книги из ГПНТБ / Микролегирование литых жаропрочных сталей

АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНСКОЙ ССР ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ЛИТЬЯ

МИКРОЛЕГИРОВАНИЕ

ЛИТЫХ

ЖАРОПРОЧНЫХ

СТАЛЕЙ

ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКОВА ДУМКА» КИЕВ — 1974

6П3.1 М59

У Д К 621:74:569 14.018.44

Монография посвящена вопросам практиче­ ского использования метода мнкролегпроваиия редкоземельными металлами и бором жаропроч­ ных сталей с целью улучшения качества отливок и специальных свойств сталей. Исследовано влия­ ние микролегнрующнх добавок на технологиче­ ские, механические и специальные свойства стали. Получены данные о структуре, фазовом составе и распределении элементов основы в литой струк­ туре под влиянием микролегировання. Сформулиро­ ваны основные положения, объясняющие меха­ низм воздействия микролегнрующнх добавок.

Предназначена для научных и инженерно-тех­ нических работников, специализирующихся в об­ ласти металловедения литых сталей.

Редакция технической литературы

3122— 018 М Л1221(04)— 74 68—74

© Издательство «Паукова думка», 1974 г.

ВВЕДЕНИЕ

Одной из основных задач металлургии, как отмечено в Директивах XXIV съезда КПСС по пятилетнему плану развития народного хозяйства СССР на 1971—19/5 гг., является коренное улучшение качества металлопродук­ ции за счет внедрения прогрессивных способов производ­ ства металла, что существенно повысит эффективность

применения металла в народном хозяйстве.

Развитие электроэнергетики, нефтяной, газовой и хи­ мической промышленности и современные требования улучшения технико-экономических показателей работы оборудования ставят перед металловедами ^задачи повы­ шения технологических и специальных свойств сталей и сплавов, работающих в условиях воздействия высоких температур и агрессивных сред. Особенно актуальными являются задачи повышения качества литых сталей и

сплавов.

Общеизвестно, что использование литых сталей и сплавов по сравнению с деформированными имеет сле­ дующие технико-экономические преимущества:

возможность повышать жаропрочность путем комп­ лексного легирования, что для деформированных мате­ риалов затруднительно из-за требований пластичности; возможность получать сложную конфигурацию дета­

лей без дополнительных операций; сокращение ковочного, прокатного и термического

оборудования; получение более высоких показателей выхода годного

металла и экономия дефицитных легирующих элементов. Вместе с тем для литых материалов характерны такие дефекты, как крупное и неоднородное зерно, развитая ликвация, неоднородность структуры и свойств по сече­ нию и, наконец, литейные пороки в виде рыхлот, порис­ тости, плен и т. д. Эти недостатки литых сталей и спла-

3

bob иногда приводят к тому, что металлурги машино­ строительных предприятий предпочитают литым метал­ лам штампованные и кованые, даже не выяснив возмож­ ность улучшения качества отливок, для чего необходимо проводить специальное исследование.

Результаты исследований свойств литых жаропроч­ ных сталей, проведенных авторами в Институте проблем литья АН УССР, позволяют сделать вывод, что примене­ ние таких прогрессивных методов, как комплексное ле­ гирование, комплексное раскисление и микролегирова­ ние стали поверхностно-активными добавками при вы­ плавке, центробежная заливка, обработка металла при

условием является повышение культуры литейного про­ изводства на предприятиях.

В монографии использованы материалы исследова­ ния возможностей повышения качества отливок и спе­ циальных свойств литых жаропрочных сталей аустенит­ ного 1Х23Н18 (ЭИ417) и мартенситного Х17Н2 классов с помощью микролегирования редкоземельными метал­ лами (РЗМ) и бором, выполненного в отделе легиро­ вания сталей и сплавов Института проблем литья АН УССР в течение 1965—1970 гг.

Известно, что РЗМ, вводимые в сталь при выплавке, оказывают рафинирующее, модифицирующее и легирую­ щее воздействия. Рафинирующее действие выражается в способности РЗМ, благодаря их высокой активности по отношению к таким элементам, как кислород и сера, образовывать окислы и сульфиды относительно высокой тугоплавкости, поглощать значительные количества во­ дорода с образованием гидридов, тем самым очищая металл от вредных примесей и газов, когда создаются условия для удаления продуктов взаимодействия РЗМ. Модифицирующее воздействие выражается в измельче­ нии дендритной структуры стали при кристаллизации, в уменьшении величины зерна и в увеличении степени дис­ персности кристаллизующихся фаз. Легирующее воздей­ ствие сказывается в способности малых добавок упроч­ нять основной твердый раствор, образовывать новые фа-

4

Глава I

РАФИНИРУЮЩЕЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ МАЛЫХ ДОБАВОК РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ И БОРА. ИЗМЕНЕНИЕ ЛИТЕЙНЫХ СВОЙСТВ СТАЛЕЙ Х17Н2

И1Х23Н18 ПРИ МИКРОЛЕГИРОВАНИИ

1.Характеристика исследуемых сталей

Сталь феррито-мартенситного класса Х17Н2 (С = 0,Нч- н-0,17; Mn<0,8; Si<0,6; Сг=16-И8; №=1,5-ь2,5; Ssg; s^0,025; Р^0,03% ) находит широкое применение как высокопрочная в котлотурбостроительной, химической и пищевой промышленности [199]. Эта сталь использует­ ся для деталей, работающих в условиях влажной среды при температурах 300ч-400°С, а также лопаток осевых компрессоров газовых турбин и деталей крепления, ра­ ботающих при температурах до 450° С. Сталь типа Х17Н2 в крупных сечениях обладает большой анизотро­ пией механических свойств. Последнее связано с тем, что в результате ликвации отдельные объемы металла имеют разный химический состав и, следовательно, структурную неоднородность. В зависимости от колеба­ ний химического состава структура стали будет либо мартенсито-ферритной, либо мартенсито-ферритной + + аустенитной. Высокотемпературная модификация же­ леза (6-железо) всегда присутствует в стали Х17Н2. На­ личие ее так же, как и остаточного аустенита, нежела­ тельно, так как они вызывают анизотропию свойств. Кроме того, наличие 6-феррита затрудняет проведение горячей механической обработки и вызывает появление рванин и трещин. Количество структурно-свободного феррита определяется, в основном, содержанием хрома и углерода, а также скоростью охлаждения стали.

Основной фазой стали Х17Н2 является мартенсит, который получается при любой скорости охлаждения от температуры нагрева под закалку. Фазовые напряжения, возникающие при термической обработке, являются при­ чиной появления трещин при резком охлаждении стали. Мартенсит закаленной стали характеризуется опреде­ ленной степенью тетрагоналы-юсти, исчезающей после отпуска при низких температурах (до 300°С). Полный

6

•распад мартенсита происходит при температурах отпус­

коррозионной стойкости [102]. Поэтому обычно отпуск ■стали Х17Н2 производят при температурах ниже или вы­ ше области вторичного упрочнения, в зависимости от требуемой твердости.

Сталь Х17Н2 обычно закаливают от температуры, примерно равной 1000° С. При более высоких темпера­ турах закалки в стали сохраняется много остаточного

•аустенита и структурно-свободного феррита. При темпе­ ратуре около 1000° С в достаточной степени полно про­ исходит процесс гомогенизации аустенита и растворения в нем карбидной фазы (Сг23Сб). Эта сталь имеет относи­ тельно высокую прочность и достаточную пластичность и по механическим свойствам, в основном удовлетворя­ ет предъявляемые к ней требования. Теплопровод­ ность стали, так же как и электросопротивление, снижа­ ется с увеличением содержания хрома. Однако электро­ сопротивление стали в пять-шесть раз выше, чем средне­ углеродистой стали.

Критические точки стали Х17Н2 вследствие колеба­ ний в химическом составе могут находиться в пределах:

Ас —600—650° С; А,»— 800—900° С.

Для повышения технологичности и коррозионной стойкости сталь Х17Н2 дополнительно легируют различ­ ными элементами. Легирующие элементы выбираются в зависимости от предъявляемых требований к изделиям. Так, для увеличения коррозионной стойкости во влаж­ ной среде легируют молибденом и медью, для улучше­ ния стойкости против окисления при высоких температу­ рах — кремнием и алюминием.

Основным недостатком дополнительного легирова­ ния стали Х17Н2 является то, что одновременно с улуч­ шением некоторых ее свойств, например, коррозионной стойкости, происходит ухудшение технологичности. В связи с этим был избран другой путь улучшения каче­ ства стали Х17Н2 — микролегирование РЗМ и бором. Исследование влияния РЗМ и бора тем более представ­ ляет интерес, так как в литературе почти отсутствуют

соответствующие данные по классу феррито-мартенсит­ ных сталей.

7

Исследование проводилось применительно к фасон­ ным отливкам из стгли Х17Н2, а именно— направляю­ щим лопаткам турбин, работающих при 300—400° С во влажной атмосфере, содержащей ионы хлора. Заливка лопаток осуществляется в горячие керамические формы.

Всвязи со спецификой работы и получения лопаток

кстали предъявляются следующие требования: высокая технологичность и чистота по неметаллическим включе­ ниям и газам, способность противостоять коррозии во влажной среде, содержащей ионы хлора, хорошее соче­ тание свойств прочности и пластичности, а также одно­ родность свойств по сечению отливки.

Аустенитная сталь 1Х23Н18 (ЭИ417), благодаря со­ четанию высокой стойкости против окисления при высо­ ких температурах и удовлетворительной жаропрочности, широко применяется в машиностроении в качестве жаро­ прочного материала для жаровых труб и сопловых аппаратов [200]. Стали типа 1Х23Н18 имеют более вы­ сокое сопротивление ползучести, длительную прочность при более высоких температурах, чем высоколегирован­ ные хромистые стали с ферритной или перлитной струк­ турой. Однако способность свариваться у этих сталей хуже, чем у сталей типа Х18Н9.

Сталь 1Х23Н18 относится к группе сталей с карбид­ ным упрочнением. Основной предпосылкой для достиже­ ния максимальной жаропрочности в этом случае явля­ ется возможность создания пересыщенного твердого раствора и последующих условий для его распада с вы­ сокодисперсным выделением избыточной карбидной фа­ зы типа СгозСб. Поэтому эта сталь применяется после

закалки ог температуры, примерно равной 1100° С, в воде или на воздухе с последующим старением или без него. От режима термической обработки и величины зер­ на аустенита в сильной степени зависят характеристики длительной прочности, сопротивления ползучести и, осо­ бенно, пластичность. Стали с крупнозернистой структу­ рой, закаленные от более высоких температур, имеют несколько большую длительную прочность, однако их пластичность снижается с увеличением продолжитель­ ности испытания. Сопротивление теплосменам у мелко­ зернистых сталей выше, чем у крупнозернистых.

Отрицательно воздействует на жаропрочиостные ха­ рактеристики разнозернистость стали. Если в структуре

8

стали наряду с мелким зерном присутствует крупное, то вследствие воздействия напряжений при высоких тем­ пературах на крупнозернистые участки, как на менее пла­ стичные, накладываются большие напряжения, что при­ водит к быстрому растрескиванию по границам зерен. Изделия, имеющие однородную структуру, работают бо­ лее длительное время. Отсутствие постоянства свойств и пониженная жаропрочность — недостатки, типичные для разнозернистого материала.

Свойства стали 1Х23Н18 исследовались применитель­ но к литым сопловым лопаткам III, IV, V и VI ступеней газотурбинных двигателей. Изделия изготавливались методом литья по выплавляемым моделям. Заливка осу­ ществляется непосредственно из порционной печи или из ковша в керамическую форму, нагретую примерно до 900° С. Отливки имеют сложную конфигурацию и закал­ ка приводит к короблению изделий. В литом состоянии структура стали характеризуется крупнозернистостью и наличием разнозернистости, неравномерным распреде­ лением карбидной фазы, низкими значениями длитель­ ной прочности и сопротивления термоусталости. Кон­ троль качества отливок выявляет повышенный брак по литейным порокам в виде рыхлот и пористости. Неодно­ родность структуры и наличие литейных дефектов отри­ цательно сказываются на свариваемости литой стали.

В связи с этим целесообразно методом микролегиро­ вания РЗМ и бором получить в литом состоянии опти­ мальное сочетание физико-механических свойств и каче­ ства отливок. Имеющиеся в литературе данные о влия­ нии РЗМ и бора на структуру и свойства стали типа Х23Н18 в большинстве своем относятся к деформирован­ ным сталям. Кроме того, причиной, побудившей прово­ дить исследование с установлением оптимального коли­ чества добавки РЗМ и бора, а не использовать имеющие­ ся рекомендации по этому вопросу, явилось предположе­ ние, которое было подтверждено результатами последу­ ющего исследования, о том, что эффект воздействия микролегирующих добавок в сильной степени зависит от условий кристаллизации стали. В данном случае необ­ ходимо было учитывать специфику условий кристаллиза­ ции стали, залитой в горячие формы.

Большой интерес представляло также исследование влияния комплексной добавки РЗМ и бора, посколь-

9