книги из ГПНТБ / Микролегирование литых жаропрочных сталей

ІО5 град/мин. Характер изменения параметра решетки в этом случае показан на рис. 92.

При добавке к стали 0,1 % Се параметр решетки оста­ ется таким же, как и в стали без микролегирования. Увеличение вводимого Се до 0,2 и 0,3% приводит к сни­

превышало 0,3%, параметр решетки не увеличился: коли­ чество оставшегося в твердом растворе Се еще слишком мало.

Б случае микролегирования стали бором параметр решетки возрастал на 0,001 А при 0,0045% и на 0,003 А при 0,009% вводимого бора по сравнению с металлом, не содержащим бора, что свидетельствует в данном случае об образовании бором с у—Fe раствора по типу внедре­ ния. Однако необходимо отметить, что интервал между точками замера параметра весьма значительный и впол­ не возможно, что при каком-либо промежуточном коли­ честве бора происходит снижение параметра решетки, аналогичное стали III варианта.

При совместном микролегировании стали 1Х23Н18 I варианта 0,16% Се и 0,0075% В параметр, измеренный на пленках после переплава и охлаждения со скоростью ІО5 градімин, повысился на 0,005 А по сравнению с ме­ таллом без микролегирующих добавок. Как уже отмеча­ ли, церий при таком содержании в промышленной стали

184

в большей своей части идет на очищение металла, а оставшаяся в твердом растворе доля мала, чтобы суще­ ственно повлиять на изменение параметра решетки ста­ ли. Однако церий, как активный элемент, обладает боль­ шим сродством к примесям внедрения, имеющимся в стали, и, соединяясь с ними, осуществляет защитную функцию по отношению к бору, способствуя увеличению части растворенного бора. Повышение параметра решет­ ки может быть обусловлено только лишь наличием бора, который, очевидно, в данном случае образует твердый раствор по типу внедрения.

Тот факт, что при совместном микролегировании ста­ ли III варианта 0,1—0,25% Се и 0,006—0,007% В пара­ метр решетки, определенный от шлифа литого образца, оказался значительно ниже параметра решетки стали этого же варианта, но без микролегирующих добавок, объясняется только двойственной природой бора, т. е. тем, что бор может образовывать с у—Fe как твердый раствор внедрения, так и замещения. На характер рас­ положения бора в узлах решетки или междоузлах ока­ зывают влияние не только дополнительные легирующие элементы, присутствующие в твердом растворе бора с у-железом, ко и способ выплавки и условия кристалли­ зации. Так, в стали I варианта, кристаллизующейся с меньшей скоростью, бор обнаруживает тенденцию обра­ зовывать с железом твердый раствор внедрения, о чем свидетельствует последовательное увеличение параметра решетки при повышении добавки бора. При этом в при­ сутствии церия тенденция эта увеличивается для стали I варианта, т. е. при заливке в горячие керамические формы. Значение параметра решетки для стали I вари­ анта, микролегированной комплексно церием и бором, достигает максимального.

При исследовании установлено, что величина диспер­ сности дендритной структуры стали 1Х23Н18 находится в прямо пропорциональной зависимости от скорости кри­ сталлизации. Чем больше скорость, тем меньше оси вто­ рого порядка и меньше расстояния между ними (межосиые участки) и тем больше осей высших порядков.

Степень химической микронеоднородности распреде­ ления хрома также зависит от скорости кристаллизации

185

стали и в данном случае увеличивается от III варианта к 1, т. е. от стали с максимальной скоростью кристалли­ зации (примерно 100 см/мин) к стали с минимальной скоростью кристаллизации (примерно 3 см/мин).

Наблюдаемая авторами граница микрозерна аусте­ нита полностью соответствует границе макрозерна и классифицируется как граница первичного аустенитного зерна. В стали I варианта без микролегирования грани­ ца аустенитного зерна проходит преимущественно по междендритным участкам, т. е. определенным образом ориентирована относительно дендритных форм затверде­ вания. С увеличением скорости кристаллизации стали, а также при введении микролегирующих добавок, умень­ шающих дендритную микронеоднородность, граница первичного аустенитного зерна во многих случаях произ­ вольно ориентирована относительно дендритных форм, т. е. учащаются случаи прохождения границы через осе­

вые пространства.

Помимо границы первичного аустенитного зерна в структуре литой стали наблюдается вторичная граница, имеющая более тонкое строение и проходящая через межосные участки, которая делит аустенитное зерно на субзерна. В стали I варианта тенденция к образованию

лее ярко проявляется при введении 0,6% Се.

В структуре литой стали 1Х23Н18 наблюдается не­ сколько различных видов карбида типа СггзСб в зависи­ мости от места их образования:

грубые выделения геометрической формы, распола­ гающиеся цепями вдоль границ первичных аустенитных

зерен; крупные выделения правильной геометрической фор­

мы, располагающиеся скоплениями и часто как бы на­ слаивающиеся друг на друга в центральных зонах меж­ осных и междендритных участков;

мелкие выделения геометрической формы, располо­ женные по периферии межосных и междендритных уча­ стков вокруг грубых выделений и вдоль вторичных гра­

ниц; наименее характерные для структуры стали вылитом

состоянии тонкие выделения карбидов дендритной фор­

186

мы, расположенные в межосных и междендритных уча­ стках и вблизи границ первичного аустенитного зерна.

Введение в определенных количествах в сталь добав­ ки церия и бора оказывает модифицирующее воздейст­ вие на литую структуру, выражающееся в измельчении дендритной структуры и изменении величины аустенит­ ного зерна и карбидных выделений. При дальнейшем увеличении вводимой добавки зерно укрупняется и мо­ жет оказаться больше исходного. Таким же образом изменяется дисперсность дендритной структуры и выде­ ляющихся карбидов, т. е. модифицирующее воздействие проявляется в довольно узких пределах.

Влияние микролегирующих добавок церия и бора на карбидную фазу является весьма сложным. При увели­ чении добавки вводимого церия количество карбидной фазы уменьшается, а дисперсность карбидных частиц возрастает. Влияние бора в этом смысле противополож­ но: бор не способствует уменьшению количества карбид­ ной фазы. При введении бора карбидные частицы коагу­ лируют в виде довольно больших конгломератов, где наряду с мелкодисперсными карбидами геометрических форм существуют и очень крупные частицы. При совме­ стном микролегировании церием и бором модифицирую­ щее влияние церия подавляется.

Микролегирование стали 1Х23Н18 церием и бором приводит к образованию в литой структуре новых фаз.

Встали, микролегированной бором, а также комплекс­ но— церием и бором, обнаружен карбид бора В4С и борид железа РегВ. В стали, микролегированной церием, обнаружен интерметаллид церия, который отвечает фор­ муле CeNis. При введении больших количеств церия (>0,7%) в структуре стали появляется 6-феррит, что свидетельствует о ферритообразующем влиянии церия.

Встали, микролегированной комплексно церием и бором, образуется борид церия СеВ6.

Микролегирующие добавки церия и бора располага­ ются преимущественно на поверхности дендритных крис­ таллов, т. е. в межосных и междендритных пространст­ вах. Именно в этих местах обнаруживается 6-феррит при большом содержании церия, а также соединения бора типа В4С и РегВ. Интерметаллид церия располагается в основном в межосных участках и реже встречается в осях дендритов.

187

Церий является элементом, образующим твердый раствор по типу замещения в стали 1Х23Н18, и, имея атомный радиус больше атомного радиуса железа, уве­ личивает параметр решетки аустенита. Наблюдаемое уменьшение параметра решетки при введении малых ко­ личеств церия связано с его рафинирующим воздействи­ ем, когда снимаются искажения решетки, вызванные за­ грязненностью исходного металла вредными примесями.

Бор занимает промежуточное положение между эле­ ментами замещения и внедрения, поэтому может обра­ зовывать твердые растворы обоих типов в зависимости от условий кристаллизации и количества вводимой до­ бавки.

Представляет интерес отметить зависимость типа раствора, образованного бором с легированным у-желе- зом (сталь 1Х23Н18), от условий выплавки и кристалли­ зации. В стали I варианта, выплавленной в индукцион­ ных печах и кристаллизовавшейся со скоростью пример­ но 3 см/мин, атомы бора размещаются по типу твердого раствора внедрения, о чем свидетельствует заметное по­ вышение параметра решетки. При этом максимальное значение параметра наблюдается при совместном вве­ дении церия и бора, когда церий, как термодинами­ чески более активный элемент, осуществляет защитную функцию по отношению к бору и расходуется на сое­ динение с примесями, в результате чего бор получает возможность в большей степени легировать твердый раствор и образовывать соединения с элементами основы стали.

В стали III варианта, выплавленной в вакууме и кристаллизовавшейся со скоростью примерно 100 см/мин, обнаруживается противоположная тенденция: бор обра­ зует с легированным у-железом твердый раствор заме­ щения при введении его до 0,008%. При дальнейшем уве­ личении количества добавки параметр кристаллической решетки начинает увеличиваться, что свидетельствует об образовании атомами бора твердого раствора внедрения.

Микролегирующие добавки церия и бора уменьшают химическую микронеоднородность стали только при оп­ ределенном количестве вводимой добавки. Уменьшение или увеличение содержания микролегирующих элемен­ тов за пределами оптимального количества приводит к увеличению неоднородности,

188

Г л а в а V

ВЛИЯНИЕ МИКРОЛЕГИРОВАНИЯ НА СВОЙСТВА ЛИТОЙ ЖАРОПРОЧНОЙ СТАЛИ 1Х23Н18

1. Механические и физические свойства стали, микролегировашюй церием и бором

К настоящему времени накопился довольно большой объем данных о влиянии добавок РЗМ и бора на механи­ ческие свойства сталей. Результаты многочисленных ис­ следований по этому вопросу сведены в табл. 18. Анализ этих данных показывает, что они весьма различны и про­ тиворечивы. Это, вероятно, связано с тем, что влияние мик­ ролегирования бором и РЗМ изучалось на большом чис­ ле марок сталей различных классов, выплавленных и термообработанных по разным режимам. Кроме того, неоднозначность во влиянии на механические свойства добавок РЗМ и В связана с самой природой этих эле­ ментов, многогранностью их воздействия и чувствитель­ ностью ко всякого рода побочным явлениям.

По мнению большинства авторов [36, 91, 100, 127, 231 и др.], бор способствует повышению прочности сталей, снижая их пластичность и ударную вязкость. Однако есть данные об отрицательном влиянии бора на проч­ ность [31,99, ПЗидр.] и положительном на пластичность [11, 116, 144, 164 и др.] и даже ударную вязкость [164, 172] или об отсутствии какого-либо влияния В на свой­ ства сталей при комнатной температуре [118, 120, 124, 164, 171, 174].

Добавка Се в основном положительно влияет на прочностные, пластические и ударные характеристики сталей. Только в некоторых исследованиях обнаружено отсутствие влияния либо отрицательное влияние Се на указанные выше свойства сталей [31, 85, 144 и др.].

Церий положительно влияет на горячую пластичность сталей, улучшает их деформируемость при высоких тем­ пературах [137, 210 и др.]. Бор также способен повы­ шать технологическую пластичность [4, 116 и др.]. Повы­ шение свойств сталей при комнатной температуре при введении малых количеств РЗМ происходит в основном

190

за счет образования окислов РЗМ вместо окислов метал­ лов основы, которые имеют меньший удельный вес и легче всплывают из расплава в шлак [157]. Эти окислы обычно получаются мелкими и округлой формы, и даже те из них, которые не успевают всплывать в прибыльную часть отливки, могут служить центрами кристаллизации, измельчая структуру.

Бор и церий имеют тенденции вытеснять вредные при­ меси с границ в объем зерна, благодаря чему очищают­ ся границы и повышается прочность металла [140, 186]. Церий устраняет вредное влияние серы, переводя ее из активного в неактивное состояние [241], а бор образует^ нитриды, которые в стали оказывают менее вредное влияние, чем растворенный азот [136]. Повышение проч­ ностных свойств при введении бора может объясняться тем, что бор, уменьшая растворимость углерода в стали, увеличивает количество выделяющихся карбидов. Эти карбиды вместе с образующимися при достаточно боль­ шом содержании В боридами обычно дисперсны и рас­ полагаются равномерно по всему зерну.

Влияние РЗМ и В на свойства сталей носит экстре­ мальный характер, т. е. до каких-то количеств, опреде­ ленных для каждой марки стали и условий выплавки, эти добавки влияют положительно, а выше этих опти­ мальных количеств добавка РЗМ и В начинает ухудшать свойства сталей. Вероятнее всего это связано с тем, что при большом содержании этих элементов на границах зерен появляется легкоплавкая боридная эвтектика или хрупкие интерметаллиды церия. Кроме того, при введе­ нии РЗМ в больших количествах в стали образуется слишком много неметаллических включений, коагулиру­ ющих, укрупняющихся и теряющих способность легко всплывать из металла в шлак. Эти включения остаются в стали, резко ухудшая ее качество. При большом содер­ жании бора в стали по границам зерен выделяется мно­ го крупных боридов, которые снижают пластические ха­ рактеристики стали.

При исследовании влияния микролегирующих доба­ вок Се и В на механические свойства сталей 1Х23Н18 I варианта установлено, что предел прочности и предел текучести практически одинаковы для сталей с добавками и без них (рис. 93 и 94). Удлинение и ударная вязкость при введении Се и В несколько ухудшается, причем чем

191

Т а б л и ц а 18

* В источниках имеется указание на экстремальный характер влияния добавки, т. е. при добавке меньше к больше оптимальной свойства ухудшаются и могут оказаться да ж е хуже, чем в исходном состоянии.

больше добавка, тем ниже значения пластичности и ударной вязкости. Исключение составляет некоторое по­ вышение удлинения при добавке 0,2% Се, вызванное бо­ лее равномерным распределением карбидной фазы, т. е. большей однородностью структуры. При увеличении добавки церия до 0,3% резко увеличивается количество

неметаллических включений в стали и удлинение умень­ шается, несмотря на то, что структура стали при такой добавке Се становится еще более однородной.

Совместная добавка Се и В в сталь 1Х23Н18 II вари­ анта оказывает аналогичное действие на механические свойства стали. Прочностные характеристики изменяют­ ся очень незначительно, а удлинение и ударная вязкость снижаются при введении совместной добавки Се и В.

В стали II варианта, так же как и в стали I вариан­ та, микролегирование церием и бором не вызывает ка­ ких-либо существенных изменений предела прочности и предела текучести. Удлинение, сужение и ударная вяз­

194