книги из ГПНТБ / Микролегирование литых жаропрочных сталей
..pdfМИКРОЛЕГИРОВАНИЕ
|
ЛИТЫХ |
Vi ѵ |
\ , ЖАРОПРОЧНЫХ |
\атч |
СТАЛЕЙ л ,і ' |
АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНСКОЙ ССР ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ЛИТЬЯ
МИКРОЛЕГИРОВАНИЕ
ЛИТЫХ
ЖАРОПРОЧНЫХ
СТАЛЕЙ
ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКОВА ДУМКА» КИЕВ — 1974
6П3.1 М59
У Д К 621:74:569 14.018.44
Монография посвящена вопросам практиче ского использования метода мнкролегпроваиия редкоземельными металлами и бором жаропроч ных сталей с целью улучшения качества отливок и специальных свойств сталей. Исследовано влия ние микролегнрующнх добавок на технологиче ские, механические и специальные свойства стали. Получены данные о структуре, фазовом составе и распределении элементов основы в литой струк туре под влиянием микролегировання. Сформулиро ваны основные положения, объясняющие меха низм воздействия микролегнрующнх добавок.
Предназначена для научных и инженерно-тех нических работников, специализирующихся в об ласти металловедения литых сталей.
А в т о р ы: |
|
|
|
|
мМ.. иП.. ьрауБр н, пН.. пП.. ялексаноАлекс дрова. |
М 1 / |
я і / ) / |
/ |
|
Л. Д. Тихоновская, И. Г. Курдюмова |
~ У/f У/ f |
|
|
|
Рецензенты: |
Г о с . п у б л и ч н а я |
|
{ |
|
н а у ч н о - т е х н и ч л е ж а я |
' |
|||
д-р техн. наук Л. И. Лысак, |
б и б л и о т е к а С С С Р |
|
||
0 ' Г,?ЕГ4ПЛЯР |
|
|
||
кандидаты техн. наук |
^ ИТ/І ::і:_с‘"°.Л-АЛА |
|
||
.4. В. Черновол, В. П. Абрамове |
|
Редакция технической литературы
3122— 018 М Л1221(04)— 74 68—74
© Издательство «Паукова думка», 1974 г.
ВВЕДЕНИЕ
Одной из основных задач металлургии, как отмечено в Директивах XXIV съезда КПСС по пятилетнему плану развития народного хозяйства СССР на 1971—19/5 гг., является коренное улучшение качества металлопродук ции за счет внедрения прогрессивных способов производ ства металла, что существенно повысит эффективность
применения металла в народном хозяйстве.
Развитие электроэнергетики, нефтяной, газовой и хи мической промышленности и современные требования улучшения технико-экономических показателей работы оборудования ставят перед металловедами ^задачи повы шения технологических и специальных свойств сталей и сплавов, работающих в условиях воздействия высоких температур и агрессивных сред. Особенно актуальными являются задачи повышения качества литых сталей и
сплавов.
Общеизвестно, что использование литых сталей и сплавов по сравнению с деформированными имеет сле дующие технико-экономические преимущества:
возможность повышать жаропрочность путем комп лексного легирования, что для деформированных мате риалов затруднительно из-за требований пластичности; возможность получать сложную конфигурацию дета
лей без дополнительных операций; сокращение ковочного, прокатного и термического
оборудования; получение более высоких показателей выхода годного
металла и экономия дефицитных легирующих элементов. Вместе с тем для литых материалов характерны такие дефекты, как крупное и неоднородное зерно, развитая ликвация, неоднородность структуры и свойств по сече нию и, наконец, литейные пороки в виде рыхлот, порис тости, плен и т. д. Эти недостатки литых сталей и спла-
3
bob иногда приводят к тому, что металлурги машино строительных предприятий предпочитают литым метал лам штампованные и кованые, даже не выяснив возмож ность улучшения качества отливок, для чего необходимо проводить специальное исследование.
Результаты исследований свойств литых жаропроч ных сталей, проведенных авторами в Институте проблем литья АН УССР, позволяют сделать вывод, что примене ние таких прогрессивных методов, как комплексное ле гирование, комплексное раскисление и микролегирова ние стали поверхностно-активными добавками при вы плавке, центробежная заливка, обработка металла при
кристаллизации ультразвуком и других |
дает |
возмож |
||
ность значительно повысить качество отливок |
и улуч |
|||
шить свойства литого |
металла, а в |
некоторых |
случаях |
|
полностью избавиться |
от литейных |
пороков. |
При про |
|
мышленном использовании этих методов |
непременным |
условием является повышение культуры литейного про изводства на предприятиях.
В монографии использованы материалы исследова ния возможностей повышения качества отливок и спе циальных свойств литых жаропрочных сталей аустенит ного 1Х23Н18 (ЭИ417) и мартенситного Х17Н2 классов с помощью микролегирования редкоземельными метал лами (РЗМ) и бором, выполненного в отделе легиро вания сталей и сплавов Института проблем литья АН УССР в течение 1965—1970 гг.
Известно, что РЗМ, вводимые в сталь при выплавке, оказывают рафинирующее, модифицирующее и легирую щее воздействия. Рафинирующее действие выражается в способности РЗМ, благодаря их высокой активности по отношению к таким элементам, как кислород и сера, образовывать окислы и сульфиды относительно высокой тугоплавкости, поглощать значительные количества во дорода с образованием гидридов, тем самым очищая металл от вредных примесей и газов, когда создаются условия для удаления продуктов взаимодействия РЗМ. Модифицирующее воздействие выражается в измельче нии дендритной структуры стали при кристаллизации, в уменьшении величины зерна и в увеличении степени дис персности кристаллизующихся фаз. Легирующее воздей ствие сказывается в способности малых добавок упроч нять основной твердый раствор, образовывать новые фа-
4
зы с элементами основы, влиять на степень легирован ное™ структурных элементов, изменять дислокационное строение металла.
Перечисленные типы воздействий неразрывно связа ны между собой, логически вытекают каждый из преды дущего и в той или иной мере влияют на технологиче ские, механические и физико-химические свойства стали. Степень каждого типа воздействия зависит от величины добавки, режима введения, исходного металла и целого ряда других факторов.
Опыт показывает, что при введении РЗМ в количест вах до 0,15—0,20% (по расчету) преобладают рафини рующие и модифицирующие воздействия. Начиная с этих количеств, наиболее ярко проявляется воздействие РЗМ как легирующих элементов. Все же авторам пред ставляется, что рафинирование и модифицирование — это в большей мере частные понятия, являющиеся сто ронами более общего и глубокого явления — микролеги рования. Только всестороннее исследование именно ле гирующего воздействия микродобавок даст объяснение тем существенным изменениям специальных свойств сталей, которые имеют место, например, при введении малых добавок РЗМ и бора в жаропрочные сплавы. К тому же микролегирующие воздействия этих элемен тов на структуру и свойства литых сталей изучены зна чительно меньше, чем рафинирующее и модифицирую щее. Поэтому в настоящей работе основное внимание уделено исследованию механизма микролегирования РЗМ и бором литых жаропрочных сталей.
Глава I
РАФИНИРУЮЩЕЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ МАЛЫХ ДОБАВОК РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ И БОРА. ИЗМЕНЕНИЕ ЛИТЕЙНЫХ СВОЙСТВ СТАЛЕЙ Х17Н2
И1Х23Н18 ПРИ МИКРОЛЕГИРОВАНИИ
1.Характеристика исследуемых сталей
Сталь феррито-мартенситного класса Х17Н2 (С = 0,Нч- н-0,17; Mn<0,8; Si<0,6; Сг=16-И8; №=1,5-ь2,5; Ssg; s^0,025; Р^0,03% ) находит широкое применение как высокопрочная в котлотурбостроительной, химической и пищевой промышленности [199]. Эта сталь использует ся для деталей, работающих в условиях влажной среды при температурах 300ч-400°С, а также лопаток осевых компрессоров газовых турбин и деталей крепления, ра ботающих при температурах до 450° С. Сталь типа Х17Н2 в крупных сечениях обладает большой анизотро пией механических свойств. Последнее связано с тем, что в результате ликвации отдельные объемы металла имеют разный химический состав и, следовательно, структурную неоднородность. В зависимости от колеба ний химического состава структура стали будет либо мартенсито-ферритной, либо мартенсито-ферритной + + аустенитной. Высокотемпературная модификация же леза (6-железо) всегда присутствует в стали Х17Н2. На личие ее так же, как и остаточного аустенита, нежела тельно, так как они вызывают анизотропию свойств. Кроме того, наличие 6-феррита затрудняет проведение горячей механической обработки и вызывает появление рванин и трещин. Количество структурно-свободного феррита определяется, в основном, содержанием хрома и углерода, а также скоростью охлаждения стали.
Основной фазой стали Х17Н2 является мартенсит, который получается при любой скорости охлаждения от температуры нагрева под закалку. Фазовые напряжения, возникающие при термической обработке, являются при чиной появления трещин при резком охлаждении стали. Мартенсит закаленной стали характеризуется опреде ленной степенью тетрагоналы-юсти, исчезающей после отпуска при низких температурах (до 300°С). Полный
6
•распад мартенсита происходит при температурах отпус
ка 500—600° С. Карбидная фаза образуется |
в области |
температур 400—500° С. Высокодисперсная |
карбидная |
(фаза обусловливает появление хрупкости и |
ухудшение |
коррозионной стойкости [102]. Поэтому обычно отпуск ■стали Х17Н2 производят при температурах ниже или вы ше области вторичного упрочнения, в зависимости от требуемой твердости.
Сталь Х17Н2 обычно закаливают от температуры, примерно равной 1000° С. При более высоких темпера турах закалки в стали сохраняется много остаточного
•аустенита и структурно-свободного феррита. При темпе ратуре около 1000° С в достаточной степени полно про исходит процесс гомогенизации аустенита и растворения в нем карбидной фазы (Сг23Сб). Эта сталь имеет относи тельно высокую прочность и достаточную пластичность и по механическим свойствам, в основном удовлетворя ет предъявляемые к ней требования. Теплопровод ность стали, так же как и электросопротивление, снижа ется с увеличением содержания хрома. Однако электро сопротивление стали в пять-шесть раз выше, чем средне углеродистой стали.
Критические точки стали Х17Н2 вследствие колеба ний в химическом составе могут находиться в пределах:
Ас —600—650° С; А,»— 800—900° С.
Для повышения технологичности и коррозионной стойкости сталь Х17Н2 дополнительно легируют различ ными элементами. Легирующие элементы выбираются в зависимости от предъявляемых требований к изделиям. Так, для увеличения коррозионной стойкости во влаж ной среде легируют молибденом и медью, для улучше ния стойкости против окисления при высоких температу рах — кремнием и алюминием.
Основным недостатком дополнительного легирова ния стали Х17Н2 является то, что одновременно с улуч шением некоторых ее свойств, например, коррозионной стойкости, происходит ухудшение технологичности. В связи с этим был избран другой путь улучшения каче ства стали Х17Н2 — микролегирование РЗМ и бором. Исследование влияния РЗМ и бора тем более представ ляет интерес, так как в литературе почти отсутствуют
соответствующие данные по классу феррито-мартенсит ных сталей.
7
Исследование проводилось применительно к фасон ным отливкам из стгли Х17Н2, а именно— направляю щим лопаткам турбин, работающих при 300—400° С во влажной атмосфере, содержащей ионы хлора. Заливка лопаток осуществляется в горячие керамические формы.
Всвязи со спецификой работы и получения лопаток
кстали предъявляются следующие требования: высокая технологичность и чистота по неметаллическим включе ниям и газам, способность противостоять коррозии во влажной среде, содержащей ионы хлора, хорошее соче тание свойств прочности и пластичности, а также одно родность свойств по сечению отливки.
Аустенитная сталь 1Х23Н18 (ЭИ417), благодаря со четанию высокой стойкости против окисления при высо ких температурах и удовлетворительной жаропрочности, широко применяется в машиностроении в качестве жаро прочного материала для жаровых труб и сопловых аппаратов [200]. Стали типа 1Х23Н18 имеют более вы сокое сопротивление ползучести, длительную прочность при более высоких температурах, чем высоколегирован ные хромистые стали с ферритной или перлитной струк турой. Однако способность свариваться у этих сталей хуже, чем у сталей типа Х18Н9.
Сталь 1Х23Н18 относится к группе сталей с карбид ным упрочнением. Основной предпосылкой для достиже ния максимальной жаропрочности в этом случае явля ется возможность создания пересыщенного твердого раствора и последующих условий для его распада с вы сокодисперсным выделением избыточной карбидной фа зы типа СгозСб. Поэтому эта сталь применяется после
закалки ог температуры, примерно равной 1100° С, в воде или на воздухе с последующим старением или без него. От режима термической обработки и величины зер на аустенита в сильной степени зависят характеристики длительной прочности, сопротивления ползучести и, осо бенно, пластичность. Стали с крупнозернистой структу рой, закаленные от более высоких температур, имеют несколько большую длительную прочность, однако их пластичность снижается с увеличением продолжитель ности испытания. Сопротивление теплосменам у мелко зернистых сталей выше, чем у крупнозернистых.
Отрицательно воздействует на жаропрочиостные ха рактеристики разнозернистость стали. Если в структуре
8
стали наряду с мелким зерном присутствует крупное, то вследствие воздействия напряжений при высоких тем пературах на крупнозернистые участки, как на менее пла стичные, накладываются большие напряжения, что при водит к быстрому растрескиванию по границам зерен. Изделия, имеющие однородную структуру, работают бо лее длительное время. Отсутствие постоянства свойств и пониженная жаропрочность — недостатки, типичные для разнозернистого материала.
Свойства стали 1Х23Н18 исследовались применитель но к литым сопловым лопаткам III, IV, V и VI ступеней газотурбинных двигателей. Изделия изготавливались методом литья по выплавляемым моделям. Заливка осу ществляется непосредственно из порционной печи или из ковша в керамическую форму, нагретую примерно до 900° С. Отливки имеют сложную конфигурацию и закал ка приводит к короблению изделий. В литом состоянии структура стали характеризуется крупнозернистостью и наличием разнозернистости, неравномерным распреде лением карбидной фазы, низкими значениями длитель ной прочности и сопротивления термоусталости. Кон троль качества отливок выявляет повышенный брак по литейным порокам в виде рыхлот и пористости. Неодно родность структуры и наличие литейных дефектов отри цательно сказываются на свариваемости литой стали.
В связи с этим целесообразно методом микролегиро вания РЗМ и бором получить в литом состоянии опти мальное сочетание физико-механических свойств и каче ства отливок. Имеющиеся в литературе данные о влия нии РЗМ и бора на структуру и свойства стали типа Х23Н18 в большинстве своем относятся к деформирован ным сталям. Кроме того, причиной, побудившей прово дить исследование с установлением оптимального коли чества добавки РЗМ и бора, а не использовать имеющие ся рекомендации по этому вопросу, явилось предположе ние, которое было подтверждено результатами последу ющего исследования, о том, что эффект воздействия микролегирующих добавок в сильной степени зависит от условий кристаллизации стали. В данном случае необ ходимо было учитывать специфику условий кристаллиза ции стали, залитой в горячие формы.
Большой интерес представляло также исследование влияния комплексной добавки РЗМ и бора, посколь-
9