книги из ГПНТБ / Микролегирование литых жаропрочных сталей

зерна совпадает с зоной срастания дендритных кристал­ литов, в тех местах наиболее вероятно образование тре­ щин под действием напряжения и температуры.

Количество карбидной фазы и неметаллических включений в междендритных и межосных участках уве­ личивается по мере уменьшения скорости кристаллиза­ ции стали из жидкого состояния и по мере повышения

содержания углерода. Литую структуру авторы исследо­ вали на отливках, охлажденных с разной скоростью от температуры ликвидус. Скорость кристаллизации рас­ считывали по размерам осей дендритов второго порядка. Дендритная структура сталей трех вариантов представ­ лена на рис. 49. Первый вариант — сталь, залитая в го­ рячие керамические формы, кристаллизовалась со ско­ ростью, равной примерно 3 см/мин. Второй вариант — сталь, залитая в холодные песчано-глинистые формы, кристаллизовалась со скоростью, примерно равной

124

21 см/мин. Третий вариант — сталь, выплавленная в ин­ дукционной вакуумной печи, кристаллизовалась в слиточках весом 50 г со скоростью, примерно равной

100 см!мин.

Содержание углерода в стали второго и третьего ва­ риантов колебалось в пределах 0,09—0,11%. По содер­ жанию углерода плавки первого варианта делятся на две серии: первая серия — 0,09—0,11% С и вторая серия — 0,12 — 0,15% С. На рис. 50 представлена микрострукту­ ра стали 1Х23Н18 трех вариантов в литом состоянии. На фотографиях хорошо заметны характерные скопления частиц карбидной фазы и неметаллических включений в межосных и междендритных участках. Наиболее одно­ родное распределение неметаллической и карбидной фаз достигнуто при скорости кристаллизации, составляющей примерно 100 см/мин (рис. 50, ѳ). Дисперсность дендрит­ ной структуры заметно возрастает с увеличением скоро­ сти кристаллизации, т. е. величины осевых и межосных пространств стали третьего варианта меньше, чем второ­ го, и второго меньше, чем первого.

С помощью микрорентгеноспектрального анализа на приборах типа МАР-1 и JAX-3 исследовалось распреде­ ление хрома и никеля в осевых и межосных участках структуры стали в зависимости от скорости кристаллиза­ ции. По отношению содержания элемента в межосевом пространстве См к содержанию его в осевом пространст­ ве С0 высчитывался коэффициент ликвации Кл- Выя­ снилось, что никель почти не проявляет тенденции ликвировать, коэффициент его ликвации во всех случаях весь­ ма близок к единице. Коэффициент ликвации хрома для первого варианта составляет 1,32, для второго— 1,18 и для третьего — 1,15. Это показывает, что при замедле­ нии кристаллизации в исследуемых пределах диффузия хрома из осевых участков в межосевые и междендритные усиливается, в результате чего там создаются более бла­ гоприятные условия для образования карбидной фазы.

Характер зависимости дендритной неоднородности от скорости охлаждения сплавов из жидкого состояния нельзя считать полностью выясненным. Согласно [19, 122] и исследованиям, перечисленным в [19], зависи­ мость дендритной неоднородности от скорости охлажде­ ния выражается кривой с максимумом, причем послед­ ний наблюдается при очень малых скоростях охлажде-

125

1voCqrn°i М"кР°стРУктура стали

1X-3II18 (XIOO). Структура представлена после электроли­ тического травления в 10%-пом растворе щавелевой кислоты.

Обозначения те же, что и на рис. 49.

Рис. 51. Характерное строение междендритного или межосного участ­ ка стали 1Х23Н18 (первый вариант):

Я — X 1000; б — Х800.

Нйя порядка 15—4Ö град/мин. При увеличении скорости охлаждения дендритная неоднородность постепенно уменьшается.

Однако в [123] высказывается другая точка зрения, а именно: при скорости охлаждения выше значения, со­ ответствующего максимуму на кривой, дендритная неод­ нородность остается практически постоянной, т. е. состав осевых и межосных участков не изменяется. Наблюдае­ мое ранее уменьшение величины неоднородности при указанных скоростях охлаждения объясняется недоста­ точной локальностью применяемых методов анализа, приводящей к усреднению состава центральных и погра­ ничных зон при уменьшении размера ячеек и осей кри­ сталлитов.

В исследовании, проведенном авторами, при исполь­ зовании микрорентгеноспектрального анализа не могло быть усреднения состава осевых и межосевых участков, так как величины последних достаточно велики по срав­ нению с диаметром электронного зонда. Результаты ис­ следования микронеоднородности подтверждают скорее более раннюю точку зрения на характер зависимости дендритной неоднородности от скорости охлаждения, которая заключается в том, что по мере увеличения ско­ рости охлаждения дендритная неоднородность сначала возрастает, затем достигает максимума и постепенно уменьшается. При этом значения микронеоднородности для стали первого варианта, охлажденной с малой ско­ ростью (примерно 3 см!мин), лежат в области максиму­ ма, а значения микронеоднородности для второго и тре­

осной ликвации в зоне столбчатых и в зоне равноосных кристаллов двухтонного слитка стали 1Х23Н18 объясня­ ется тем, что полнота прохождения диффузионных про­ цессов неодинакова. При большой скорости кристалли­ зации (зона столбчатых кристаллов) диффузионные про­ цессы проявляются в незначительной мере и происходит существенное обособление ликвационных выделений. При замедлении скорости кристаллизации (зона равноосных кристаллитов) диффузионные процессы проявляются в достаточно полной мере и имеет место выравнивание

127

концентраций — уменьшение, рассасывание межосной ли­ квации. Авторы не дают количественных характеристик скорости кристаллизаци или скорости охлаждения. В дан­ ном случае замедление скорости кристаллизации, а сле­ довательно, и более полное прохождение диффузионных процессов вызывает увеличение ликвационных выделе­ ний.

Можно предположить, что значения скорости кри­ сталлизации центральной зоны двухтонного слитка ста­ ли 1Х23Н18 [208] лежат в области кривой до максиму­ ма, где при очень малой скорости кристаллизации имеет место диффузионное выравнивание составов осей и меж­ осных пространств.

Результаты металлографического и электронномикро­ скопического исследований строения межосных и меж­ дендритных участков позволяют сделать следующий вы­ вод: во всех случаях неметаллическое включение распо­ лагается в центре межесного или междендритного

увеличениях. Если в скобках, где показано увеличение, приведены два числа, то первое означает увеличение электронного микроскопа, второе — увеличение при пе­ чатании снимка. На рис. 52, а видно неметаллическое включение глобулярной формы в центре скопления кар­ бидных частиц, на рис. 52, б, в и г — включения или крупные частицы карбидов дендритной и неправильной форм. Включения сферической формы, как правило, имеют сложный состав и, судя по металлографическим исследованиям, являются оксисульфидами и сульфоси­ ликатами.

При изучении структуры междендритных и межосных участков было установлено, что эффективность опреде­ ления действительной формы карбидных частиц, наблю­ даемых в электронном микроскопе, во многом зависит от выбора способа травления литой структуры стали.

128

шлифа. Электролитическое травление в 10%-ном водном

течение 4—5 сек. Далее химическое травление в 5%-ном спиртовом растворе пикриновой кислоты с добавлением 2—4% концентрированной соляной кислоты при +40°С. После выявления структуры образец помещается в насы­ щенный раствор КОН, а затем промывается водой.

На рис. 50, 51 и 52, а и в показана структура стали после травления по методу А. Это менее трудоемкий ме­ тод, однако, как показали сравнительные исследования, он приводит к значительному растравливанию структу­ ры, в результате чего неметаллические включения и кар­ бидные частицы очень часто выкрашиваются, острые углы этих частиц растравливаются и установить истин­ ную форму карбидных частиц при этом способе травле­ ния нельзя. Действительно, судя по рис. 52, а, карбидные частицы имеют округлую, глобулярную форму. Однако на рис. 52, б и г, где показана структура межосных уча­ стков после травления по методу Б, карбидные частицы имеют четко выраженную геометрически правильную форму. Кроме того, при этом методе травления чаще удается экстрагировать частицы в реплику и получить их микродифракционную картину. На рис. 53 дана микродифракционная картина, снятая от частицы геометри­ ческой формы, расположенной в межосном участке. Расчет подтверждает правильность идентификации этих частиц как карбидов типа МегзСб. Применение метода Б для травления позволило обнаружить также карбиды дендритной формы.

В периферийных областях межосных участков были найдены удлиненные частицы в виде палочек, более свет­ лые, чем карбиды, которые предположительно были от­ несены к карбонитридам или к нитридам.

Идентифицировать эти частицы с помощью микро­ дифракции, к сожалению, не представилось возможным ввиду того, что расположены они, как правило, в тех же местах, что и карбиды хрома, которые дают более чет­ кую и яркую дифракционную картину. Вид этих частиц, а также мелких карбидов геометрической и дендритной форм показан на рис. 54. Карбиды дендритной формы

Рис. 52. Структура междендритного пли межосного участка, снятая

в электронном микроскопе:

а— неметаллическое включение глобулярной формы п центре скопления кар­ бидов (Х2000 Х5); б — межосный участок с включением дендритной формы

(Х40Ч0); в и г — межосныП участок с включением неправильной формы (а —

X 1500X5; г — Х7000).

обнаружены не только в литой структуре стали первого варианта, медленно охлажденной из жидкого состояния, но и в структуре стали второго варианта, которая кристаллизовалась со скоростью, примерно равной

21 см!мин.

Во многих работах [188, 199, 228, 235, 245, 246], в ко­ торых исследовалась морфология карбидных фаз типа Сг2зСб в хромоникелевых и хромоникельмолибденовых сталях и были обнаружены дендритные формы карби­ дов, в качестве объекта исследования выбирались образ­ цы сталей после термической обработки — закалки от температур 1050—1150° С и провоцирующего или сенси­ билизирующего отпуска в интервале температур 500— 800° С. Результаты детального исследования закономер­ ностей роста карбидных частиц в процессе нагрева в ука­ занном интервале температур дают возможность авторам сделать следующие заключения. Когда температурные условия и время выдержки позволяют карбидам прини­ мать их характерное строение, нестабильные карбиды дендритной формы превращаются в стабильные карбиды геометрической формы, определяемой плоскостями крис­ таллической решетки матрицы, в которой они растут. Изотермическое превращение формы карбидных выде­ лений при выдержке в области сенсибилизирующего от­ пуска происходит по такой схеме: дендриты или малень­ кие хлопья карбидов-ѵбольшие дендриты-э-дендритные фрагментацин->-частицы геометрической формы, которые могут образовывать цепь или ориентированные гроздья. Стимулирующим фактором этого превращения является стремление карбидных частиц принять форму, соответ­ ствующую наиболее стабильной энергии в данных усло­ виях. Тонкие, по существу, двухмерные карбиды ден­ дритной формы толщиной в несколько молекулярных слоев могут растворяться и образовываться в течение нескольких секунд. Крупные карбидные выделения лока­ лизуются по границам зерен, причем растут от границы зерна в сторону матрицы. Однако в работах [228, 246] утверждается, что в стали типа Х18Н8 (302 — по амери­ канским стандартам) после соответствующей термиче­ ской обработки выделяются большие дендритной формы карбиды (Сг, Ре)гзСб, растущие исключительно вдоль межзеренной границы, и именно эти выделения являются ответственными за обеднение границ зерен хромом и

склонность стали к межкристаллитной коррозии. Эти вы­ воды подтверждаются результатами работы [188]. Боль­ шие дендритной формы карбиды обнаружены [246] только на поверхности изломов стали. Отдельные не­ большие карбидные частицы геометрической формы най­ дены в матрице в областях, расположенных близко к гра­ нице.

При электронномикроскопическом исследовании структуры литой стали 1Х23Н18 по границе первичного аустенитного зерна были обнаружены крупные карбид­ ные выделения, представляющие собой непрерывные це­ почки частиц геометрической формы. На рис. 55 показан участок границы, имеющий характерное зубчатое строе­ ние со следами карбидных выделений, но не попавших в реплику (травление, по методу А). На рис. 56 (травле­ ние по методу Б) показан участок границы первичного аустенитного зерна, в котором частицы карбидной фазы удалось экстрагировать в пленку. В области, прилегаю­ щей к границе, обнаружены в значительном количестве карбиды дендритной формы. Расчет дифракционной кар­ тины, полученной от одной из частиц правильной формы, образующих «частокол» вдоль линий границ, позволяет совершенно определенно идентифицировать пограничные частицы так же, как карбиды типа Ме2зСб.

Методом микродифракции удалось определить при­ роду крупных частиц геометрически правильной формы, расположенных в центре межосного пространства (рис. 52, г). Дифракционная картина, полученная от края одной из крупных частиц, которые вначале прини­ мались за неметаллические включения, также дает осно­ вание считать их карбидом МегзСб.

Таким образом, при исследовании структуры стали 1Х23Н18 первого варианта в литом состоянии обнару­ жены следующие виды карбидных выделений:

а) непрерывные цепи крупных частиц геометрически правильной формы на границе первичного аустенитного зерна;

б) скопления мелких и крупных частиц геометрически правильной формы, расположенные в междендритных и межосных участках;

в) скопления мелких полупрозрачных частиц ден­ дритной формы, найденные в межосных участках и в областях, прилегающих к границе аустенитного зерна.

132