic optimization of Fe-Cu, Cu-C, Fe-C binary systems and Fe-Cu-C ternary system. Computer coupling of phase diagrams and thermochemistry, 2014. Vol. 45. Pp. 127-137.