Файл: Пути улучшения качества сталей и сплавов..pdf

двух промышленных плавок (с церием и без церия),

весом 1,17 т.

При исследовании макроструктуры слитков отме­ чено, что слиток без церия имеет две зоны, где на­ блюдается нарушение сплошности: осевая (грубые разрывы по границам зерен) и зона перехода от столб­ чатых к равноосным кристаллам (мелкие интеркристаллитные трещины). В слитке с церием трещины обнаружены только в осевой зоне. Существенной раз­ ницы в величине литого зерна между слитками не ус­ тановлено. Принципиальных различий в расположении и протяженности отдельных зон слитка также не обна­ ружено.

При контроле макроструктуры деформированного металла (в блюмсах кв. 220 мм) существенного отли­

чия в величине зерна, общей и центральной пористос­ ти на плавках всех вариантов не выявлено.

Говоря о макроструктуре деформированного ме­ талла, следует отметить, что большое количество об­ разцов металла, выплавленного по старой технологии, было поражено дефектами, связанными с разливкой стали в слитки малого развеса (подкорковые пузыри, титановая корочка и т. д.).

Макроструктура блюмсов на плавках с присадкой церия- в ковш имела дефекты, сходные с описанной в литературе «цериевой пористостью». Возникновение их связано, по-видимому, с интенсивным окислением церия во время разливки и затрудненным удалением продуктов окисления в условиях кристаллизующегося слитка. Дефектами поражены, в основном, краевые зоны блюмсов штанг «А» и «Б».

При введении ферроцерия в печь подобных дефек­ тов не обнаружено. В связи с получением лучшей макроструктуры на плавках с добавлением церия в печь, дальнейшие эксперименты по присадке церия в ковш и изложницу (как это предполагалось планом проведения работ) были прекращены.

Возможность разливки металла в слитки более крупного развеса, появляющаяся при улучшении пластичности слитка, позволяет снизить брак по ука­ занным дефектам. В литературе имеются данные, сви­ детельствующие о том, что структура крупного слитjca менее поражена подкорковыми пузырями и дефек­

46

тами поверхностного характера. Это хорошо подтвер­ ждается данными плавочного контроля (табл. 9).

Исследование дендритной структуры металла на индукционных плавках с различным содержанием це­ рия (от 0 до 0,5 процента по расчету) на Златоустов­ ском заводе показало, что присадка церия оказывает модифицирующее действие на дендритную структуру литой стали.

Слиток без церия характеризуется развитыми межосными участками, наблюдаются дендриты с раз­ витыми стволами. Зона перед областью транскристал­ лов характеризуется крупными дендритами и их бес­ порядочным расположением.

Присадка 0,1 процента церия по расчету сказалась на увеличении общего числа дендритов и некотором снижении размеров главных осей.

На плавке с 0,2 процента церия существенно изме­ няется дендритный рисунок. Осевая и прилегающая к ней зоны характеризуются более плотной компанов­ кой дендритов, резким уменьшением межосных участ­ ков и увеличением осей высших порядков. При этом наблюдается различная ориентировка осей дендритов внутри кристаллитов. Зона транскристаллов характе­ ризуется более тонкими, густо расположенными ося­ ми дендритов.

Как видно, добавка церия в количестве 0,2 про­ цента качественно изменяет дендритную структуру, при этой добавке отчетливо проявляется модифици­ рующее действие церия. Дальнейшее увеличение кон­ центрации церия (0,3—0,4 процента) дает аналогич­ ное изменение дендритной структуры. При этом на фоне общего измельчения последней имеются участки с более грубым рисунком, напоминающим строение стали без церия, и, наоборот, с еще более сложным строением дендритов. Это, по-видимому, связано с неравномерным распределением церия (или других составляющих) в отдельных микрообъемах металла данного слитка. Следует отметить, что при 0,3 процен­ та церия нет дендритов с вытянутыми осями, харак­ терными для зоны транскристаллов, и это требует дальнейшего изучения.

Дендритная структура плавки с 0,5 процента це­ рия мало отличается от плавки без него. Возможно,

47

значительное повышение концентрации церия сказа­ лось на характере литой структуры (образование лег­ коплавких эвтектик с церием и интерметаллидных фаз и т. д.). Отрицательное влияние церия на свойст­ ва стали при его добавке на 0,5 процента отмечает В. Н. Полисадов с сотрудниками ,[53].

Следует заметить, что индукционные плавки по химическому составу не совсем точно воспроизводят промышленные (повышенное содержание серы и кремния). Это в какой-то степени отразилось на ка­ чественном и количественном составе включений, сос­ тоянии границ зерна.

Таким образом, предварительное изучение показа­ ло, что присадка церия положительно влияет на ха­ рактер дендритной структуры литой стали.

Отдельные стороны этого вопроса: влияние церия на строение дендритов в зоне транскристаллов и внут­ ри отдельных зерен, характер дендритной структуры при 0,5 процента церия (по расчету) — требуют даль­ нейшего изучения.

Модифицирующее действие церия проявляется в получении более тонкой дендритной структуры литого металла. В промышленных, как и в лабораторных, плавках наблюдается существенная разница в строе­ нии дендритов. Дендритный рисунок металла с цери­ ем характеризуется большим количеством осей выс­ ших порядков, меньшей толщиной осей и менее раз­ витыми межосными областями. Такая структура более благоприятна, с точки зрения уменьшения ден­ дритной ликвации, увеличения плотности металла.

Значительная часть работ посвящена влиянию РЗМ на количество и распределение фаз в стали и сплавах ,[54—59].

Интересный материал получен и на Златоустов­ ском металлургическом заводе [46].

Изучение микроструктуры неметаллических вклю­ чений в литой стали показало, что в слитке без церия наблюдается большое количество субмикроскопиче­ ских включений (имеются в виду мельчайшие включе­ ния, видимые в оптический микроскоп при максималь­ ном увеличении с применением иммерсии).

Малый размер этих включений затруднил точное определение их состава, но анализ укрупненных час-

тиц, сопровождающих скопления мелких, позволил сделать вывод, что они разнообразны по составу, то есть представляют собой сульфидные, кислородные и нитридные образования.

В зонах расположения интеркристаллитных тре­ щин, в нетравленых шлифах, на границах некоторых зерен наблюдались тонкие, но плотно скомпанованные скопления мелких неметаллических включений, также состоящих из сульфидов, нитридов и окислов. От этих скоплений начинались тонкие, едва заметные трещинки, постепенно переходящие в грубые, види­ мые невооруженным глазом нарушения сплошности.

Травление1 образцов литого металла позволило обнаружить еще большее количество мелких включе­ ний, располагающихся в межосных участках дендритов и на границах зерен.

Исследование поведения обнаруженных травлени­ ем включений при нагреве металла проверяли рядом термообработок (образцы после термообработки раз­ резали и шлифовали со стороны реза). Нагрев до 900° С и выдержка в течение 1,5 часа с последующим медленным охлаждением способствовали резкому уве­ личению количества субмикроскопических включений, выделившихся и в межосных участках на границах зерен, а также замеченных вокруг кислородных не­ металлических включений.

После нагрева образцов до 1000° С, выдержки 2,5 часа и закалки в 15%-ном растворе поваренной соли число выделяющихся включений несколько уменьши­ лось, а размеры увеличились. Большая часть их при­ обрела форму палочек. В светлом поле зрения вклю­ чения были темными, в темном — золотистые, в по­ ляризованном— ярко анизотропные.

При повышении температуры закалки до 1050° С количество выделяющихся включений значительно уменьшилось и сильно увеличились их размеры.

Характерные особенности обнаруженных включе­ ний, форма кристаллов, поведение при термообработ­ ке и другие свойства позволили заключить, что вклю­ чения представляют собой нитриды и карбонитриды

1 Травители: пикрат натрия или щелочной раствор перманга­ ната калия.

50

хрома. Это подтвердилось резким увеличением вклю­ чений такого типа в образцах от слитка специально выплавленной в высокочастотной печи плавки с при­ садкой азотированного феррохрома (на 0,2 процента азота по расчету).

Микрохимический анализ осадка электролитиче­ ски выделенных включений установил большое содер­ жание в нем азота (0,26 процента).

Скопление нитридов хрома в межосных участках указывает на явно выраженное неоднородное рас­ пределение азота в объемах дендритов. Характер расположения нитридов и карбонитридов хрома на границах зерен, вблизи границ зерен и вокруг неметал­ лических включений свидетельствуют о связи их расп­ ределения с дислокационной картиной этих участков. Выделение мелкодисперсных включений вокруг круп­ ных твердых показывает, что последние служат кон­ центраторами напряжений. Преимущественное, упо­ рядоченное особым образом, выделение нитридов и карбонитридов хрома в межосных участках и на гра­ ницах зерен указывает на повышенную концентрацию напряжений именно в этих объемах металла.

На промышленной плавке с церием после анало­ гичных исследований также были обнаружены вклю­ чения карбонитридов и нитридов хрома, но в гораздо меньшем количестве, чем на плавке без церия.

Дальнейшее исследование структуры литой стали без церия показало, что по границам зерен находятся карбидные отложения, величина и характер выделе­ ния которых неодинаковы по высоте и сечению слит­ ка. Размеры карбидных отложений колебались от тонких слаборазличимых до крупных грубых нарос­ тов со своеобразной структурой. Наиболее крупные отложения были обнаружены в осевой зоне подпри­ быльной части слитка, в местах, где граница зерна проходила по межосным областям дендритов. К низу слитка величина отложений уменьшалась.

По сечению слитка развитие отложений, в основ­ ном, уменьшалось в направлении от оси к поверхно­ сти, но в зоне перехода столбчатых кристаллов в рав­ ноосные отмечалось утолщение отложений.

Карбидные отложения сопровождались различной величины сульфидными включениями, часто обвола­

кивающими кислородные образования. Кроме того, в их структуре были перлитообразные участки, так что строение карбидных отложений имело вид ледебуритной эвтектики — квазиледебурита.

Подобные участки были обнаружены и в осевой зо­ не заготовок деформированного металла. Микротвер­ дость составляющих квазиледебурита имела следую­ щие значения: карбид Hv — 860—970, перлитообраз­ ные участки — 507—509, аустенит Hv — 224—278.

Рентгеноструктурный анализ наиболее крупных участков квазиледебурита показал, что основная его составляющая — карбид СггзСб.

Наличие карбидной составляющей по границам зерна аустенита в данной марке стали отмечает ряд авторов ,[41], однако они не пишут, что эти отложе­ ния имеют сложное строение, сопровождаются неме­ таллическими включениями.

Изучение грубых участков квазиледебуритной структуры помогло обнаружить тонкие ее выделения на границах зерен, проходящих по межосным участ­ кам дендритов и полосчатой структуры прокатанного металла. По границам зерен, в зоне расположения интеркристаллитных трещин и по краям трещин в ли­ том металле также расположены участки квазиледе­ бурита.

Чтобы проверить предположения о природе кар­ бидных отложений, а также выявить влияние скоро­ сти кристаллизации слитка на его структуру, отлиты два слитка промышленной плавки (сталь 0Х23Н18) без присадок церия, весом 200 кг. Первый слиток охлаж­

дался в воде, второй был отлит в изложницу, футе­ рованную изнутри асбестом. Снаружи изложница бы­ ла засыпана песком. Таким образом, кристаллизация второго слитка была замедленной.

Макроструктура слитков хорошо отражает разли­ чие в скорости кристаллизации. Изучение микрострук­ туры слитков показало, что уменьшение скорости охлаждения последних при кристаллизации способст­ вует увеличению отложений квазиледебурита. Таким образом, этот эксперимент также указывает на ликвационную природу квазиледебуритных отложе­ ний.

Кроме того, была выплавлена опытная плавка в

52

индукционной печи стали Х23Н18 с содержанием, углерода 0,8 процента.

Анализ микроструктуры литого металла этой плавки показал, что увеличение содержания углерода до указанных пределов выразилось в резком увеличе­ нии карбидных отложений, расположенных сплошны­ ми скоплениями, с эвтектическим строением, по гра­ ницам зерен аустенита. Это также показало влияние углерода в развитии отложений и еще раз подтверди­ ло правильность определений их природы. Правда, в данном случае карбиды имели в своем составе, по-ви­ димому, значительное количество железосодержащих карбидов — основная часть отложений темнела при травлении в кипящем щелочном растворе пикрата

натрия 1.

Определение дендритной неоднородности микро­ зондом типа «Камека» показало, что по хрому и ни­ келю она незначительна. Определить же дендритную неоднородность таких элементов, как сера, углерод, азот, кислород, не представлялось возможным из-за недостаточной чувствительности метода, поэтому при­ менялись косвенные методы, описанные выше.

В стали с церием участки квазиледебуритного ти­ па становятся меньше, либо вообще исчезают. Необ­ ходимо отметить, что последнее достигается лишь в том случае, если имеется определенное содержание остаточного церия в металле (0,02 процента).

Повышенное содержание нитридов хрома, суль­ фидной, кислородной составляющей в межосных уча­ стках свидетельствует о большой дендритной неодно­ родности литого металла, выплавленного без приса­ док церия.

Таким образом, как показало изучение металла, присутствующий в нем церий способствует уменьше­ нию дендритной неоднородности. Модифицирующее действие церия проявляется в строении первичной структуры стали.

Образование дендритной структуры, более богатой осями дендритов и менее развитыми межосными об­

1 Кипящий щелочной пикрат натрия окрашивает в темные цвета карбиды железа и не действует на карбиды, богатые хромом.

53