В настоящее время изотермическая обработка стальных деталей широко применяется за рубежом в различных областях промышленности – авиастроении, автомобилестроении, машиностроении и др. Разработаны и научно обоснованы принципы таких способов изотермической обработки стали, как austempering (изотермическая закалка в интервале температур бейнитного превращения), quenching-partitioning (изотермическая или ступенчатая закалка в области температур мартенситного превращения), ausbay quenching (изотермическая выдержка в температурном интервале относительной устойчивости переохлажденного аустенита для выравнивания температуры по сечению детали перед последующей закалкой).
В результате реализации вышеперечисленных способов изотермической обработки достигается достаточно высокий комплекс механических свойств даже для стандартных марок стали, что позволяет снизить вес конструкций и узлов за счет повышения прочности при сохранении на приемлемом уровне показателей пластичности и вязкости.
Тем не менее, реализация изотермической обработки стальных деталей, особенно крупногабаритных, сопряжена с рядом проблем, связанных как с получением требуемого уровня механических и эксплуатационных свойств в заданном сечении изделия, так и с необходимостью применения дорогостоящего и экологически небезопасного оборудования – печей-ванн. Указанные проблемы можно решить, применяя стали с высокой устойчивостью переохлажденного аустенита в области диффузионного превращения, что позволит производить на воздухе операции охлаждения до температуры изотермической выдержки, непосредственно выдержку, и охлаждение после выдержки. Это особенно актуально в случае производства крупногабаритных изделий, поскольку изотермическое термоупрочнение на воздухе имеет следующие основные преимущества:
- пониженный уровень остаточных напряжений, отсутствие закалочных трещин;
- однородность микроструктуры по всему сечению изделия;
- отсутствие возможности возгорания закалочных сред (масла);
- не требуется специализированное закалочное оборудование (печи-ванны, закалочные баки или установки);
- стабильность получаемых свойств;
- низкий уровень вредного воздействия на окружающую среду (отсутствие выброса дыма, паров, необходимости утилизации отработанных закалочных сред, отсутствие необходимости очистки деталей от масла и застывших солей и щелочей).
Многочисленные исследования показали, что микроструктура, формирующаяся в сталях при изотермической выдержке в температурном интервале низкотемпературных превращений переохлажденного аустенита, может обладать повышенными показателями пластичности и ударной вязкости по сравнению со структурой после традиционных закалки и отпуска. Однако это характерно не для любого состава стали и не для любого режима изотермической обработки. Для научно обоснованной разработки оптимального состава стали, обладающего наилучшим сочетанием прочности, пластичности и вязкости, необходимо знать количественные характеристики тонкой структуры стали, сформированной в температурно-временном интервале бейнитного и мартенситного превращений, в зависимости от содержания легирующих элементов и параметров режима изотермической обработки.
Научной новизной проекта является впервые проводимое комплексное исследование тонкой структуры сталей разных систем легирования после реализации различных технологий изотермической обработки (austempering, quenching-partitioning, ausbay quenching). Количественные зависимости, связывающие параметры тонкой структуры сталей (размер пластин и субпластин α и γ фазы), степень перераспределения углерода между α и γ фазой с химическим составом стали, температурно-временными параметрами термической обработки (температура и продолжительность изотермической выдержки, скорость охлаждения до и после температуры изотермической выдержки, количество ступеней при изотермической выдержке и т.п.) и механическими свойствами, будут объединены в виде математических моделей, учитывающих также кинетику изотермического и атермического превращения переохлажденного аустенита.
На основании анализа литературных данных, теоретических сведений и полученных зависимостей, связывающих химический состав стали с физическими и механическими свойствами, будут разработаны составы сталей, обладающих сочетанием нескольких основных параметров:
1) высокая устойчивость переохлажденного аустенита в температурной области диффузионного превращения (700…500 °С), определяемая отсутствием в структуре стали феррита и перлита после охлаждения со скоростью более 0,1…0,3°С/с;
2) возможность получения повышенной ударной вязкости (не менее 1,0 МДж/м2) и пластичности (относительное удлинение не менее 15 %) при сохранении достаточного уровня прочности (временное сопротивление не менее 1400 МПа) после изотермической обработки, определяемая морфологией формируемой тонкой структуры и термодинамическими условиями реализации превращения аустенита;
3) низкая себестоимость по сравнению с существующими промышленными сталями с высокой прокаливаемостью (18Х2Н4МА, 25Х2Н4МА, 30Х2ГСН2ВМ и др.), достигаемая оптимальным содержанием легирующих элементов.
