Введение

Крепежные изделия относятся к числу изделий, наиболее широко применяемых в современных самолетных и вертолетных конструкциях (в конструкциях крыла, фюзеляжа, вертикального и горизонтального оперения, элементов управления воздушным судном).

В настоящее время в качестве таких крепежных деталей используют: конструкционную сталь 30ХГСА с пределом прочности 1080 МПа, а также коррозионностойкие стали 07Х16Н6 с пределом прочности 1177 МПа и 14Х17Н2 с пределом прочности 1080 МПа. Однако эти стали обладают недостаточной технологической пластичностью в холодном состоянии из-за повышенного содержания углерода.

Для развития промышленности, конкурентоспособности и, как следствие, социальной стабильности нашей страны необходимо проводить разработки в области новых материалов и технологий их получения [1–3]. К современным материалам, обладающим высоким уровнем надежности, предъявляют также требования по снижению экономической нагрузки на их производство [4].

Тенденцией последних лет в области совершенствования сталей является легирование азотом. Это один из самых доступных на нашей планете элементов, который в качестве легирующей добавки вызывает интерес уже больше века [5].

Существует немалое количество работ, посвященных изучению структуры и свойств азотсодержащих сталей [6–10], подтверждающих целесообразность введения в них азота.

Замена азотом части углерода в сталях наделяет материал уникальным сочетанием свойств «прочность–пластичность-вязкость». Например, в сложнолегированной азотсодержащей коррозионностойкой стали 17Х13Н4К6САМ3ч аустенито-мартенситного (переходного) класса при суммарном легировании углеродом и азотом до 0,30 % (по массе) достигают следующих значений механических свойств: предел прочности 1810 МПа, относительное сужение 50 %, ударная вязкость образцов с V-образным надрезом 81 Дж/см² [11].

Азотсодержащие стали обладают хорошей технологической пластичностью в холодном состоянии и способны деформироваться со степенью обжатия до 90 % [12].

Использование азота сокращает применение дорогостоящих и редких легирующих элементов в составе стали. Например, никель как легирующий элемент присутствует во многих сталях, благодаря чему сталь приобретает пластичность и вязкость. Кроме того, никель является сильным аустенитообразующим элементом. Однако этот металл в ряде стран является дефицитным. Частичная замена никеля в хромоникелевых и хромоникельмарганцевых сталях привела не только к снижению стоимости материала, но и к улучшению его физико-механических свойств [6].

Азотсодержащие стали нашли широкое применение в различных областях техники. В зависимости от структурного состояния стали с азотом можно использовать для производства деталей электро- и парогенератора в качестве конструкционных материалов, обладающих высокими жаропрочностью и коррозионной стойкостью; силовых элементов планера и шасси авиационной техники, а также в судостроении, в медицинских изделиях в качестве имплантов и для изготовления медицинских инструментов. В работе [13] аустенитные высокоазотистые стали предложено применять для баллистической защиты.

Для крепежных деталей в авиационной технике Институтом металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН совместно с НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ разработана новая экономнолегированная коррозионностойкая азотсодержащая сталь ВНС-74 (05Х16Н5АБ) [14] с пределом прочности не менее 1400 МПа, сопротивлением срезу не менее 950 МПа и высокой технологической пластичностью в холодном состоянии.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Материалы и методы

Объектом исследования являлась коррозионностойкая сталь ВНС-74 мартенситного класса с повышенным содержанием азота (˃0,10 % (по массе)) с регламентированным содержанием мартенсита и аустенита в виде калиброванных прутков размером от 6 до 16 мм промышленного производства. Сталь выплавляли в открытой индукционной печи емкостью 1 т с дальнейшим электрошлаковым переплавом.

Фазовый состав литого металла определяли на приборе МКЛ-3М путем измерения в процессе выплавки магнитности литой пробы, закаленной в воде и охлажденной до комнатной температуры. В случае необходимости выполняли доводку фазового состава до заданных значений магнитности.

Фазовый состав образцов из прутков определяли на основе измерения величины намагниченности насыщения 4πІ_S на баллистической установке «Штеблейн» индукционным методом.

Из слитков стали ВНС-74 изготовлены калиброванные прутки диаметром 6–16 мм. Полуфабрикаты таких размеров получены из заготовки круглого сечения 95 мм. Прутки изготовили путем горячего деформирования (прокатки). В процессе их изготовления между операциями прокатки для улучшения технологичности выполняли отжиг. Тонкие прутки диаметром 6-8 мм получили после смягчающего отжига из прутков диаметром 10 мм методом холодного волочения за две протяжки.

Болты из прутков диаметром 6-8 мм изготавливали методом холодной штамповки головки, а из прутков диаметром 10-16 мм – методом горячей штамповки головки. Для операции горячей высадки головок болтов использовали нагрев токами высокой частоты от многовиткового индуктора, питающегося от транзисторного генератора ВЧГ-40, в течение не более 30 с при температуре 1050–1100 °С. Накатывание резьбы проводили цилиндрическими роликами.

Определение содержания азота в стали ВНС-74 осуществляли методом газового анализа на газоанализаторе CS-600.

Твердость определяли на твердомере EmcoTest Duravision.

Испытания прутков на растяжение проводили на универсальной испытательной машине LFM-125 в соответствии с ГОСТ 1497–84.

Механические испытания болтов выполняли в соответствии с ГОСТ 1759.4–87.

Для определения стойкости к коррозионному растрескиванию в камере солевого тумана КСТ-35 перед испытаниями проводили подготовку болтов: крепежные детали обезжиривали и создавали пассивную пленку на поверхности. Качество пассивированной поверхности контролировали методом осаждения меди при нанесении медного купороса – отсутствие следов меди указывает на сплошность пассивной пленки. Часть болтов испытывали с перекосом, используя специальные втулки, у которых один торец имел скос 8 градусов (торец со скосом устанавливали под гайкой). Испытания проводили при приложенных напряжениях 0,5М_р = 440 МПа и 0,7М_р = 617 МПа, где М_р = 882 МПа – разрушающий момент. Стойкость к коррозии под напряжением болтов определяли по ГОСТ 9.308–85.

Исследование микроструктуры стали ВНС-74 проводили на шлифах, травленных электролитическим методом, на оптическом микроскопе Olympus GX 51 при увеличении ×500.

Результаты и обсуждение

Сталь ВНС-74 относится к сталям мартенситного класса, она упрочняется углеродом и азотом. Концентрация последнего достигает 0,12–0,13 % (по массе), суммарное содержание данных элементов внедрения составляет ~0,20 % (по массе). Указанное количество азота в сталях данной марки является сверхравновесным, что может привести к образованию пористости в слитке в процессе его кристаллизации.

Для предотвращения образования дефектов выплавку стали с повышенным содержанием азота желательно проводить в печи с избыточным давлением [15]. При наличии полупромышленной установки электрошлакового переплава под давлением ДЭШП-0,1 [16] в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ возможно получение слитка стали массой до 100 кг.

С целью получения в условиях металлурического завода плотного, без газовых пузырей и пористости, слитка сталь ВНС-74 плавили в открытой индукционной печи емкостью 1 т. Расчет химического состава плавки вели таким образом, чтобы содержание хрома и марганца соответствовало верхнему пределу марочного состава, так как хром и марганец расширяют область растворимости азота. Однако повышенное количество этих элементов, а также увеличение концентрации азота снижают температуру мартенситного превращения, что приводит к росту количества остаточного аустенита в литом металле после охлаждения, снижающего прочностные характеристики стали.

В работе [17] установлено, что для получения уровня прочности не менее 1400 МПа необходимо выплавлять сталь ВНС-74 с фазовым составом, состоящим из ~60 % магнитной фазы (мартенсита) и ~40 % немагнитной фазы (аустенита) (значение 130 мкA по магнитной пробе на приборе МКЛ-3М) [18]. Помимо рационального легирования элементами, повышающими растворимость азота, наличие остаточного аустенита является благоприятным фактором для получения плотного слитка, поскольку в аустените растворимость азота больше [19].

Готовый качественный слиток стали ВНС-74, содержащий 0,12 % (по массе) азота, подвергали электрошлаковому переплаву при атмосферном давлении, при этом количество азота сохранилось на заданном уровне.

Исследование твердости калиброванных прутков, изготовленных из полученного слитка стали ВНС-74, показало, что твердость тонкого полуфабриката (диаметром 6-8 мм), отоженного после холодной деформации, больше твердости отожженных горячекатаных прутков и составила 3,3 мм (твердость горячекатаных прутков 3,5 мм), поскольку высокая степень обжатия при холодном волочении и отсутствие рекристаллизации создали структуру с высокой плотностью дислокаций.

По-видимому, этим можно объяснить и более высокие значения предела текучести после упрочняющей термообработки тонких прутков (табл. 1).

Таблица 1

Механические свойства прутков из стали ВНС-74 после упрочняющей

термической обработки (закалка, обработка холодом, низкий отпуск)

При этом следует отметить, что размер зерна после закалки как холодно-, так и горячекатаных прутков одинаковый (рис. 1).

Процесс рекристаллизации в холоднодеформированных прутках протекает при более низких температурах вследствие накопленной энергии дефектов кристаллической решетки. Избыток энергии провоцирует снижение температуры рекристаллизации, так как является импульсом для перераспределения дислокаций, необходимых для зарождения центров рекристаллизации [20]. 

Рис. 1. Зеренная структура прутков диаметром 6 (а) и 16 мм (б) после упрочняющей термической обработки (закалки, обработки холодом, низкого отпуска). Травление на зерно

В многочисленных центрах рекристаллизации в металле после холодного волочения зарождается множество мелких зерен, которые, однако, при выдержке при довольно высокой температуре закалки, растворяющей карбонитриды, интенсивно растут. Вследствие этого после закалки размер зерен одинаков как в холодно-, так и в горячедеформированном материалах.

Для получения требуемого уровня механических свойств крепежных деталей из стали ВНС-74 упрочняющая термическая обработка проводится по следующему режиму: закалка с температуры растворения карбонитридов, обработка холодом для дополнительного превращения аустенита в мартенсит, низкий отпуск. Микроструктура стали после указанной термообработки представлена на рис. 2.

Рис. 2. Микроструктура стали ВНС-74 после закалки, обработки холодом и низкого отпуска: мартенсит (темные зоны), остаточный аустенит (светлые зоны), отдельные карбонитриды

В процессе деформации и последующей термической обработки часть аустенита, полученного после выплавки, превращается в мартенсит. Исследование фазового состава стали показало, что в ней остаются стабильный аустенит (15–20 %), мартенсит и отдельные карбонитриды.

Структура металла после отжига на высокоотпущенный мартенсит является наиболее благоприятной для проведения холодной пластической деформации. Мягкий (обезлегированный углеродом и азотом) мартенсит обладает высокой пластичностью. Степень осадки при комнатной температуре отожженных холоднокатаных прутков диаметром 6–8 мм составила ˃80 % за один проход без образования трещин (рис. 3).

Рис. 3. Вид образцов диаметром 8 (а) и 6 мм (б) после осадки ˃80 % отожженных холоднокатаных прутков из стали ВНС-74 при комнатной температуре

Таким образом, сталь ВНС-74 с повышенным содержанием азота, выплавленная в промышленных условиях, имеет высокий уровень механических свойств и обладает повышенной технологичностью, необходимой для изготовления крепежных деталей (болтов, шпилек и т. д.) методом горячей и холодной высадки.

Калиброванные прутки из стали ВНС-74 опробованы при изготовлении в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ совместно с ОАО «Национальный институт авиационных технологий» высадного крепежа (болты) различного диаметра (от 6 до 16 мм) методом холодной и горячей штамповки головки (рис. 4).

Рис. 4. Высадные болты М16 (а), М8 (б) и М6 (в) из стали ВНС-74, изготовленные методом горячей (а) и холодной (б, в) штамповки головки

Механические испытания показали, что болты из стали ВНС-74 не чувствительны при растяжении к перекосу 8 градусов под головкой и гайкой (табл. 2). Болты М6 и М8 из тонких холоднодеформированных прутков, выполненные холодной высадкой, обладают бόльшим сопротивлением отрыву и срезу по сравнению болтами М10–М16, выполненными горячей высадкой, вследствие наследования дефектной структуры после холодной деформации.

Таблица 2

Результаты механических испытаний крепежных деталей (болтов)

из стали ВНС-74 (данные ОАО НИАТ)

Все болты разрушались в местах наибольшей концентрации напряжений – в резьбе или под головкой; излом болтов – с вязким характером разрушений (рис. 5).

Рис. 5. Излом болта М8 с перекосом 8 градусов в резьбе из стали ВНС-74 после испытания на растяжение

Исследована стойкость к коррозионному растрескиванию болтов из стали ВНС-74 с перекосом 8 градусов и без перекоса в камере солевого тумана КСТ-35. Установлено, что за 10 мес испытаний трещин не обнаружено.

Заключения

В промышленных условиях с целью получения плотных слитков, а также требуемых механических свойств стали с повышенным содержанием азота (0,12 % (по массе)) ее выплавку проводили на верхнем пределе по хрому и марганцу и с заданным фазовым составом по магнитной пробе (значения 130 мкА на приборе МКЛ-3М).

Из полученного слитка изготовлены калиброванные прутки диаметром 10–16 (горячей прокаткой) и 6–8 мм (методом холодного волочения).

Исследованы твердость и механические свойства калиброванных прутков. Установлено, что значения прочности и твердости холоднодеформированных полуфабрикатов больше, чем у горячедеформированного металла, что связано с хорошо развитой дислокационной структурой, образованной сильным обжатием, и наследованием такой структуры после отжига и закалки.

Изучение зеренной структуры прутков показало, что величина зерна после закалки по одному и тому же режиму у холоднодеформированного полуфабриката тонкого сечения (до 8 мм) и горячекатаного прутка с бóльшим диаметром практически одинаковая, поскольку сильно наклепанная структура в металле холодного волочения приводит к интенсификации процессов рекристаллизации при более низких температурах и, таким образом, теряется возможность получения более мелкого зерна после закалки.

Исследована технологическая пластичность тонких прутков диаметром 6–8 мм. Показано, что при комнатной температуре степень обжатия составила ˃80 %, что позволяет изготавливать болты методом холодной высадки головки.

Установлена нечувствительность к перекосу 8 градусов под головкой и под гайкой болтов из стали ВНС-74 при растяжении и срезе, а также стойкость к коррозионному растрескиванию в камере солевого тумана КСТ-35.

Сталь ВНС-74 рекомендована в качестве крепежных деталей для изделий авиационной техники.