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

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).

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