книги из ГПНТБ / Микролегирование литых жаропрочных сталей

ку, либо резко ее уменьшают. Основной причиной резко­ го уменьшения количества б-феррита в стали, микроле­ гированной РЗМ до 0,5 и бором до 0,006%, являются не смещения в диаграмме состояния, а процессы кристал­ лизации и формирования зернистой структуры слитка. Этот вывод сделан на основании следующего положения:

1. Бор почти не изменяет критические точки Ас, и Ас,, но резко сокращает количество б-феррита в стали.

Рис. 25. Изменение формы <5- феррнта в стали Х17Н2 опытнопромышленных плавок при мпкролегировании церием (б) (0,15%) и бором (б) (0,003%) (Х450):

а — иемикролегііроваішая сталь.

2. Молибден при малых количествах (<0,5%) повы­ шает критическую точку .ЛГз, а при больших — понижа­ ет. Однако количество б-феррита в структуре стали, ле­ гированной молибденом, все время повышается с увели­ чением количества введенной добавки.

Судя по тому, что молибден, в зависимости от введен­ ного количества, по-разному влияет на критические точ­ ки, можно ожидать подобного поведения и от РЗМ и бора. Предположение это возможно в связи с тем, что

71

580° С и 630° С твердость поднимается от 34 до 39 ед. по

HRC (Тот — 580° С) и от 38 до 42 HRC (Готп — 630° С ).

Однако дальнейшее увеличение добавки РЗМ до 3% вы­ зывает наоборот резкое падение твердости от 34 HRC до 30 HRC. С повышением температуры отпуска макси­ мум подъема твердости при 1,5% мишметалла уменьша­ ется. При повышении температуры отпуска до 710° С твердость стали, микролегированной как 3,0, так и 0,7 и 1,5% мишметалла, падает от 22 до 16ч-12 кГ/мм2, т. е. примерно на 30—50%. Причем относительно более низ­ кая твердость наблюдается не только в стали, микролегированиой мишметаллом, но и лантаном (0,95%), бо­ ром (0,05%). Иначе ведут себя стали, микролегированпые церием (0,6%) и неодимом (0,95%). Твердость таких сталей выше, чем немикролегированной на 6—8 ед., т. е.

на 20—30%.

Малые же добавки РЗМ и бора почти не изменяют твердости стали при высоких температурах отпуска (710° С), а также после закалки. Таким образом, изме­ рение твердости сталей, мнкролегированных различным количеством РЗМ и бора и подвергнутым различным ре­ жимам термической обработки, свидетельствует о том, что РЗМ и бор влияют на процессы фазовых превраще­ ний. Однако при малых добавках (до 0,45%) эффект этот выражен слабо. Введение значительных количеств РЗМ и бора позволило установить особое влияние мик­ ролегирующих элементов на процессы коагуляции в районе температур 580—600° С.

ленном состоянии твердость стали, легированной молибденом, примерно на 10% ниже, чем в немик­ ролегированной.

Сопоставляя данные твердости микролегированной и легированной стали Х17Н2, молено сказать, что пониже­ ние твердости в закаленном состоянии, очевидно, связа­ но с увеличением количества б-феррита (Мо — сталь), а повышение и понижение твердости при отпуске связано

с изменением состава и свойств карбидной фазы и мат­ рицы.

73

Микроструктурный анализ, проведенный при различ­ ных режимах термической обработки, позволил выявить влияние РЗМ и бора на количество, форму и распреде­ ление фазовых составляющих стали (рис. 26).

Как видно, для немикролегированной стали при всех температурах термической обработки характерно нали­ чие столбчатых кристаллов и дендритов, вследствие че­ го мартенсит и ö-феррит имеют вид вытянутых полос или колоний. В стали, микролегированной 1,5—3,0% РЗМ (мишметаллом), колонии мартенсита и ö-феррита отсут­ ствуют. 6-Феррит равномерно распределен в структуре в виде отдельных вкраплений. Причем в стали с 3% миш­ металла увеличивается как число включений, так и коли­ чество 6-феррита, по сравнению с 1,5% мишметалла. Можно предположить, что при введении в сталь РЗМ свыше 1,5% они выступают в роли ферритообразующих элементов подобно молибдену и хрому. Но, в отличие от стали с молибденом, феррит в микролегированной стали однородно распределен в структуре в виде отдельных небольших вкраплений. Очевидно, несмотря на относи­ тельно большие количества РЗМ (до 3%), сохраняется эффект их модифицирующего действия.

Исследование структуры стали, микролегированной различными РЗМ : Се, Nd, В (до 1%), показало их ана­ логичное действие на формирование мартенсита и 6-фер­ рита (рис. 27). Микролегирование уменьшает протяжен­ ность и количество б-феррита. Наиболее эффективным оказывается влияние неодима. В'стали, микролегированкой 0,95% неодима, заметны лишь отдельные вкрапле­ ния 6-феррита. Максимальный эффект оказывают РЗМ и бор при введении их в раскисленную сталь. В структу­ ре такой мнкролегированной стали 6-феррит присутству­ ет в незначительных количествах в виде очень мелких вкраплений. Судя по структурам после закалки (990° С и отпуска при 710° С), в раскисленной стали действие РЗМ и бора оказывается одинаково сильным, резко из­ меняющим форму, распределение и количество 6-фер­ рита.

Как велико может быть влияние РЗМ и бора на фор­ мирование зернистой структуры видно из того факта, что в отдельных микрообъемах имеет место образование со­ вершенно глобулярного феррита (рис. 28). Уменьшение добавки РЗМ до 0,15% и бора до 0,001% сохраняет эф-

74

Рис. 26. Структура немикролегированной (а, в) и микролегированной

мишметаллом {б, г) стали Х17Н2 после 600° С (а, б) и 300° С (а, г) отпуска (Х450).

в — без мнкролегпрующих добавок; б — мчкролегироваітак пеодпмом 0,3%

фект значительного сокращения количества ö-феррита в три—семь раз, несмотря на различные технологические условия выплавки.

Как показали результаты микроисследования, реша­ ющим во влиянии технологических условий на формиро­ вание структуры микролегировашюй стали является ре­ жим раскисления. Согласно диаграмме состояния, обра­ зование ннтерметаллидов железа для церия и неодима происходит около 1100° С. Следовательно, при нагреве

под закалку возможно их разложение. Если бы они были ответственными за увеличение числа центров кристаллизации, то коли­ чество б-феррита в зака­ ленной стали после про­ ведения закалки должно было бы увеличиваться. Однако изучение структур микролегированной стали после закалки показало, что сталь с РЗМ и бором имеет в три—семь раз меньшее количество б- феррнта, чем немикроле­ гированная сталь, т. е. ко­

личество б-феррита при термической обработке действи­ тельно не изменяется. Кроме того, лантан оказывает та­ кое же действие на количество б-феррита, как церий и неодим, хотя интерметаллидных соединений он не обра­ зует. Поэтому можно предположить, что, в основном, модифицирующее влияние РЗМ и бора связано с обра­ зованием соединений РЗМ с кислородом и серой и их выделением при кристаллизации. Другими словами, из­ менения в величине кристаллов и количестве б-феррита происходит главным образом не за счет смещений в ди­ аграмме состояния, а следовательно, и не связано с их легирующим эффектом.

Подобное влияние РЗМ и бора на форму, количество и распределение б-феррита в стали Х17Н2 связано, оче­ видно, только с модифицирующим их воздействием, не­ смотря на иногда значительные количества добавки (РЗМ до 3% и бора до 0,05%). Это подтверждается даң-

76

иыми мйкроструктурных исследований переплава микрблегированной стали.

Структуры после переплава как микролегированной, так и немикролегированной стали совершенно идентич­ ны по форме, величине, количеству и распределению 6- феррита. Если бы изменение 6-феррита было связано с изменениями в диаграмме состояния (ее смещений), то, судя по влиянию легирующих элементов, например мо­ либдена, эффект этот должен был сохраниться. Однако восстановление первоначальной структуры может быть связано только с исчезновением модифицирующего эф­ фекта. Уменьшение 6-феррита, происходящее вследствие влияния РЗМ и бора на параметры кристаллизации, свя­ зано с образованием соединений РЗМ, которые, очевид­ но, могут играть роль второй фазы. При переплаве про­ исходит рафинирование металла от соединений РЗАй и уменьшается доля соединений, которые могут стать за­ родышами кристаллизации.

Количество 6-феррита, образованного в период крис­ таллизации, ие изменяется в процессе термической обра­ ботки (закалка 990° и отпуск 710° С ).

Результаты проведенных исследований показали, что мнкролегирующие добавки РЗМ и бора оказывают зна­ чительное влияние на процессы кристаллизации стали Х17Н2. Это проявляется в том, что они, во-первых, пони­ жают температуру начала и конца кристаллизации на 16° С и соответственно смещают температурные пороги образования а- и у-фаз. Во-вторых, скорость кристалли­ зации при введении малых добавок в жидкую сталь уве­ личивается и тем в большей степени, чем меньше ско­

нерий увеличивают скорость кристаллизации на один по­ рядок, бор и неодим — на два. В-третьих, РЗМ и бор существенно влияют на морфологию кристаллов, умень­ шая почти до полного исчезновения дендритные формы и способствуя развитию многогранных.

Особенно резко влияют на скорость роста граней кристалла неодим и бор. Эффективное влияние РЗМ и бора на параметры кристаллизации и формирование кристаллов связано с воздействием их на степень пере-

77

сыщепия матричного раствора, наличие гетерофазных примесей, а также флуктуаций и свободную энергию си­ стемы. Это происходит за счет явлений адсорбций, акти­ вации существующих центров кристаллизации и созда­ ния новых, а также образования примесных барьеров у фронта растущего кристалла. Образование нераствори­ мой и растворимой примеси, как например, неметалличе­ ских включений и интерметаллидов РЗМ и бора, связано с их сильной реакционной способностью, незна­ чительной энергией отдачи электронов и термодинамиче­ ской активностью.

Данные исследования микролегированной стали пос­ ле окончательного затвердевания отливки показали, что РЗМ существенно влияют на фазовые превращения ста­ ли, снижая в 2—2,5 раза положение мартенситной точки и приблизительно на 40° критические точки Ас, и АСа» Снижение мартенситной точки связано, очевидно, с по­ вышением сопротивления пластической деформации и измельчением мартенситных кристаллов.

Из анализа структуры стали до и после термической обработки следует, что РЗМ и бор в основном влияют на количество, форму и распределение 6-феррита, резко со­ кращая его количество в три — семь раз. Такое влияние РЗМ и бора на 6-феррит можно считать результатом из­ менений параметров кристаллизации при микролегиро­ вании стали и в меньшей степени за счет смещений в диа­ грамме состояния. Несмотря на то, что в микролегиро­ ванной стали, так же как и в немикролегированной, количество 6-феррита не изменяется, свойства матрицы все же становятся иными. Так, при высокотемпературном отпуске твердость в микролегированной стали ниже, чем в немикролегированной, что свидетельствует о более пол­ ном прохождении процесса коагуляции и снятии фазо­ вых напряжений. РЗМ и бор не только изменяют коли­ чество 6-феррита, но и влияют на его форму и распреде­ ление. Так, в немикролегированной стали 6-феррит находится в виде грубопластинчатых выделений по гра­ ницам первичных аустенитных кристаллов. А в микроле­ гированной стали— в виде равномерно распределенных небольших вкраплений. В отдельных участках структуры встречаются области даже совершенно глобулярного фер­ рита.

Такое преобразование формы и распределения

78

F л а в а Ш

СТРУКТУРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

СТАЛИ Х17Н2, МИКРОЛЕГИРОВАННОЙ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫМИ МЕТАЛЛАМИ И БОРОМ

В настоящее время широкое применение стали Х17Н2 в промышленности затруднено, несмотря на относительно высокий уровень ее прочностных и пластических свойств в сочетании с незначительным содержанием дефицитно­ го никеля. Связано это с ее иетехнологичностыо: неудов­ летворительными литейными характеристиками, плохой проковываемостью, анизотропностью, нестабильностью структуры и размеров, невысокой сопротивляемостью коррозии в морской воде и относительно низкой жаро­ прочностью. Поэтому даже небольшие изменения соста­ ва стали в связи с ее легированием или микролегирова­ нием требуют комплексного изучения ее свойств. Микро­ легирование стали Х17Н2 РЗМ и бором существенно изменило ее. литейные свойства, зернистое строение и тонкую кристаллическую структуру.

Существенные изменения характеристик твердого раствора, фаз выделения и примеси, происходящие в ста­ ли при микролегировании, должны сказаться на ее физи­ ческих, химических, технологических и механических свойствах.

1.Влияние микролегироваипя па состав

исвойства фаз стали Х17Н2

Результаты исследования рафинирующего и модифици­ рующего действий показали, что РЗМ и бор изменяют состав и свойства неметаллических включений и сущест­ венно влияют на величину кристаллов мартенсита и ко­ личество ö-твердого раствора. Кроме того, сильная ре­ акционная способность РЗМ и бора и термодинамиче­ ская активность соединений не только с вредными и лег­ коплавкими элементами, но и основными компонентами стали позволяют предполагать о возможном изменении

80