Актуальная проблема повышения износостойкости многих видов деталей машин и инструмента решается проведением химико-термической обработки, в частности цементации и последующей термической обработки для получения преимущественно мартенситно-цементитной структуры. Однако более эффективно ее решать благодаря получению или сохранению в структуре остаточного метастабильного аустенита (А_ост), способного к деформационному мартенситному γ_ост→αʹ превращению при изнашивании (ДМПИ) непосредственно в ходе испытаний износостойкости и эксплуатации. Для реализации этой идеи разрабатываются новые способы и технологии термической и других видов обработки, обеспечивающие формирование метастабильной аустенитно-мартенситно-карбидной структуры.

Целью работы является изучение возможности регулирования фазового состава, структуры и метастабильности посредством высокотемпературной закалки и параметров отпуска для повышения свойств высокопрочной стали 30Х8Г6С2Ф с метастабильным аустенитом.

Образцы стали 30Х8Г6С2Ф размером 10х10х55 мм подвергались цементации в твердом (Березовском) карбюризаторе при температуре 970 °С 17 часов, охлаждение вместе с печью. Образцы подвергались высокотемпературной закалки с 1100 °С в масло и отпуску при разных температурах от 200 до 700 °С (выдержка 1 час). Исследовалась их микроструктура (микроскоп NEOPHOT-21); измерялась твердость по Роквеллу; микротвердость (микротвердомер МПТ-3); проводились испытания ударной вязкости (маятниковый копер МК-30); износостойкости в условиях сухого трения-скольжения металл по металлу (машина МИ-1М); абразивной износостойкости по схеме Бринелля-Хоуорта в среде кварцевого песка.

Структура стали 30Х8Г6С2Ф в закаленном состоянии состоит из аустенита, а после цементации – из мартенсита, продуктов распада аустенита, остаточного аустенита и карбидных фаз составов – (Cr,Fe)₂₃C₆, (Fe,Cr)₃C и VC. Глубина науглероженного слоя составляла 1,25…1,5 мм, структура которого после высокотемпературной закалки с 1100 °С представляет собой преимущественно аустенит, поскольку карбидные фазы практически полностью растворены в аустените.

После отпуска при температурах 200…300 °С микроструктура поверхностного слоя цементованных и закаленных образцов остается аустенитной, а после отпуска в интервале температур 400…700 °С образуется некоторое количество мартенсита закалки и карбидных высокодисперсных частиц. Чем выше температура отпуска, тем больше образуется мартенсита и карбидов. Соответственно этому увеличивается степень деформационной метастабильности, т.е. способности аустенита поверхностного слоя к γ_ост→αʹ ДМПИ. Эти процессы связаны с дестабилизацией аустенита и объясняются выделением частиц карбидов из аустенита, уменьшением содержания углерода, хрома и ванадия в нем, повышением точек М_н и М_к (точки М_н выше комнатной температуры).

После отпуска при температурах 200…500 °С в цементованных образцах сохраняется достаточная ударная вязкость KCU=45…60 Дж/см², а при температурах отпуска 600…700 °С она снижается до 15…20 Дж/см². Абразивная износостойкость цементованной закаленной стали 30Х8Г6С2Ф в зависимости от температуры отпуска изменяется по кривой с максимумом (ε_т=2,5), который соответствует температуре 500 °С, а абразивная износостойкость (ε_а=2,2) – температурам 500 и 600 °С. Повышенная износостойкость объясняется протеканием γ_ост→αʹ ДМПИ в тонком поверхностном слое под деформирующим воздействием контр-тела и абразивных частиц, что сопровождается эффектами самоупрочнения в следствие образования мартенсита деформации, релаксации микронапряжений и поглощения механической энергии внешнего воздействия.