» » Получение биметаллических слитков из стали и армко-железа
18.12.2014

Более детально процесс электрохимического легирования металла из шлака изучали при переплаве состыкованного электрода из армко-железа и стали 1Х18Н9Т. Исследовали четыре варианта составов шлаков: АНФ-6, АНФ-6+20 мас.% TiO2, АНФ-6+20 мас.% V2O5, АНФ-6+10 мас.% Nb2O5. Каждый шлак использовали при трех режимах тока: переменном, постоянном прямой и обратной полярностей. Во всех опытах применяли составной электрод 2 с соотношением стали к армко-железу в зоне стыковки 1:1. Как и в предыдущем случае, изучали макро- и микроструктуру, определяли химический состав основных и легирующих элементов по высоте слитков, исследовали механические свойства после термической обработки и распределение твердости.
Макроструктуры слитков, выплавленных под шлаками различного -состава на постоянном токе обратной полярности, приведены на рис. 54. Во всех слитках различаются три зоны: армко-железа (внизу), переходная зона и зона стали. Наибольший объем по слитку занимает переходная зона (~40%). Зона стали представлена крупными кристаллами, ориентированными вдоль оси слитка. Структура переходной зоны имеет направленное радиально-осевое строение, но отличается мелкозернистостью. Переплавленное армко-железо состоит из неориентированных равновесных мелких кристалликов.

Слитки, выплавленные под шлаком АНФ-6, с добавками титана и ниобия имеют одинаковое макростроение. Ванадистые слитки отличаются более мелкозернистой структурой по всем зонам, так что между зоной стали и переходной практически нет разницы. Известно, что введение ванадия в сталь приводит к созданию мелкозернистой структуры в литом состоянии. Последнее объясняется зародышевым действием выделяющихся карбидных и карбонитридных частиц. Макроструктура слитков, выплавленных под одним составом шлака, но на разном токе, практически не зависит от характера тока. Все слитки имеют плотную бездефектную структуру.
Получение биметаллических слитков из стали и армко-железа

Результаты химического анализа показали, что распределение хрома, никеля, углерода не зависит от рода и полярности тока, а распределение элементов, восстановленных из шлака Ti, V, Nb, определяется режимом тока, применяемым при переплаве. На рис. 55 (слева) для Cr, Ni, С приведены средние из трех значений концентраций этих элементов в слитках, выплавленных на разном токе, а для Ti, V, Nb (справа) кривые 1—3 соответствуют разным режимам тока. Распределение Cr и Ni в переходной зоне плавное и практически одинаковое для слитков, выплавленных под разными по составу шлаками. В большей степени легируется зона стали и в меньшей - армко-железа. Поскольку температура плавления стали почти на 60° ниже температуры плавления армко-железа, в перегретой стали растворяется большое количество легирующих элементов. Некоторое повышенное содержание ниобия в зоне армко-железа (рис. 55, г) связано с образованием ε-фазы и карбидов ниобия.
Получение биметаллических слитков из стали и армко-железа

Полнота перехода легирующих элементов из шлака в металл зависит не только от характера и полярности тока, но и от природы легирующих компонентов. Так, при электромимическом легировании ванадием и ниобием на переменном токе в зоне стали Х18Н9Т достигается в 1,5 раза большее содержание этих элементов, чем при переплаве на постоянном токе прямой полярности (рис. 55, в, г, кривые 2, 3), при этом содержание титана в стали втрое больше, чем при переплаве на переменном токе.
Микроструктуру слитков исследовали в литом термически обработанном состоянии. На рис. 56 приведена микроструктура нетермообработанного слитка после переплава под шлаком АНФ-6, содержащим 10 мас.% Nb2O5. Верхняя зона стали (рис. 56, а) представляет собой крупные зерна игольчатого феррита с выделениями карбидов, карбонитридов и интерметаллических фаз. Превращение аустенита в феррит объясняется значительным содержанием ниобия (до 0,93%), который, связывая углерод, препятствует появлению карбидов хрома и обеднению хромом твердого раствора. Образуя стойкие карбиды, ниобий уменьшает устойчивость аустенита и способствует образованию феррита. Кроме того, ниобий действует как a-образующий элемент, и при избыточном его содержании образуется феррит. Игольчатая форма феррита связана с быстрым охлаждением при переплаве. Карбиды и карбонитриды ниобия и титана представляют собой кристаллы правильной кубической формы розово-желтого цвета, расположенные как и в объеме, так и по границам зерен (рис. 57, а). Интерметаллидные фазы располагаются по границам зерен в виде цепочек дисперсных выделений (рис. 57, в, г). Известно, что при содержании ниобия в стали более 0,5 мас.% наряду с карбидом ниобия из a-твердого раствора при 980—1220° С выделяется интерметаллид — ε-фаза состава Fe3Nb2. Количество ее тем больше, чем меньше содержание углерода. Кроме того, в аустенитных сталях, содержащих сильные α-образующие элементы Nb, Ti, при малом содержании углерода по границам зерен всегда отмечается появление хрупкой σ-фазы, которая представляет собой интерметаллидное соединение. Располагаясь по границам зерен, интерметаллидные фазы создают своеобразные барьеры, препятствующие движению дислокаций, поэтому общая пластичность резко падает даже при достаточно высокой пластичности тела зерна феррита.
Переходная зона (см. рис. 56, б) состоит из мартенсита, который образуется в связи с уменьшением хрома и никеля, что соответствует структурной диаграмме Шеффлера для хромоникелевых сталей. В переходной зоне карбидов значительно меньше, чем в стали 1Х18Н9Т, из-за расхода углерода на мартенсит и снижения содержания ниобия (см. рис. 56, г). Зона армко-железа (см. рис. 56, в—ж) имеет переменную по высоте структуру. Область, примыкающая к переходной зоне, состоит из мелких зерен феррита и перлита с появившимися вновь тонкими цепями интерметаллических включений ε-фазы (см. рис. 56, в). Более крупным планом ε-фаза показана на рис. 57, б. Она располагается в прослойках феррита, поскольку содержание углерода в феррите значительно меньше, чем в перлите. Далее, вниз по слитку (CM. рис. 56, г) имеется область, почти целиком состоящая из феррита с карбидами и ε-фазой.
Получение биметаллических слитков из стали и армко-железа

В нижней части слива (см. рис. 56, д, е) в кайме феррита хорошо видны цепочки интерметаллидов. Для улучшения пластичности переходной зоны слитки были термически обработаны по режиму: закалка в воду от температуры 1170° С и стабилизирующий отпуск при 700° С в течение 6 ч. После термической обработки в переходной зоне получили структуру сорбита, сохранившего мартенситную ориентацию, с высокими пластическими свойствами (δ = 15—20%, ψ = 52—70%) и удовлетворительной ударной вязкостью (4 кгсм/см2).
Микроструктура слитков, легированных титаном и ванадием, после термической обработки приведена на рис, 58. В слитках с титаном зона стали 1Х18Н9Т состоит из крупнозернистого аустенита с карбидами титана (рис. 58, а), переходная зона — из грубоигольчатого сорбита, ориентированного по бывшим крупным иглам мартенсита, и карбидов (рис. 58, б), зона армко-железа — из серен феррита (рис. 58, в), низ слитка — из сорбита (рис. 58, г). Аналогичную микроструктуру, лишь с меньшим количеством карбидов по всем зонам, имеют слитки, выплавленные под шлаком АНФ-6 без дополнительного легирования.
Получение биметаллических слитков из стали и армко-железа

Микроструктура слитков с ванадием носит иной характер. Зона стали представляет собой игольчатый феррит, поскольку ванадий — сильный ферритообразующий элемент (рис. 58, д). При больших увеличениях (1000—2000 раз) в зоне стали обнаруживаются незначительные выделения cr-фазы по границам зерен. Ванадий, как и ниобий, является активным карбидообразователем и, предупреждая выпадение карбидов хрома, способствует образованию интерметаллида FeCr. По всей высоте ванадиевых слитков при увеличении более чем в 1000 раз видны очень дисперсные карбиды и карбонитриды ванадия. Это мелкие блестящие кристаллы правильной формы с розово-фиолетовым оттенком. В темном поле они не прозрачны и имеют блестящую каемку.
Получение биметаллических слитков из стали и армко-железа

Переходная зона состоит из .мелкоигольчатого сорбита (рис. 58, г), зона армко-железа — из мелких зерен феррита (рис. 58, ж), низ слитка — из дисперсного сорбита. В сложнолегированных сталях карбид ванадия даже при охлаждении из области высоких температур выделяется в мелкодисперсном виде — величина частиц составляет около 100 А. Это приводит к мелкозернистой структуре и высокой твердости.
Распределение твердости по высоте слитков после литья и после термической обработки при различном легировании на постоянном токе прямой полярности приведено на рис. 59. Во всех слитках, кроме легированных ванадием, отчетливо различаются три зоны (рис. 59, а—в). Зона стали с твердостью HB 210—240 кгс/мм2 с аустенитной структурой в титансодержащих или с ферритной в ниобийсодержащих слитках. Переходная зона имеет постоянную и самую высокую твердость HB 300 кгс/мм2 и структуру мартенсита. В зоне армко-железа наблюдается переменная твердость НB 180—230 кгс/мм2 в соответствии с переменной феррито-перлитной структурой.
После термической обработки этих слитков (рис. 59, кривые 2) твердость в зоне стали практически не изменяется, так как структуры аустенита или феррита при данных температурах не имеют фазовых превращений. Твердость переходной зоны снижается в связи с превращением мартенсита в сорбит отпуска. В зонах армко-железа твердость при высоком отпуске снижается из-за коагуляции карбидов в соответствии с долей перлита и феррита. Слитки, легированные ванадием после литья, имеют одинаковую высокую твердость HB 300—280 кгс/мм2 по всем зонам (рис, 59, г). Это объясняется тонким распределением дисперсных карбидов, образующихся при охлаждении от высоких температур по всей высоте слитка.
Получение биметаллических слитков из стали и армко-железа

Механические свойства определяли после термической обработки на образцах, вырезанных из центральных макротемплетов слитков. При анализе элементов по высоте слитка было показано, что распределение легирующих элементов зависит от характера и полярности тока. Поэтому ожидали, что механические свойства будут также изменяться в соответствии с распределением этих элементов. Однако характеристики прочности, пластичности и ударной вязкости оказались зависимыми лишь от природы легирующего элемента и практически одинаковыми при переплаве на разных режимах тока.
Нелегированные слитки и слитки, легированные титаном, имеют одинаковые механические свойства но всем зонам (рис. 60, а, б). В переходной зоне и в зоне стали они достаточно высокие: σв=70 кгс/мм2, σ0,2=60/65 кгс/мм2, δ=15/20%, аk=15 кгс/см2, что почти вдвое выше, чем в литой термически обработанной стали. В зоне армко-железа прочностные свойства ниже, чем в переходной зоне и в стали, однако значительно выше, чем в исходном состоянии для армко-железа (до переплава).
Получение биметаллических слитков из стали и армко-железа

В слитках, легированных ниобием, прочностные свойства в зоне стали ниже, чем в титанистых, пластические — на том же уровне, а ударная вязкость ниже. Снижение ударной вязкости прочностных характеристик связано с выделениями интерметаллических фаз.
Наиболее высокие механические свойства получены в слитках, легированных ванадием (рис. 60, г). Их прочностные свойства: σв=80/93 кгс/мм2, σ0,2=70/80 кгс/мм2; пластические: ψ= 56/63%, δ=12/14%, аk=8/12 кгсм/см2. Достоинство слитков с ванадием состоит в том, что между зонами нет разницы в механических свойствах. Высокие прочностные свойства в этом случае обусловлены образованием карбидов, измельчением зерна и малой загрязненностью неметаллическими включениями, характерными для электрошлакового переплава.