книги из ГПНТБ / Микролегирование литых жаропрочных сталей

химического состава мартенсита и ö-феррита стали Х17Н2 при микролегировании РЗМ и бором.

Химический состав мартенсита и 6-феррита в микро­ легированной стали определялся локальным микрорентгеноспектральным анализом на установке «САМЕСАъ. Размер анализируемого зондом участка на образце со-

ставлял 2 мкм.

На рис. 29 показаны области мартенсита и 6-феррита,

(рис. 30—31). Сравнение полученных данных показыва­ ет, что РМ влияют различным образом на растворимость основных легирующих элементов в твердом растворе и на выделение их из твердого раствора при образовании раз­ личных фаз.

Почти все редкие металлы в значительной степени повышают содержание хрома в феррите и мартенсите закаленной стали. Но влияние РМ на содержание желе­ за и, в меньшей степени, никеля, в феррите и мартенсите оказывается не идентичным. Неодим, повышая раствори­ мость никеля в феррите и мартенсите, одновременно по­ нижает содержание железа. А действие церия, лантана и бора оказывается противоположным неодиму. Они по­ вышают растворимость железа в феррите и понижают

Рис. 30. Влияние РМ и РЗМ на содержание хрома (а, г), железа (б, д), никеля (в, е) в мартенсите (а, б и в) и фер­ рите (г, д н е ) .

Рис. 31. Влияние на содержание основных легирующих элементов в фазах отпущенной стали. Содержание железа в мартенсите (а), феррите (б) и на их границе раздела (ѳ); содержание хрома в мартенсите (г), феррите (б) и на гра­ нице их раздела (е).

растворимость никеля. Обогащение твердого раствора хромом происходит за счет раскисления стали РМ и яв­ ляется благоприятным фактором повышения коррозион­ ных свойств стали. Некоторое увеличение концентрации никеля в твердом растворе, очевидно, связано с освобож­ дением его из фосфидных соединений, так как, соглас­ но термодинамическим данным, неодим имеет значи­ тельно большую теплоту образования фосфидов, чем никель. Большая растворимость никеля в стали с неоди­ мом должна повысить ее прочностные характеристики. При отпуске стали твердый раствор феррита и мартен­ сита обедняется хромом. За счет этого происходит повы­ шение его концентрации на границе раздела фаз. Изу­ чение распределения карбидной фазы в немикролегиро­ ванной стали показало, что преимущественно она выделяется по границам раздела фаз, так что повыше­ ние концентрации хрома на границе, очевидно, связано

сее выделением.

Вмикрслегированной стали карбидные соединения распределены относительно равномерно между мартен­

ситом, б-ферритом и их границами раздела. При анали­ зировании зондом мартенсита и б-феррита микролеги­ рованной стали в исследуемую область наряду с участ­ ком матрицы может попасть частично карбид хрома. В результате мы фиксируем среднюю концентрацию. Она оказывается меньшей, чем в исходной стали, за счет большего эффекта обеднения твердого раствора хромом. На границах раздела фаз в микролегированной стали концентрация хрома резко возрастает по сравнению с немикролегированной. Следует сказать, что, несмотря на обеднение хромом твердого раствора б-феррита и мар­ тенсита, в силу более равномерного распределения кар­ бидных соединений по фазам, свойства стали, особенно прочностные и коррозионные, должны улучшаться. Кро­ ме того, границы раздела фаз, как места наиболее сла­ бые, являются обычно очагами разрушения. Повышение концентрации хрома на границах при микролегировании стали РМ должно упрочнить их и, соответственно, улуч­ шить свойства стали, связанные с ними, такие, как кор­ розионная стойкость и хрупкость. Отпуск не изменяет содержания в фазах никеля, и оно в микролегированной стали остается более высоким, чем в исходной. Это сви­ детельствует о большой прочности твердого раствора

деления элементов стали Х17Н2 (%), микролегированной РМ. Данные приведены для равновесного и неравновес­ ного состояний. Подсчеты коэффициента распределения показывают, что при равновесном состоянии уменьшается степень ликвации хрома и не изменяется степень ликва­ ции никеля, марганца и железа по сравнению с равно­ весным состоянием.

Коэффициент распределения железа во всех иссле­ дуемых сталях близок к единице, т. е. можно считать, что он не ликвирует. Микролегирующие элементы незначи­ тельно увеличивают степень ликвации марганца и нике­ ля как в неравновесном, так и в равновесном состояниях. Максимальное увеличение степени ликвации никеля име­ ет место в стали Х17Н2, микролегированной неодимом. Вместе с тем РМ незначительно уменьшают степень ликвации хрома и железа в равновесном и в неравновес­ ном состояниях.

Изменение концентрации легирующих элементов и их перераспределение между фазами при микролегирова­ нии стали РМ, конечно, будет вызывать структурные из­ менения в фазах: количестве, распределении и их харак­ теристиках. Тем более, что хром и железо являются основ­ ными компонентами сложнолегированных кубических карбидов хрома, выделяющихся при термической обра­ ботке стали.

2. Карбидная фаза стали, мнкролегированион редкоземельными металлами и бором

Практика исследования изделий, разрушенных в рабо­ чих условиях, показывает, что одним из решающих фак­ торов являются фазы выделения: их форма, величина, количество и распределение. Эти параметры фаз выде­ ления определяются составом самих выделяющихся фаз, а также составом твердых растворов, из которых они выделяются. Главным является взаимодействие карби­ дов с твердым раствором.

Результаты исследования структур стали Х17Н2 пос­ ле термической обработки свидетельствуют о том, что в процессе отпуска в ней происходят значительные кар­ бидные образования с выделением частиц по границам раздела 6-феррит—мартенсит, Судя по микроструктур­

86

ному анализу, РЗМ и бор существенно изменяют пара­ метры карбидного процесса.

Электронномикроскопические исследования неметал­ лической фазы также подтвердили резкие изменения в процессах карбидообразования микролегированной ста­ ли. Так, например, данные электронномикроскопического

Рис. 32. Особенности выделения карбидов в исходной стали и микролегированной (X 10000):

а — без добавок; б и в — мнкролегированная церием.

анализа отпущенных образцов показывают, что в основ­ ном на границе хромит—матрица происходит выделение карбидной фазы (рис. 32).

В стали, микролегированной РЗМ, выделение карбид­ ной фазы обнаруживается и на силикатах, в отличие от исходной стали, где силикаты свободны от карбидных образований.

Выпадая на границе раздела включение—матрица, карбиды при росте покрывают частично или даже пол­ ностью включения, а иногда при росте карбидов в матри­

87

це включения и карбид служат как бы продолжением друг друга. Это позволяет предположить о возможности су­ ществования в микролегирсванных сталях сложных карбосоединений.

Карбидная фаза в стали Х17Н2 исследовалась путем рентгеноструктурного и химического анализов карбид­ ного осадка. Выделение карбидного осадка производи­

/ = 0,02 ам/см2.

Тип выделяемых карбидов определялся рентгено­ структурным анализом карбидного осадка в хромовом излучении. В результате рентгеноструктурного анализа было установлено, что карбидный осадок стали Х17Н2 во всех случаях микролегирования состоит из карбида

бида хрома Сг7Сз (а—13,98 А, с — 4,323 А).

Химический анализ карбидного осадка позволил определить содержание легирующих элементов в карби­ дах хрома в зависимости от микролегирования РМ. Бы­ ло обнаружено, что РЗМ и бор увеличивают содержание хрома в карбидном осадке (рис. 33). Причем в случае микролегирования стали церием и неодимом, с ростом добавки концентрация хрома в карбидном осадке увели­ чивается. Увеличение концентрации з карбидном осадке при микролегировании стали РЗМ связано с раскисляю­ щим эффектом РЗМ, в силу чего хром освобождается из окислов и оксисульфидов и растворяется в твердом рас­ творе стали. При отпуске закаленной стали хром выде­ ляется в составе карбидов. Совершенно иное действие оказывает молибден, который повышает содержание хрома лишь начиная с 1,5%. Содержание молибдена в карбидном осадке, наоборот, возрастает до 1,5%, а за­ тем, при увеличении молибдена в стали до 3%, падает. Максимального значения концентрация молибдена в карбидном осадке достигает при минимальном легиро­ вании стали 0,5% молибдена. Очевидно, это связано с тем, что при небольшом количестве введенного молиб­ дена в сталь до 1,5% он растворяется в основном в твер­ дом растворе и в карбиде хрома. При количестве введен­ ного молибдена свыше 1,5%, кроме того, что он раство­ ряется 3 твердом растворе, он расходуется на

88

образование самостоятельной фазы. Одновременно с увеличением хрома и уменьшением молибдена в карбид­ ном осадке стали, легированной молибденом, увеличи­ вается концентрация железа.

Максимальному количеству молибдена соответствует минимальное содержание железа и наоборот — мини­ мальному содержанию молибдена соответствует макси­ мальная концентрация железа в карбидном осадке. На­ чиная с 1,5% и до 3%, концентрация железа и молибде­ на в карбидном осадке не изменяется. Можно считать, что при малых добавках молибден замещает железо в карбиде хрома, а при больших — железо и молибден образуют самостоятельную фазу, которая частично рас­ творяется в карбидном осадке, ио преимущественно вы­ деляется вместе с неметаллической фазой.

Содержание железа в стали, микролегированной лан­ таном и мишметаллом, не изменяется по сравнению с исходной сталью. Изменение концентрации железа име­ ет место в стали, микролегированной церием и неоди­ мом. Причем действие их оказывается противополож­ ным. С ростом добавки неодима концентрация железа в карбидном осадке увеличивается, как и в стали с мо­ либденом. А в стали, микролегированной церием, кон­ центрация железа при малых добавках увеличивается; при больших — снижается. Такое же влияние оказывает бор. Увеличение концентрации железа при микролегиро­ вании стали неодимом, очевидно, связано с тем, что он, как самый энергичный раскислитель, будет освобождать железо из его соединений в стали. Освобожденное из соединений железо растворяется в твердом растворе, а затем, при отпуске, выделяется в составе карбидов. В от­ ношении влияния церия и бора следует сказать, что они при малых добавках, восстанавливая железо из сульфи­ дов и окислов, способствуют его выделению в составе карбидов. При относительно больших добавках (0,3 и 0,45%) освобожденное из включений железо, очевидно, будет расходоваться на образование сложных карбосульфидов в случае микролегирования церием и на об­ разование борокарбида железа в случае микролегирова­ ния бором.

Количество карбидной фазы изменяется в основном пропорционально содержанию хрома. При всех микро­ легирующих добавках количество карбидной фазы не

89

превышает 3,2%. Максимальное влияние на количество карбидной фазы оказывает церий (рис. 34). По степени влияния на количество карбидной фазы РМ можно рас­ положить в убывающий ряд: церий—бор—неодим—миш­ металл.

Увеличение количества карбидов в стали Х17Н2 при микролегировании РЗМ и бором связано с восстановле­ нием хрома, в основном из хромитов и оксисульфидов. За счет этого происходит легирование твердого раствора и карбидов и увеличение их количества. Об этом свиде­ тельствуют данные анализа неметаллической фазы: от­ сутствие хромитов в микролегированной стали и умень­ шение количества газов и кислорода. При микролегиро­ вании стали бором повышение количества карбидов связано с образованием наряду с карбидами хрома боро­ карбида железа, частично выделяющегося с карбидной фазой. В случае легирования стали молибденом увели­ чение количества карбидов происходит, когда его содер­ жание выше 1,5%, т. е. тогда, когда происходит образо­ вание самостоятельной фазы молибдена, возможно, ку­ бического карбида молибдена РегіМогСб, который час­ тично растворяется в карбидном осадке [62].

Аналогичное влияние микролегирующие добавки оказывают на стали Х17Н2М и Х17Н2ГФ. По сравнению с исходной сталью концентрация хрома, железа и коли­ чество карбидов в сталях Х17Н2М и Х17Н2ГФ, микролегированных лантаном и бором, выше, но по сравнению со сталью Х17Н2, микролегированной теми же добавка­ ми, концентрация хрома и количество карбидов незна­ чительно отличаются.

Иной характер имеет изменение содержания железа в стали Х17Н2ГФ, микролегированной бором. В этой стали содержание железа в карбидном осадке в несколько раз выше, чем в стали Х17Н2, также микролегированной бором. Связано это, очевидно, с совместным действием марганца, бора и ванадия, которое можно представить так: марганец и бор восстанавливают железо из суль­ фидов и окислов, обогащая им частично карбидную фазу. Вместе с тем бор частично забирает железо на образование борокарбида железа Ре2з(СВ)б. Ванадий, растворяясь в твердом растворе и карбидах, будет за­ мещать железо в карбидах. При наличии ванадия в ста­ ли не выше 1% он растворяется в кубическом карбиде

91