книги из ГПНТБ / Микролегирование литых жаропрочных сталей

Изучение морфологии карбидных выделений приво­ дит к предположению, что грубые карбидные выделения в центральных зонах межосных и междендритных участ­ ков и крупные выделения карбидов по границам первич­ ных аустенитных зерен образуются в высокотемператур­ ные периоды кристаллизации и охлаждения стали, тогда как более мелкие геометрической формы карбиды, рас­ положенные по периферии межосных и междендритных участков — в более поздние периоды и при более низкой температуре.

Сопоставление условий охлаждения стали из жидкого состояния, даже в случае небольшой скорости, и то об­

даемые авторами карбиды правильной геометрической формы не являются продуктом изотермического превра­ щения дендритных форм. В рассматриваемом случае карбиды по границам зерен и в междендритных и меж­ осных участках растут как частицы правильной геомет­ рической формы, причем в областях, затвердевающих в последнюю очередь, например в центральных зонах ликвационных участков, достигают весьма крупных разме­ ров. Очевидно, возникновение нестабильных карбидных частиц дендритной формы в указанных структурных областях можно объяснить неравномерностями охлажде­ ния и возникающими тепловыми флуктуациями.

В представлении исследователей о природе границ кристаллитов литых сталей нет единого мнения [122, 123]. Граница микрозерна, представленная на рис. 50, по наблюдениям авторов полностью соответствует гра­ нице макрозерна. Очень часто, особенно при медленном охлаждении стали из жидкого состояния, граница имеет характерное зубчатое строение. Можно ли сказать, что граница первичного аустенитного макро- и микрозерна совпадает с местом срастания дендритных кристалли­ тов? Результаты исследования, проведенного авторами, позволили сделать заключение, что совпадение границы зерна с зоной срастания дендритных кристаллитов встречается гораздо чаще, чем несовпадение. Речь идет о кристаллизации стали без введения микролегирующих добавок. Последние, как будет показано ниже, вызыва­

133

ют значительные изменения литой структуры стали. Про­ извольное расположение границы относительно дендрит­ ных форм, которое имеет место в отдельных случаях, вызвано, на взгляд авторов, усадочными напряжениями или выравниванием границы в отдельных местах по при­ чине частичной собирательной рекристаллизации.

Данные исследования литой структуры стали 1Х23Н18 показали, что более правильно применять по отношению к наблюдаемой границе аустенитного зерна термин «граница первичного аустенитного зерна» [22]. Использование термина «вторичная полигонизациоиная граница» [122, 123], по мнению авторов, неприменимо для данного случая.

Наибольшее количество несовершенств кристалличе­ ской структуры и дефектов литого металла сосредотачи­ вается в пограничных зонах дендритных кристаллов. По­ этому наиболее вероятно предположить, что образую­ щаяся в металле граница должна проходить в основном по междендритным участкам, а не располагаться произ­ вольно по отношению к дендритным формам литой структуры, как это утверждается в [122, 123].

"Результаты мпкроструктурных исследований, прове­ денных авторами, показали, что для структуры стали 1Х23Н18 I варианта в литом состоянии характерны гру­ бопластинчатые выделения карбидов по границам зерен. В структуре стали III варианта такие выделения по границам зерен отсутствуют, и в этом варианте более четко прослеживается закономерность в прохождении границ зерен по междендритным и межосным участкам, чем в I и II вариантах.

Появление вторичных, пли полигопизашюпиых, гра­ ниц в однофазных твердых растворах, не претерпеваю­ щих полиморфных превращений, является следствием процесса полнгонизации или упорядочения несовер­ шенств кристаллической решетки. В [122] отмечается, что большая скорость охлаждения сплава от температур затвердевания должна до некоторой степени препятство­ вать выстраиванию дислокаций в правильные ряды, т. е. частично или полностью подавлять процесс полигонизации. В данном случае авторы должны были наблюдать хотя бы частичное подавление процесса образования границ зерен в структуре стали III варианта, охлажден­ ного с большой скоростью из жидкого состояния, если

134

считать, что наблюдаемая граница зерен — полигонизационная. Однако это не наблюдалось. Считается также, что развитие различных форм микронеоднородностн тор­ мозит процесс полигонизации. Для полученных значений скоростей охлаждения структура стали III варианта, охлажденной с большой скоростью, является более одно­ родной, чем структура стали I варианта, охлажденной с меньшей скоростью, но обладающая более высокой сте­ пенью микронеоднородности. Поэтому получается, что подавление процесса полигонизации нужно ожидать для I и III вариантов. Это положение противоречиво и не подтверждается, т. е. при исследовании не наблюдалось подавление процесса образования границ зерен ни в I, ни в III варианте.

Авторы наблюдали процесс полигонизации на стали типа Х18АГ16 [2], содержащей примерно 0,4% азота. При содержании азота до 0,3% в структуре стали наблю­ даются выделения 6-феррита, препятствующие прохож­ дению процесса полигонизации, т. е. упорядочению ли­ нейных несовершенств и выстраиванию их в пространст­ венные ряды. При увеличении количества введенного азота до 0,4% и более сталь становится почти полностью аустенитной (рис. 57) и полигонизационная граница, ориентированная произвольно по отношению к заметным еще междендритным и межосным участкам, начинает проявляться в отдельных областях. Хромомарганцевая сталь с азотом претерпевает, подобно стали типа 1Х18Н9, высокотемпературное превращение. Поэтому авторы склонны считать, что понятие «полигонизация» [122, 123] так же, как и «грануляция» [22], необходимо связывать с высокотемпературным полиморфным пре­ вращением 6—>-у, если речь идет о структуре стали в ли­ том состоянии.

Однако первичная граница аустенитного зерна — не единственный вид границы, обнаруженной авторами в литой структуре стали 1Х23Н18. В зависимости от сте­ пени неоднородности в распределении упрочняющей кар­ бидной фазы может развиваться вторичная граница, осо­ бенностью которой является более тонкое строение по сравнению с первичной границей. Вторичная граница, как правило, проходит через ликвационные междендрит­ ные и межосные участки, деля аустенитное зерно на суб­ зерна или блоки. Так же, как и на границе первичного

135

Рис. 55. Участок границы первичного аустенитного зерна со следами карбидных выделений вдоль линии границы (2500X5).

Рис. 58. Структура стали 1Х23Н18 (I вариант, II серия) в литом со­ стоянии после травления по методу Б (X 100).

зерна, на вторичной границе наблюдаются выделения частиц карбидной фазы, однако в гораздо более диспер­ сном виде.

На рис. 58 показана структура стали 1Х23Н18 I вари­

стрелкой отмечена первичная граница аустенитного зер­ на, двумя стрелками — вторичная граница. В исходном варианте стали без микролегирующих добавок вторич­ ная граница появляется в виде отдельных незамкнутых отрезков. Как будет показано ниже, тенденция развития вторичных границ будет ослабляться или усиливать­ ся под действием микролегирующих добавок, способст­ вующих соответственно более равномерному распреде­ лению карбидной фазы или усиливающих структурную неоднородность.

2. Изменение дендритной структуры и величины зерна стали 1Х23Н18

под влиянием микролегнрующих добавок церия и бора

Характер изменения литой структуры стали 1Х23Н18 под воздействием добавок церия и бора нельзя считать пол­ ностью установленным. Имеющиеся данные относитель­ но дисперсности литой структуры и размера зерен аусте­ нита [13, 80, 85, 125, 136, 146, 195, 208] противоречивы

(особенно в отношении влияния бора), поскольку получе­ ны в различных условиях кристаллизации стали, а в неко­ торых случаях — и при разных режимах ввода добавок.

Согласно [195], введение 0,2% церия в сталь Х23Н18 позволяет получить мелкокристаллическую равноосную структуру без зоны столбчатых кристаллов, тогда как при добавках 0,1 и 0,35% церия структура состоит из длинных и тонких столбчатых кристаллитов.

В работе [80] при добавке 0,2% церия структура ста­ ли почти не отличается от исходной без микролегирова­ ния и аналогична той, которая наблюдается при введе­ нии церия в расчетных количествах 0,1; 0,15 и 0,30%. Причем уменьшения зоны столбчатых кристаллов почти не наблюдается. Наибольшее увеличение зоны равно­ осных кристаллов зафиксировано при добавке 0,05% церия, в этом же случае замечено резкое уменьшение размеров кристаллов. Авторы [80] отмечают, что при

137

введении церия в расчетном количестве 0,2% в сталь 0Х23Н18 величина дендритов не изменилась, однако сталь с церием характеризуется наличием большего ко­ личества осей высших порядков, меньшей толщиной осей и менее развитыми межосными областями, т. е. уве­ личением дисперсности дендритной структуры.

Таким образом, все исследователи отмечают измель­ чение литой структуры стали 1Х23Н18 под воздействием добавок церия, однако количество введенного церия, вы­ зывающее самое интенсивное модифицирующее воздей­ ствие на структуру, во всех случаях различно. Модифи­ цирующее воздействие церия связывают как с его по­ верхностной активностью, так и с образованием допол­ нительных центров кристаллизации в виде тугоплавких продуктов взаимодействия церия с примесями стали.

В отношении поверхностной активности бора в аусте­ нитной хромоникелевой стали существуют прямо проти­ воположные мнения. При исследовании [85, 146] влия­ ния бора в количествах от 0,007 до 1,2% на структуру и свойства аустенитной стали Х15Н20 установлено, что бор снижает поверхностное натяжение стали и является по­

введении бора выше 0,15% микроструктура стали снова приобретает столбчатое строение и более крупное зерно.

В работах [13, 136] сообщается, что результаты спе­ циального исследования бора в интервале концентраций 0,0005—0,10% в расплавах чистого железа и стали 1Х23Н18 при 1600° С показали, что бор не является по­ верхностно-активным компонентом. Не было замечено и измельчения литой структуры стали 1Х23Н18 с добавка­

ми бора.

На основании данных о высокотемпературных свой­ ствах, а именно об относительном сужении, авторы [136] делают вывод, что бор упрочняет границы зерен литой стали. С помощью электроиномикроскопического и элек­ тронографического методов установлено, что определен­ ная доля бора, вводимого в сталь, может быть связана

ввиде нитридов BN.

Вработе [125] не сообщается об изменении величи­ ны зерна сталей 0Х23Н18 и 1Х23Н18 под влиянием

0,005% бора. В результате введения бора значительно

138

Сказывается не так сильно, однако общая тенденция к сокращению зоны столбчатых кристаллитов и измельче­

нию макрозерна сохраняется (рис. 60).

Характер изменения структуры изломов стали I вари­ анта под влиянием добавок церия и бора, изученный на образцах после ударных испытаний при комнатной тем­ пературе, представляет полную аналогию с характером изменения макроструктуры (рис. 61); во всех случаях излом является межзерениым. На рис. 61, а , б , е и ж излом имеет своеобразные для литой стали участки, где разрушение произошло по кристаллическим образовани­ ям, напоминающим столбчатые кристаллиты дендритной структуры — так называемый шестоватый излом. При исследовании влияния церия прослеживается та же тен­ денция к уменьшению зоны столбчатых кристаллитов и к измельчению структуры излома (рис. 61, б и г). В изме­ нении структуры под влиянием добавок бора наблюда­ ется та же закономерность: при введении 0,0045% В зерно в изломе мелкое (рис. 61, д ), при 0,009% В поч­ ти такое же, как в исходном состоянии.

Поскольку, как отмечалось раньше, понятия макро- и микрозерна для данного случая идентичны, величина микрозерна изменяется аналогичным образом под влия­ нием добавок церия и бора. На рис. 62 и 63 показано из­

трех вариантов стали 1Х23Н18 (см, табл. 16).

Вариант I стали, выплавленной в производственных условиях, имеет небольшой набор дооавок, близких по расчетному количеству. Увеличение добавки Се в этом варианте от 0,1 до 0,3% ведет к последовательному уменьшению величины аустенитного зерна, 0,3% церия вызывает уменьшение площади аустенитного зерна в шесть-семь" раз по сравнению с исходным. Примерно в четыре раза уменьшается площадь аустенитного зерна при введении 0,0045% бора (рис.^63). При увеличении расчетного количества вводимой добавки бора до 0,009% величина аустенитного зерна становится не­ сколько выше исходной. В случае замедленного охлаж­ дения в горячих керамических формах стали I варианта наблюдается наиболее интенсивное воздействие бора на величину зерна по сравнению с другими вариантами.

142

Рис 60. Макроструктура рабочей части литых лопаток в поперечном сечении:

а -0,1% Се; 6 — 0,2% Се; а — 0,3% Се.