» » Получение биметаллических слитков из разных сталей
18.12.2014

Для получения биметаллических слитков с бездефектной и плавной переходной зоной переплавляли составные электроды из сталей разных структурных классов. После переплава изучали макро- и микроструктуру слитков, распределение химических элементов и подбирали режимы термической обработки, обеспечивающие удовлетворительные коррозионные и механические свойства металла.
Для этой цели были выбраны четыре пары разных сталей: 1 — Х18Н10Т + Х18Н22В2Т2 (обе стали аустенитного класса); 2 — Х18Н10Т + 1Х17Н5М2 (аустенитная и аустенитно-мартенситная стали); 3 — Х18Н10Т + 14Х17Н2 (аустенитная + среднеуглеродистая мартенситная стали); 4 — Х18Н10Т + 3X13 (аустенитная + высокоуглеродистая мартенситная стали). На структурной диаграмме (рис. 61) состав основной стали Х18Н10Т отмечен точкой, из которой исходят четыре луча, заканчивающиеся составами сталей, выбранных для сплавления с основной. Каждый отрезок луча, отмеченный цифрами 1, 2, 3, 4, обозначает изменение Cr и Ni в слитках биметалла. Как видно из рис. 61, выбранные композиции находятся в областях появления хрупкости в сталях.
Переплавляли составные электроды выбранной пары сталей под флюсом АНФ-6 с добавкой 10 мас.% TiO2. После переплава получали цилиндрические слитки массой 12 кг, высотой 160 мм. На рис. 62 приведена схема разрезки слитков для изучения макро- и микроструктуры, распределения химических элементов, коррозионных и механических свойств.
Получение биметаллических слитков из разных сталей

Макроструктура центральных продольных темплетов слитков показана на рис. 63. Металл полученных слитков плотный, без пор, трещин, раковин, пузырей, усадка незначительная. Все слитки имеют направленное радиально-осевое строение с общими кристаллами для обеих сплавляемых сталей. Самая плавная переходная зона, практически не выявляемая макротравлением, получена в слитке биметалла Х18Н10Т + Х17Н5М2 (рис. 63, а), что объясняется близким содержанием основных легирующих элементов — хрома и никеля в этих сталях.
Получение биметаллических слитков из разных сталей

Аналогичное строение имеет слиток биметалла Х18Н10Т + 14Х17Н2. Плавной переходной зоной отличается пара Х18Н10Т + Х18Н22В2Т2, поскольку обе стали одного структурного класса. Грубозернистая структура этого слитка связана с природной крупнозернистостью высоколегированной стали Х18Н22В2Т2 (рис. 63, б). Более резкую переходную зону имеет слиток 3X13 + X18H10T (рис. 63, в), так как сплавляемые стали резко отличаются содержанием углерода, легирующих элементов ;и структурными классами. Слиток имеет наиболее тонкую мелкозернистую структуру. Темное травление верха слитка обусловлено значительным количеством углерода в стали 3X13 (0,38 мае. % С).
Получение биметаллических слитков из разных сталей

Распределение химических элементов по зонам слитков биметалла в сравнении с исходным составом электродов изображено графически на рис. 64—67. Во многих выплавленных слитках содержание хрома по зонам меняется незначительно (рис. 64—67). Содержание никеля, определяющего запас аустенитности в хромоникелевых сталях, изменяется существенно, однако его изменение во всех вариантах плавное. Менее плавно в переходной зоне распределяется вольфрам (см. рис. 64) и молибден (см. рис. 65). Содержание хрома, вольфрама и молибдена в соответствующих зонах биметаллических слитков в сравнении с составом исходных электродов не снижается в результате переплава, содержание никеля уменьшается на 8—10%, содержание же титана понижается в 2—3 раза. Наблюдается повышение содержания углерода в слитках после переплава. Так, при сплавлении низкоуглеродистых сталей Х18Н10Т и 1Х17Н5М2 с исходным содержанием углерода 0,06 и 0,1 мас.% соответственно концентрация углерода в слитке биметалла возросла (см. рис. 66). Аналогичная картина получена и при сплавлении сталей Х18Н10Т и Х18Н22В2Т2 (см. рис. 64). При сплавлении же высокоуглеродистой стали 3X13 со сталью Х18Н10Т в зоне последней в слитке содержание углерода увеличилось в 5 раз по сравнению с исходным в электроде (см. рис. 67).
Получение биметаллических слитков из разных сталей

Структурная диаграмма Шеффлера для наплавленного металла хромоникелевых сталей применительно к условиям кристаллизации с большими скоростями охлаждения (рис. 68) позволяет предопределить структуру стали, если известен ее химический состав. Свойство элементов сплава способствовать образованию аустенита или феррита учитывается соответствующими коэффициентами в формулах для расчета эквивалентов никеля и хрома. Расчет этих эквивалентов для трех зон полученных слитков биметалла (переходной и двух зон сплавляемых сталей) по результатам химического анализа производился по формулам
Получение биметаллических слитков из разных сталей

На диаграмму (рис. 68) расчетные области составов выплавленных слитков биметалла нанесены в виде треугольников и обозначены цифрами 7, 2, 3, 4 в соответствии с вариантами переплава. Состав слитка 1 (Х18Н10Т + Х18Н22В2Т2) соответствует аустенитной области на диаграмме, поскольку сплавлялись стали одного аустенитного класса. Для получения удовлетворительных коррозионных и механических свойств нержавеющие стали подвергают термической обработке. Термообработка биметаллических слитков из сталей одного структурного класса не представляет трудностей. Для слитка 1 была проведена аустенизация. В связи со сложным легированием стели Х18Н22В2Т2, большим количеством карбидообразующих элементов был применен ступенчатый нагрев: посадка в печь при 650° С, нагрев 1,5 ч до 1050° С, выдержка 3 ч при 1050° С, нагрев 1,5 ч до 1100° С, выдержка 2 ч при 1100° С. Закалка от 1100° С производилась в воду. Структура слитка 1 после аустенизации во всех трех зонах одинаковая и представляет собой аустенит и карбиды (рис. 69).
Получение биметаллических слитков из разных сталей

Значительно сложнее выбрать режим термической обработки для сталей разных структурных классов. Известно, что аустенитные стали требуют высокотемпературного нагрева и быстрого охлаждения, а стали мартенситные обычно закаляют с отпуском. Температуру отпуска назначают в зависимости от состава стали и требуемых свойств. Согласно работе, наилучшую коррозионную стойкость сталь 14Х17Н2 имеет после закалки от 1020° С на воздухе и отпуска при 700° С, 6 ч. Однако при термообработке биметаллического слитка из сталей разных структурных классов — Х18Н10Т (аустенитного) и 14Х17Н2 (мартенситного) — по рекомендованному в работе режиму образцы слитка проявили склонность к межкристаллитной коррозии (МКК). Металлографический анализ показал, что склонность к MKK связана с образованием интерметаллида σ-фазы. Нагрев во время высокого отпуска способствует выделению σ-фазы по границам σ-феррита. Поэтому для биметаллических слитков из сталей разных структурных классов был выбран режим термообработки, заключающейся в закалке от 1050° С в воду и немедленном низком отпуске при 300° С для предотвращения выделения σ-фазы. Пробные испытания на MKK после этого режима обработки дали положительные результаты.
Получение биметаллических слитков из разных сталей

Как следует из структурной диаграммы (см. рис. 68), составы слитков биметалла 2, 3, 4 из сталей разного структурного класса соответствуют широкому диапазону структурных составляющих в пределах одного слитка. Так, состав слитка 3 (Х18Н10Т + 14Х17Н2) проходит через области аустенита, феррита и мартенсита. В переходной зоне этого слитка поле выбранного режима термической обработки обнаруживается смешанная структура мартенсита, 8-феррита, аустенита и карбидов (см. рис. 69, в), которая постепенно переходит в структуру аустенита с карбидами в зоне стали 1Х18Н10Т и мартенсита с 8-ферритом и карбидами в зоне стали 14Х17Н2.
Получение биметаллических слитков из разных сталей

Состав слитка 2 (Х18Н10Т + 1Х17Н5М2) на структурной диаграмме находится в аустенитно-ферритной области и захватывает зону выделения интерметаллида FeCr или σ-фазы. Структура переходной зоны слитка 2 после термообработки состоит из аустенита с карбидами и 6-феррита с σ-фазой (см. рис. 69, б). Образованию σ-фазы в данной композиции способствует молибден, как сильный ферритообразователь. С повышением содержания молибдена в хромоникелевых сталях аустенитная область суживается за счет расширения аустенитно-ферритной и аустенитно-карбидной с σ-фазой. Растворить σ-фазу термической обработкой не удалось, так как молибден сильно понижает скорость ее растворения, а длительный высокотемпературный нагрев экономически не выгоден.
Состав слитка 4 (3X13 + Х18Н10Т) на структурной диаграмме захватывает области аустенитную, аустенитно-мартенситную, аустенитно-ферритную. Обе сплавляемые стали резко различны по своей природе, кроме того, сталь 3X13 содержит большое количество углерода, что всегда отрицательно сказывается на коррозионных и механических свойствах хромоникелевых сталей. В соответствии с этим и в структуре переходной зоны этого слитка после термообработки обнаруживается большое разнообразие структурных составляющих: мартенсит и аустенит, δ-феррит с σ-фазой, карбиды хрома по границам зерен и единичные карбонитриды (см. рис. 69, г).
Испытания на межкристаллитную коррозию проводились по методу AM (ГОСТ (Ю32—75). Результаты коррозионных испытании приведены в табл. 19.
Получение биметаллических слитков из разных сталей

Как следует из табл. 19 и данных микроструктуры биметаллических слитков, металл слитков 1 и 3 не проявил склонности к МКК, а металл слитков 2 и 4 обнаружил склонность к МКК. Металлографический анализ показал, что трещины в образцах переходной зоны и зоны 1Х17Н5М2 слитка 2 проходят по выделениям σ-фазы (рис. 70, а), а в слитке 4 (3X13 + Х18Н10Т) — по границам зерен, где сосредоточены карбиды хрома (рис. 70, б).
Распределение механических свойств по трем зонам выплавленных слитков после термической обработки показано на рис. 71. Испытания на растяжение проводили на разрывных гагаринских образцах, а на ударную вязкость — на образцах с надрезом Meнаже. Прочностные и пластические свойства, а также ударная вязкость переходных зон всех слитков имеют промежуточные значения между свойствами соответствующих зон сплавляемых сталей. Наилучшее сочетание прочностных и пластических свойств и наиболее высокую ударную вязкость имеет материал слитка 1. Низкие пластические характеристики (δ, ψ) и низкую ударную вязкость показал металл зоны 3X13 и переходной зоны слитка 4. Это объясняется природной хрупкостью стали 3X13.
Получение биметаллических слитков из разных сталей