книги из ГПНТБ / Микролегирование литых жаропрочных сталей

логические условия, предусмотренные инструкцией. Ве­ личины жидкотекучести К, мм, и линейной усадки е, %. стали Х17Н2 в зависимости от температуры металла пе­ ред заливкой проб и количества микролегирующей добавки приведены на рис. 8 и 9. Точки на графиках

/

а

Рис. 6. Общий вид комплексной пробы Нехендзи— Купцова для определения литейных свойств.

соответствуют среднеарифметической величине, рассчи­ танной по данным трех проб.

Все присадки РЗМ и бора повышают величину жидко­ текучести стали и понижают линейную усадку. Наибо­ лее эффективно в этом направлении действует церий. По степени влияния на литейные свойства стали Х17Н2 РЗМ и бор можно расположить в убывающий ряд: церий— неодим—бор—лантан [177].

31

Наиболее существенное влияние микролегирующие добавки оказывают при относительно низкой температу­ ре заливки, когда литейные свойства стали Х17Н2 нахо­ дятся на низком уровне. При температуре 1520° С жидко­ текучесть повышается примерно на 30%, а линейная усадка снижается на 20—35% • При температуре 1550° С жидкотекучесть возрастает примерно на 20%, а линей­ ная усадка снижается максимально примерно на 11%.

Рис. 7. Схема определения литейных свойств сплава на

Литейные характеристики стали Х17Н2 исследовались при температурах заливки 1520, 1550 и 1570° С. С повы­ шением температуры заливки литейные свойства исход­ ной и микролегированной церием стали улучшаются. Церий, как уже указывалось, наиболее резко повышает литейные свойства при низких температурах заливаемо­ го металла. С повышением температуры до 1570° С сте­ пень эффективности влияния церия снижается.

Результаты исследования литейных свойств стали 1Х23Н18 при микролегировании церием и бором [20] приведены в табл. 7. На рис. 10 показаны изменения жидкотекучести и линейной усадки стали 1Х23Н18 в за­ висимости от величины микролегирующей добавки це­ рия и бора при температуре металла, заливаемого в пробы, 1540—1560° С. Исключение составляет вариант

32

С?—0-

\У

• -

р

л

Рис. 8. Влияние РМ и РЗМ на жидкотекучесть стали Х17Н2:

1 — температура залнвкн 1520° С; 2 — температура заливки

1550° С.

Рис 9 Влияние РМ и РЗМ на линейную усадку ста­ ли Х17Н2:

1 — температура заливки 1520° С; 2 — температура заливки

1550° С.

-738

с присадкой 0,2% Се; температура заливки в этом слу­ чае была 1530° С, чем и объясняется некоторое снижение жидкотекучести при этой добавке. Результаты определе­ ния литейных свойств позволяют сделать вывод, что так же, как и для стали Х17И2, жидкотекучесть с увеличе­ нием присадки церия и бора возрастает. Церий в иссле­ дуемых количествах более эффективно повышает жидко­ текучесть— при введении 0,3% Се жидкотекучесть уве­ личивается на 37%. Однако линейная усадка в этом

Т а б л и ц а 7

34

случае не отличается от исходного значения. Минималь­ ная линейная усадка получена при мнкролегировании стали церием в количестве 0,1% и при комплексном ле­ гировании церием и бором в количестве 0,16% Се и 0,0078% В. Комплексное легирование дает также увели­ чение жидкотекучести на 34%. Довольно значительное влияние на жидкотекучесть и трещиноустойчивость ока­ зывает температура металла перед заливкой. Повыше-

Рис. 10. Влияние присадок церия и бора на жидко­ текучесть (X, мм) и линейную усадку (в, %) стали 1Х23Н18 при температуре 1540—1560° С.

ние температуры исходной стали на 30° С (от 1550 до •1580° С) вызывает увеличение жидкотекучести на 50% при одновременном уменьшении трещиноустойчивости. Добавка 0,3% Се при температуре 1500° С повышает жидкотекучесть иа 20%, в отличие от того же варианта добавки, но при температуре 1550° С, который дает уве­ личение жидкотекучести на 37%. При заливке стали, микролегироваииой 0,1% Се, имеющей очень низкую температуру (1480° С), значения жидкотекучести такие же, как у исходной стали при температуре 1550° С, а трещиноустойчивость выше.

Анализ результатов определения жидкотекучести сталей Х17Н2 и 1Х23Н18 позволяет сделать вывод, что введение церия в количестве 0,15—0,3% при температу­ ре заливки стали на 50—70° С ниже исходной дает воз­ можность получать такие же значения жидкотекучести, как у исходной стали при более высокой температуре заливки. Трещиноустойчивость по данным, полученным

авторами, в большей степени зависит от температуры за­ ливаемого металла, чем от присадки. Таким образом, характер изменения жидкотекучести сталей Х17Н2 и 1Х23Н18, определенный в одинаковых условиях, анало­ гичен: с повышением содержания РЗМ и бора жидко­ текучесть увеличивается. В этом отношении данные ав­ торов согласуются с результатами работ [60, 182, 219]. Характер изменения линейной усадки несколько отлича­ ется: в случае стали Х17Н2 линейная усадка уменьша­ ется при увеличении присадки до 0,45%, а для стали 1Х23Н18 минимальное значение линейной усадки наблю­ дается при 0,1% Се, после чего при дальнейшем увели­ чении добавки церия остается на уровне исходного.

В связи с этим интересно отметить, что тенденция влияния РЗМ на температуру ликвидуса и солидуса у исследуемых сталей различна. Так, РЗМ в суммарном количестве 0,15% снижает температуру ликвидуса стали Х17Н2 на 5° С, а температуру солидуса — на 12° С.

Т а б л и ц а 8

* Знаком «+» отмечено повышение, а знаком «—» — пони­ жение температуры ликвидуса.

Изменение температуры ликвидуса и интервала за­ твердевания стали 1Х23Н18 под влиянием микролеги­ рующих добавок церия и бора показано в табл. 8. Дан­ ные приведены для I серии плавок стали 1Х23Н18 с

36

содержанием углерода 0,09—0,11% и для II серии с 0,12—0,15% С. Согласно [84], чем выше температура ликвидуса стали, тем меньше примесей растворено в ней и тем следовательно, выше значения жидкотекучести. Введение 0,1% Се вызывает, по данным авторов, увели­ чение ликвидуса на 15° С, а введение 0,2% Се — на 40 С. Однако при дальнейшем увеличении присадки церия до 0,3% температура ликвидуса снижается, интервал за­ твердевания также уменьшается. Такое изменение не сказывается на жидкотекучести: сталь с присадкой 0,3%) Се имеет более высокие характеристики жидкоте­ кучести, чем сталь с 0,2%) Се.

Введение бора в расчетном количестве 0,0045% вы­ зывает повышение температуры ликвидуса на 10 С, при увеличении присадки бора до 0,009% температура лик­ видуса снижается на 25° С, интервал затвердевания при этом больше на 5° С, чем у стали без добавок. При сопо­ ставлении полученных данных по изменению температу­ ры ликвидуса и интервала затвердевания с результатами измерения жидкотекучести, нетрудно прийти к заключе­ нию, что объяснение влияния РЗМ и бора на литеиные свойства сталей целесообразно связывать с комплексом факторов. Положительное влияние на жидкотекучесть стали, безусловно, оказывают рафинирование от вред ных примесей и уменьшение склонности к газонасыщен­ ности при микролегировании стали РЗМ и бором. Одна­ ко решающим является воздействие РЗМ на жидкое со­

стояние стали.

Известно [16, 83], что между поверхностным натяже­ нием жидкого металла и его литейными свойствами, в частности, жидкотекучестью, существует взаимная связь. Экспериментальные данные [85—87] о влиянии церия на поверхностное натяжение аустенитной стали показыва­ ют, что при добавке 0,1 % Се происходит уменьшение по­ верхностного натяжения расплава, что подтверждает поверхностную активность церия и объясняет увеличе­ ние жидкотекучести. Аналогичные данные получены в отношении бора. Данные измерений, приведенных в ра­ боте [146], показывают, что бор в количестве 0.06%о сни­ жает поверхностное натяжение примерно до 1200 динісм по сравнению с исходным значением 1400 динісм для хромоникелевой аустенитной стали. Положительное влияние малых добавок бора на жидкотекучесть усили­

37

вается за счет уменьшения содержания газов в стали

[73, 146].

Значительное повышение жидкотекучести при введе­ нии микролегирующей добавки связано с изменением состояния расплава стали, в частности с понижением вязкости. Считается, что вязкость стали понижается в основном за счет гомогенизации расплава, а также за счет перевода неметаллических включений в более бла­ гоприятную форму.

На взгляд авторов, приемлемым является следующее объяснение механизма воздействия РЗМ на расплав ле­ гированных сталей [9, 84, 87, 211]. Исходным принима­ ется положение о наличии в жидких металлах ближнего порядка в расположении атомов, связанного с их упа­ ковкой в твердом состоянии. В развитии этого положе­ ния было высказано предположение о существовании агрегатов или комплексов атомов, представляющих со­ бой как бы анизотропные зоны в изотропном расплаве. При исследовании свойств расплава измерялись кинема­ тическая вязкость и электросопротивление при нагреве и охлаждении жидких сталей. Ход кривых и наличие гис­ терезиса при изменении этих двух величин в процессе нагрева н охлаждения показывают, что легированные стали даже при наличии значительных перегревов над линией ликвидус обладают гетерогенностью строения. Гетерогенность, по-видимому, создается за счет сущест­ вования металлических комплексов, сохранивших спе­ цифические связи. Размеры комплексов зависят от ве­ личины сил взаимодействия между атомами. С пониже­ нием температуры расплава эти силы возрастают, что приводит к увеличению размеров комплексов, участвую­ щих в процессе вязкого течения, затрудняет их переме­ щение и вызывает увеличение энергии активации вязкого течения.

Добавка церия в расплав аустенитной стали приводит к снижению абсолютного значения вязкости и электро­ сопротивления. Изменение наклона кривых и уменьше­ ние гистерезиса при. введении церия дают основание предполагать, что церий способствует нарушению связи атомных комплексов и облегчает их распад, что и приво­ дит к большей гомогенности расплава.

Тот факт, что квазигомогенность расплава достига­ ется при более низких температурах перегрева, при вве­

38

дении РЗМ подтверждается определениями жидкотеку­ чести сталей при низких температурах заливки (1480— 1520° С), когда значения жидкотекучести аналогичны величинам, имеющим место у немикролегированных ста­ лей при температурах заливки 1550° С и выше.

Интересно проследить, как отразилось увеличение жидкотекучести, а следовательно, и заполняемости фор­ мы, на качестве отлитых деталей, некоторые виды кото­ рых без микролегирования дают большой выход брака

Рис. 11. Прибыльные части отливок стали 1Х23Н18, залитых в го­ рячие формы:

а — без церия; б — 0,2% церия.

(до 30%) ко рыхлотам и пористости. Рентгеновская де­ фектоскопия лопаток с целью обнаружения рыхлот, пус­ тот и других дефектов показала, что при микролегиро­ вании церием в количестве 0,2% все опытные лопатки из стали 1Х23Н18 оказались годными; увеличение ко­ личества вводимого церия до 0,3% ухудшило качество отливок. Микролегирование церием в количестве 0,1% и бором в количестве до 0,009% вызвало незначительное улучшение качества лопаток по сравнению с исходным состоянием. Влияние микролегирования оптимальной присадкой церия (0,2%) на качество литых деталей бы­ ло проверено на большом количестве лопаток различной конфигурации. Из 190 деталей было забраковано только четыре (одна — засор, две — усадочная рыхлота, одна — плены), т. е. брак составил всего лишь 2,1 %.

39