Модифицирование мартенситной стали редкоземельными металлами

Мартенситную сталь Х17Н2 выплавляли в индукционной печи емкостью тигля до 50 кг. Перед вводом модификаторов сталь раскисляли 0,3% Мп; 0,06% Са и 0,08% А1. В качестве модификаторов была взята цериевая подгруппа редкоземельных металлов (РЗМ) — церий, лантан, неодим, а также их совместная лигатура-мишметалл. Расчетные количества РЗМ составляли 0,15; 0,30 и 0,45%, а остаточные содержания их в стали не превышали 0,025% и находились в пределах 0,018—0,025%.

Как показало металлографическое исследование, структура стали Х17Н2 после обычной термической обработки — нагрева под закалку от 990° и высокого отпуска при 710° С — состоит из мартенсита отпуска, структурно-свободного феррита и карбидов.

На рис. 1, а, б представлены структуры стали, модифицированной РЗМ. Анализ структур показывает, что РЗМ влияют на фазовые составляющие стали, форму, количество структурно-свободного феррита и распределение карбидной фазы.

Структурно-свободный феррит немодифицированной стали имеет форму полос, которые представляют собой довольно большие прослойки между границами бывших аустенитных зерен. Содержание его в стали составляет ~ 10—12%. При модифицировании стали РЗМ структурно-свободный феррит приобретает форму разрозненных участков небольшой протяженности по граничной поверхности бывших аустенитных кристаллов. Количество 6-феррита в стали с РЗМ уменьшается почти в 2 раза и составляет ~ 4—6%. Влияние всех РЗМ и их лигатуры на количество и форму структурно-свободного феррита аналогичное.

Границы 6-феррита (см. рис. 1, а, б) являются местами предпочтительного выделения карбидов. Вследствие незначительной протяженности 6-феррита в модифицированной стали наблюдается наименьшее выделение карбидов (см. рис. 1,6), в то время как и немодифицированной стали по границам 8-феррита карбиды выделяются сплошными цепочками.

Электронномикроскопические исследования отпущенных образцом модифицированной стали отчетливо показывают перераспределение карбидной фазы.

На рис. 2 и 3 приведены электронномикроскопические снимки стали Х17Н2 без добавок и с добавками РЗМ. Анализ структур показывает, что как церий, лантан, так и их совместная лигатура — мишметалл влияют идентично на форму и распределение карбидов. Несколько отличное влияние оказывает неодним (рис. 3, б). Форма карбидов в случае модифицирования стали неодимом более равноосная и характеризуется несколько меньшей величиной.

Карбиды немодифицированной стали имеют преимущественно вытянутую форму относительно большой протяженности вдоль границы б-феррита.

Изучение состава карбидной фазы рентгенографическим и химическим методами показало, что как в немодифицированной, так и в модифицированной РЗМ сталях наблюдаются два типа карбида: кубический карбид хрома Сг₂₃С₆ с параметром решетки 0,64 А и тригональный карбид хрома Сг₇С₃ с параметрами решетки а=13,92А, с=4,323А. Вследствие модифицирования стали РЗМ состав карбидной фазы меняется. Данные химического состава карбидной фазы стали Х17Н2 представлены в таблице.

Данные таблицы показывают, что при модифицировании стали РЗМ происходит увеличение содержания хрома и марганца. Карбидный осадок стали Х17Н2, модифицированной церием, имеет хрома и марганца приблизительно на 30% больше, чем немодифи-цированная сталь. Содержание железа и никеля в карбидной фазе при модифицировании остается неизменным.

Редкоземельные металлы, обладая относительно большой рас-кислительной способностью, будут освобождать хром, марганец и частично железо от кислорода и серы, переводя их в раствор. В дальнейшем при соответствующих условиях, высокотемпературном отпуске (710° С), хром и марганец будут выделяться в составе карбидной фазы, обогащая кубический карбид Сг₂₃С₆ и тригональный карбид Сг₇С₃.

Результаты металлографического, электронномикроскопического и карбидного анализов позволяют предполагать, что модифицирование стали РЗМ должно улучшить коррозионную стойкость стали Х17Н2, особенно в среде, содержащей ионы хлора, которые способствуют развитию питтинговой коррозии.

Испытания проводили в камере влажности Г-4, создающей условия, близкие к работе деталей в морской воде в течение полугода, после чего образцы извлекали из камеры. Поверхность образцов подвергали визуальному осмотру, при котором фиксировали появление и рост коррозионных пятен. Наблюдение за протеканием коррозии в образцах исследуемых сталей показало, что коррозионные пятна в немодифицированной стали появляются после 720 час, и уже при 2160—2880 час количество коррозионных пятен настолько увеличилось, что образец приходилось снимать с испытаний.

Образцы же стали, модифицированной редкоземельными металлами, простояли 4320 час и были сняты с испытаний без коррозии.

Анализ данных коррозионных испытаний показывает, что все РЗМ повышают устойчивость стали Х17Н2 против питтинговой коррозии. Поверхность снятых с испытаний образцов чистая и характеризуется отсутствием коррозионных пятен. РЗМ повышают коррозионную стойкость стали в условиях опыта более чем на 50%.

Изучение прочностных и пластических характеристик модифицированной стали проводили при температурах 20 и 500° С. Данные механических испытаний представлены на рис. 4 и 5.

При анализе данных изменения прочности и пластичности модифицированной стали при 20° С выяснили, что все РЗМ, и особенно неодим, повышают прочностные характеристики стали. Так, церий, лантан и мишметалл повышают предел прочности на 10— 12% и предел текучести — на 12—20%. Неодим же повышает предел прочности стали на 18% и предел текучести — на 20—30%. Изменение претерпевает и ударная вязкость, которая при модифицировании стали РЗМ увеличивается в 1,5—2 раза. Относительное удлинение и сужение существенно не изменяются и остаются на уровне значений немодифицированной стали.

Исследование механических свойств стали Х17Н2 при 500°С без добавок (см. рис. 5) показывает, что пластичность стали сильно падает, снижаясь почти в 2 раза. Модифицирование стали РЗМ и мишметаллом способствует сохранению более высокого уровня пластичности при температуре 500° С. Пластические характеристики модифицированной стали, например относительное сужение, на 18—20% выше, чем у немодифицированной. Прочностные характеристики как модифицированной, так и немодифицированной сталей существенно не изменяются при 500° С. Значение прочности модифицированной и немодифицированной сталей при 500° С сохраняются на уровне значений прочности при 20° С.

Таким образом, РЗМ — церий, лантан, и особенно неодим — существенно повышают свойства мартенситной стали Х17Н2.