» » Влияние дендритной ликвации на свойства сталей и сплавов
30.01.2015

Дендритная ликвация предопределяет многочисленные качественные характеристики сталей и сплавов, устойчиво сохраняющиеся на всем пути их производства, обработки и использования. К настоящему времени твердо установлено, что все разнообразие свойств сталей и сплавов определяется главным образом однородностью металла и комбинацией присутствующих в нем примесей.
В результате горячей деформации сталей дендритная неоднородность преобразуется в волокнистую полосчатую неоднородность. При этом термические условия горячей обработки стали позволяют регулировать степень волокнистой химической микронеоднородности и соответственно управлять формированием свойств стали.
Полосчатая структура прокатанной стали формируется в результате ориентирования вдоль направления прокатки первичных и последующих осей дендритов исходного слитка. Дендритная ликвация в легированных сталях приводит нередко к столь резкой разности концентраций группы элементов, что перлитные участки (например, в стали ХВГ) сочетаются с мартенситными, доэвтектоидные - с заэвтектоидными (сталь 45ХНМФА), заэвтектоидные - с ледебуритными (сталь ХГ).
Таким образом, на основе химической микронеоднородности проявляется в значительной степени и структурная микронеоднородность. Примеры тесной взаимосвязи этих видов микронеоднородностей достаточно убедительно приведены в фундаментальном исследовании И.Н. Голикова, посвященном изучению неоднородности в легированных сталях.
Начиная с работ Я.И. Френкеля, стало известно, что теоретическая прочность металлов значительно превышает техническую прочность, наблюдаемую на практике. В связи с этим необходимо учитывать особенности микронеоднородного строения, реальных кристаллов, во многом определяющих их свойства. Металлографическое выражение анизотропности фиксируется полосчатой волокнистой структурой стали и ориентированным по этой полосчатости распределением неметаллических включений. Ясно, что нельзя отрицать значительной роли неметаллических включений в анизотропности механических свойств стали.
Работы И.Н. Голикова и С.Г. Чернявской достаточно убедительно показали, что диффузионные процессы во время нагрева стали в металлургическом переделе могут существенно уменьшить полосчатую структуру неоднородности — продукта дендритной химической неоднородности исходного слитка. Согласно И.Н. Голикову, с первичной дендритной неоднородностью легированных конструкционных сталей связаны многие их конечные свойства, в том числе и отпускная хрупкость. В соответствии с этим было установлено, что гомогенизация уменьшает склонность стали к отпускной хрупкости. Так, для хромоникельмолибденовой стали соотношение ударной вязкости при медленном и быстром охлаждении находилось в пределах 0,82-0,69, а после гомогенизации 0,80-0,79.
Г.М. Заморцев экспериментально показал, что карбидная ликвация резко увеличивает изнашиваемость шарикоподшипниковой стали. В связи с этим необходимо включать в технологию мероприятия, способствующие снижению карбидной Неоднородности в металле. Одной из причин низкой стойкости инструментов является карбидная сетка в применяемом для изготовления этого инструмента металле.
Установлено, что в случае сохранения в исследованных образцах карбидной сетки разрушение колец из подшипниковой стали проходит по границам зерен и стойкость колец с увеличением балла по карбидной сетке резко снижается (рис. 75).
Типичной структурой инструментальных сталей в условиях эксплуатации является бесструктурный мартенсит, в объеме которого равномерно распределены избыточные карбиды.
Дендритная ликвация в инструментальных сталях выражается в неравномерном распределении карбидов в объеме мартенсита.
На развитие химической микронеоднородности в стали большое влияние оказывают методы разливки и условия кристаллизации металла.
Влияние дендритной ликвации на свойства сталей и сплавов

Поэтому степень развития микронеоднородности в обычном и непрерывно разлитом слитке существенно различаемся. В этом направлении было проведено исследование на Донецком металлургическом заводе при разливке стали ШХ15 сифонным способом, полунепрерывной и непрерывной — обычной и с введением в количестве 6,0 кг/т расплавляющихся микрохолодильников.
Дендритная структура металла всех методов разливки была практически одинаковой и состояла из трех зон—мелких равноосных (MK), столбчатых (CK) и крупных равноосных (KK) кристаллов — различной протяженности (табл. 16) (числитель, мм; знаменатель — доля, %, половины сечения слитка):
Введение расплавляющихся микрохолодильников способствовало формированию более широкой краевой зоны, уменьшению протяженности зоны столбчатых дендритов и расширению зоны равноосных вследствие того, что в этом случае снижался перегрев жидкой стали, уменьшался градиент температуры по сечению кристаллизующейся непрерывнолитой заготовки и это приводило к увеличению двухфазной области и расширению зоны разориентированных равноосных дендритов.
Максимальная дендритная ликвация наблюдалась в металле осевой зоны (в области крупных равноосных дендритов). Исследование состава и количества избыточных фаз, выделяющихся в межосных участках, с помощью специального травления, а также микрорентгеноспектрального анализатора "Камека" позволило выявить их сложное эвтектическое строение с повышенной концентрацией углерода и хрома в светлой составляющей карбидов и уменьшением их содержания в темной составляющей.
Основной причиной образования дефектов макроструктуры непрырывнолитой подшипниковой стали являются неравновесные условия кристаллизации, приводящие к обогащению межосных участков углеродом, хромом, серой и фосфором.
Влияние дендритной ликвации на свойства сталей и сплавов

С.Г. Чернявская, Т.И. Малиновская, Л.Д. Мошкевич исследовали структурную полосчатость в стали ШX15 и разработали режимы гомогенизации для ее уменьшения. Известно, что в последние два-три десятилетия в металлургической промышленности были разработаны и внедрены новые технологические процессы выплавки подшипниковых сталей, позволяющие получить весьма плотную и чистую по неметаллическим включениям и газам сталь. Значительно сложнее оказалась задача уменьшения микроструктурной неоднородности, оказывающей большое влияние на служебные свойства деталей подшипников.
К настоящему времени на металлургических заводах определены технологические режимы, обеспечивающие получение металла с минимальной карбидной ликвацией, минимальной карбидной сеткой, но недостаточно разработаны технологические мероприятия, способствующие уменьшению структурной и карбидной полосчатости.
Авторы работы изучили дендритную ликвацию в слитках стали ШХ15, условия образования структурной полосчатости при деформации и разработали режимы гомогенизации, позволяющие уменьшить отмеченную неоднородность. При этом существующая оценка дендритной ликвации в слитках стали ШХ15 выполнена посредством микрорентгеноспектрального анализа на микрозонде "Камека". Сталь была получена разными методами: электродуговой плавки, электрошлакового и вакуумного дугового переплавов.
Влияние дендритной ликвации на свойства сталей и сплавов

Исследование содержания хрома и марганца в осях и межосных участках позволило получить результаты, приведенные на рис. 76,а, б. Было установлено, что максимальная степень ликвации хрома в осевой части слитка (α = Смежосн/Соси) наблюдается в слитке стали ШX15 открытой дуговой выплавки (5,8), несколько меньшая - в слитке электрошлакового переплава (5,1) и минимальная - в слитке вакуумно-дугового перепалава (3,9). Максимальная ликвация марганца по оси слитка для разных вариантов выплавки мало различается и находится в пределах 2,6-3,5. Степень ликвации хрома увеличивается от края к центру слитков, наиболее резко проявляется в слитке открытой дуговой плавки (с 1,5 до 5,8). В слитке электрошлакового переплава степень ликвации увеличивается от края к центру с 2,2 до 43, а для слитка вакуумного дугового переплава - с 2,2 до 3,9. Такая же тенденция наблюдается и по содержанию марганца.
Исследование формирования полосчатой структуры в стали ШX15 электрошлакового переплава при ковке слитка показало, что в результате пластической деформации по мере увеличения обжатия разориентированные оси дендритов постепенно поворачиваются вдоль направления деформации, образуя полосчатую структуру, что четко выявляется при травлении макро- и микроструктуры.
Таким образом, во всех слитках стали ШХ15, полученных разными способами выплавки, наблюдается сильно развитая дендритная ликвация, которая при деформации обусловливает структурную полосчатость, оказывающую тем больше влияние на эксплуатационные свойства, чем в более сложных условиях работает подшипник, и поэтому особенно актуальна проблема снижения дендритной ликвации и структурной полосчатости. Из опробованных способов уменьшения дендритной ликвации и структурной полосчатости наиболее эффективным средством является диффузионное выравнивание концентрации ликвировавших элементов - гомогенизация. Опыты показали, что гомогенизация при 1160 °C в течение 10 ч уменьшает структурную полосчатость с балла 4,5 до 2,0. Увеличение длительности гомогенизации с 10 до 20 ч сопровождается снижением структурной полосчатости еще на 0,5 балла.
В заводских условиях наилучшие результаты дает гомогенизация слитков при 1160 °С в течение 10 ч, совмещенная с нагревом перед горячей деформацией в рекуперативных колодцах. Повышение температуры плавления межосных участков в результате гомогенизации на 70-90 °C позволяет продолжить процессы гомогенизации при более высокой температуре, при которой значительно повышается скорость диффузии хрома и марганца без оплавления межосных участков. На этом принципе С.Г. Чернявская и Т.И. Малиновская разработали ступенчатый режим гомогенизации стали, сущность которого заключается в том, что в процессе выдержки металла при температуре ниже температуры плавления ледебуритной эвтектики происходит выравнивание концентрации углерода, растворяются эвтектические карбиды и температуры плавления межосных участков повышается. Это позволяет осуществить последующий нагрев до более высокой температуры, при которой возрастает скорость диффузии элементов, а оплавления межосных участков не происходит. Таким образом ускоряется процесс гомогенизации и предотвращается опасность получения осевого пережога при нагреве металла перед деформацией. Ступенчатый режим: 1160°С, 5ч + 1220°С, 2ч + 1300 °С, 3 ч + 1180 °C, 1 ч состоит из двух основных ступеней, определяющих диффузионные процессы выравнивания концентрации элементов, и двух вспомогательных кратковременных температурных ступеней.
Влияние дендритной ликвации на свойства сталей и сплавов

Первая ступень при 1160 °С обеспечивает рассасывание ледебурит-ной эвтектики, вторая — при 1220 °C является вспомогательной ступенью, введенной для гарантии прогрева металла до 1160 °С в центральной зоне слитка. Третья ступень 1280-1300 °C - основная, она предназначена для выравнивания концентрации хрома и марганца. Четвертая ступень 1180 °С необходима для случая совмещения гомогенизации с нагревом перед горячей деформацией. Эта ступень предотвращает опасность получения осевого пережога и обеспечивает более мелкозернистую структуру готового сорта. Влияние гомогенизации на микроструктуру стали ШX15 показано на рис. 77.
Сопоставление приведенных ниже данных по степени ликвации для изотермического и ступенчатого режимов гомогенизации подтверждает преимущество ступенчатого режима. Так, без гомогенизации стали максимальная степень ликвации хрома и марганца составляла соответственно 5,1 и 3,5. После гомогенизации при температуре 1160 °C в течение 10 ч максимальная степень ликвации хрома и марганца 2,2 и 1,8. Ступенчатая гомогенизация 1160 °C, 5ч + 1220 °С, 2ч + 1300 °С, 3ч позволила понизить эти показатели соответственно до 1,3 и 1,1.
Влияние дендритной ликвации на свойства сталей и сплавов

Л.Д. Мошкевич, С.Ю. Орлова и А.Н. Курасов посредством применения ступенчатой высокотемпературной обработки добились значительного уменьшения карбидной ликвации в стали ХВГ. Известно, что в микроструктуре заэвтектоидной инструментальной стали марки ХВГ наблюдаются грубые первичные карбиды и значительная карбидная ликвация, связанные с химической микронеоднородностью первичной структуры, сохранившейся в процессе передела. В ликвационных участках в связи с повышенной концентрацией в них углерода и легирующих элементов при охлаждении и распаде аустенита образуется по границам зерен грубая карбидная сетка, резко снижающая механические и эксплуатационные свойства стали. Последующей термообработкой такую сетку полностью устранить не удается. Поэтому для снижения ее применяли ступенчатую гомогенизирующую обработку. Был исследован слиток стали ХВГ массой 2,8 т.
С помощью микроанализатора "Камека" определили степень дендритной ликвации вольфрама, марганца и хрома (рис. 78), а также изучили состав первичных и вторичных карбидов и кинетику их растворения. Предложенная на основании полученных данных ступенчатая гомогенизирующая обработка стали ХВГ позволила значительно уменьшить карбидную ликвацию и повысить прочностные характеристики металла.
Авторы работы разработали ступенчатый режим гомогенизации слитков стали 11Х18М (1160 °С, 2 ч + 1200 °С, 1,5 ч + 1220 °С, 1,5 ч + 1160 °С, 2 ч), обеспечивающий сфероидезацию эвтектических карбидов и снижение карбидной неоднородности на 1—2 балла в прутках сечением 9 и 16 мм. В результате гомогенизации температура плавления легкоплавких участков повышается на 30—40 °С, расширяется температурный интервал горячей пластичности от 1180 до 1220 С, повышается плотность стали на 0,21-0,63 %.
Многие высоколегированные стали, в Частности быстрорежущие, работают в сложных условиях, подвергаясь одновременно повышенным термическим и механическим воздействиям. Это влияет на изменение структурных и служебных характеристик стали. Весьма интересны в данном направлении результаты исследований В.В. Левитина и Л.K. Opжицкой по определению структурных изменений в процессе теплового разупрочнения быстрорежущих сталей. Рентгеновским и электронномикроскопическим методами измерен размер блоков, уровень внутренних напряжений и фазовый состав выделяющихся карбидных фаз в быстрорежущих сталях. На рис. 79 приведены результаты измерений параметров тонкой структуры для модельных систем и двух промышленных сталей. Опыты показали, что добавление хрома и вольфрама в три-четыре раза снижает величину блоков внутризеренной мозаики и увеличивает микроискажение при всех температурах испытания. Микротвердость при легировании хромом и вольфрамом увеличивается незначительно. Примечательно, что с увеличением содержания вольфрама с 5 до 8 % параметры тонкой структуры мало изменяются. При изменении значения периода решетки матрицы (а) следует учитывать наложение трех процессов: 1) монотонный рост (а) из-за теплового расширения при нагреве; 2) изменение периода кристаллической решетки в зависимости от легирования твердого раствора; 3) изменение периода решетки При выделении или растворении карбидных фаз.
Учитывая это, можно полагать, что резкий рост периода решетки матрицы для стали Х4Ф2 при 873 К обусловлен растворением части карбидов, а также обогащением матрицы углеродом и легирующими элементами вплоть до 973 К. В сталях с вольфрамом в интервале 773-863 К некоторое увеличение параметра кристаллической решетки связано с термическим расширением образца при нагреве. При 973 К в образцах стали Ф2, Р5Х4Ф2 происходит растворение карбидных частиц и обогащение матрицы легирующими. При этом период решетки резко возрастает.
Электронно-микроскопическое изучение образцов исследованных сплавов показало, что при содержании 4 % Cr после отпуска в интервале; 873-973 К, кроме частиц Me3C и MeС, происходят выделения карбидов Me7C3, которые не замедляют разупрочнения. Дополнительное легирование вольфрамом приводит к более интенсивному распаду матрицы и к появлению частиц карбида титана Me6C. Разупрочнение промышленных быстрорежущих сталей также происходит в интервале 873—973 К. В их тонкой структуре наряду с уменьшением микроискажений наблюдается почти неизменная величина блоков. Разупрочненное состояние быстрорежущих сталей P6M5 и Р6М5К5 характеризуется относительно небольшими блоками и микроискажениями в ферритной матрице.
С.И. Тишаев и Л.К. Оржицкая исследовали влияние легирующих элементов на тонкую структуру ферритной матрицы (размер блоков, плотность дислокаций), состав, форму и распределение карбидной фазы, а также взаимосвязь характеристик структуры с механическими свойствами штамповых сталей типа 5ХЗВ2МФС. Микроструктура исследованных сталей после отпуска характеризовалась относительно равномерным распределением дисперсных карбидов MeC и скоплениями более крупных частиц карбидов Me6C и Me23C6. Однозначной связи между пластичностью, ударной вязкостью, работоспособностью исследованных сталей после закалки и отпуска и параметрами тонкой структуры матрицы или карбидной фазы не обнаружено.
Карбидная микронеоднородность в виде строчек и сетки приводит к ярко выраженной анизотропии механических свойств стали. Она уменьшает сопротивление металла напряжениям скалывания и отрыва по плоскостям, параллельным направлению расположения карбидных включений. В табл. 17 приведены механические свойства стали Х12Ф1 в зависимости от характера расположения карбидов в прокатанных прутках диаметром 60 мм.
Эффективным средством повышения механических свойств сталей и стойкости изготовленных из них деталей является предварительная всесторонняя ковка заготовок с применением многократной осадки и протяжки, что приводит к значительному снижению карбидной неоднородности и равномерному распределению карбидов в структуре металла.
Влияние дендритной ликвации на свойства сталей и сплавов