» » Образование плен в высокохромистой стали
25.12.2014

Одним из наиболее распространенных пороков в отливках из нержавеющих хромоникелевых сталей, дополнительно легированных титаном, являются плены, образуемые окислами титана, хрома, алюминия и других легкоокисляющихся элементов. Из-за плена понижается герметичность металла, что приводит к снижению эксплуатационных свойств изделий из пленообразующих сталей, работающих под давлением, а также снижаются механические свойства.
В работе изучался процесс образования плен на отливках из стали Х18Н9ТЛ.
Первоначально в лабораторных условиях изучалось влияние температуры жидкого металла и продолжительности выдержки его при данной температуре в различных атмосферах на изменение химического состава, количество окислов в металле и толщину слоя окислов на его поверхности.
Образование плен в высокохромистой стали

Для исследований была использована специальная установка, схема которой представлена на рис. 1. Установка состоит из подставки 1, на которую помещается шамотный стакан 2 с электрокорундовым тиглем 6, засыпанным с боковой поверхности прокаленным электрокорундом 5. Засыпка из электрокорунда применялась для предотвращения вытекания металла при растрескивании тигля. При нарушении сплошности тигля трещина автоматически заполняется электрокорундом. В электрокорундовый тигель перед плавкой помещается цилиндрический образец диаметром 20 и высотой 50 мм из стали Х18Н9ТЛ, после чего с помощью вакуумной замазки к подставке притирается кварцевый кожух 7, который устанавливается в поле индуктора 4.
Перед началом плавки прозрачное кварцевое стекло 9 протиралось смоченной в бензине ватой и водоохлаждаемая державка 8 кварцевого стекла надевалась с притиркой вакуумной замазкой на кожух.
При плавке в нейтральной (или восстановительной) среде в штуцер подставки из баллона с редуктором подавался аргон (или водород), который через каналы и асбестовую прокладку 3 входил в полость кварцевого кожуха, омывая плавящийся металл. Пройдя через отверстие кварцевого кожуха, газ удалялся в атмосферу (водород при выходе в атмосферу сжигался). При плавке в окислительной среде (на воздухе) тигель кожухом не закрывался.
Температура замерялась пирометром ОППИР-017 через призму 10.
Перед началом плавки производилась "промывка" полости кварцевого кожуха аргоном при исследовании влияния нейтральной атмосферы или водородом при исследовании влияния восстановительной атмосферы. После промывки включалась высокочастотная установка и проводилась плавка.
Продолжительность выдержки жидкого металла колебалась от 0 до 20 мин и проводилась при температурах 1500, 1550, 1600 и 1650° С. После выдержки металл охлаждался в тигле.
Образование плен в высокохромистой стали

Поверхность затвердевших отливок с увеличением времени выдержки на воздухе ухудшается, количество складок и плен увеличивается. Общее состояние поверхности отливок, выдержанных в среде аргона и водорода, оказалось значительно лучше, чем выдержанных на воздухе.
Для исследования образцы разрезались вдоль оси на две части. На одной половинке по плоскости реза исследовалось спектральным методом изменение химического состава; другая половинка полировалась для металлографического исследования. В образцах, предназначенных для исследования изменения химического состава, определялось содержание кремния, марганца, титана и никеля. Содержание хрома определялось химическим путем. С этой целью после выполнения спектрального анализа из образцов высверливалась стружка.
Образование плен в высокохромистой стали

Анализ содержания элементов показал, что при плавке образцов в среде водорода металл практически не окислялся. В атмосфере аргона с увеличением времени выдержки при температуре 1550° угорает только титан. За 20 мин он выгорает примерно на 50%. Угар титана при плавке в атмосфере аргона происходит, вероятно, за счет остаточного кислорода. Химический состав образцов, выплавленных на воздухе, претерпевает значительные изменения. Из рис. 2 видно, что при 1550° за 20 мин хром угорает примерно) на 13%, марганец — на 70%, кремний — на 87%. Титан угорает полностью, за 5 мин.
С увеличением температуры стали при постоянном времени выдержки химический состав практически не изменялся.
На основании графика рис. 2 можно заключить, что по интенсивности окисления элементы стали Х18Н9ТЛ располагаются в следующий ряд: титан, кремний, марганец, хром и никель, который вообще не окисляется.
Образование плен в высокохромистой стали

При исследовании микроструктуры образцов, выплавленных в атмосфере воздуха с выдержками от 0 до 2 мин при всех температурах, и образцов, выплавленных в нейтральной и восстановительной средах при всех выдержках и температурах, ни на поверхности затвердевшего зеркала металла, ни в самом металле окислов не обнаружено. При плавке на воздухе с увеличением выдержки свыше 2 мин при температуре 1550° толщина слоя окислов на поверхности и глубина залегания неметаллических включений в металле увеличиваются (рис. 3, а). С увеличением температуры выплавки образцов при постоянной выдержке в течение 10 мин глубина залегания окислов и толщина их на поверхности постепенно уменьшаются, и при температуре 1650° окислы полностью исчезают (рис. 3, б). Это наглядно иллюстрируется •фотографиями микрошлифов, приведенными на рис. 4,а, б. Как видно из этих рисунков, образец, выплавленный при температуре 1500°, имеет Слой окислов на поверхности затвердевшего зеркала и в глубине металла под верхней коркой (рис. 4, а); у образца же, выплавленного при температуре 3650°, окислов не обнаружено ни на поверхности, ни в самом металле (рис. 4, б).
Образование плен в высокохромистой стали

Исчезновение окислов с повышением температуры может быть объяснено увеличением упругости диссоциации окислов.
Опытные плавки в производственных условиях проводились в основной индукционной печи емкостью 60 кг. Шихта состояла из армко-железа, никеля, феррохрома, металлического марганца и ферротитана. Металл раскислялся алюминием в печи и силикокальцием в ковше. Формы заливались из ручных ковшей, подогретых до температуры 300—350°. Температура выпуска металла, определявшаяся платино-платинородиевой термопарой погружения, составляла 1500, 1550, 1600, 1650 и 1700°.
Опытные отливки — втулки (Н = 150 мм, фнар = 100 мм, фвн = 80 мм) и плитка (150 х 140*10 мм) —заливались в сухие жидкостекольные формы из одного стояка. Такая конфигурация отливок взята по следующим соображениям. Во-первых, отливки повторяют форму наиболее часто встречающихся литых деталей, и, во-вторых, втулка наиболее легко поддается испытанию на герметичность.
Отливки по качеству поверхности были разбиты на три группы: 1 — отливки с хорошей поверхностью (рис. 5, а), 3 — отливки с поверхностью, сильно пораженной пленами (рис. 5, б). Вторая группа отливок имеет среднее между первой и третьей группами качество поверхности.
Образование плен в высокохромистой стали

При температуре выпуска металла 1650—1700°, как правило, получались отливки с поверхностью первой группы; при 1600—1650° — с поверхностью второй группы и при 1500—1600° — с поверхностью третьей группы.
Рентгенопросвечивание и изучение изломов показали, что плотность отливок с понижением температуры заливки понижается. Отливки, залитые при температурах ниже 1560—1580°, поражены крупными, почти сквозными пленами.
Втулки после предварительной обработки торцев на специально изготовленном приспособлении подвергались испытанию на герметичность. Результаты гидроиспытаний приведены в таблице.
Образование плен в высокохромистой стали

Опытами показано, что наименьшей температурой заливки стали X18H9TЛ является 1600°.
Металлографическое исследование опытных и валовых отливок показало, что микроструктура здорового металла состоит из аустенита и феррита с равномерно распределенными карбонитридами титана. Вблизи участков, пораженных окисными включениями и пленами, как правило, наблюдаются групповые выделения карбонитридов. Карбонитриды (или нитриды) титана сопутствуют пленам. Участки, пораженные пленами, часто сопровождаются также раковинами усадочно-газового характера (рис. 6). Раковины, вероятно, заполнены выделившимся из раствора избыточным азотом.