Влияние малых добавок бора, кальция и церия на структуру и свойства литой стали ЗХ17Н23В6Б (ЦЖ-13)

Применение малых добавок бора, щелочных и щелочноземельных металлов — одно из эффективных средств улучшения качества отливок и повышения свойств металла. В ряде работ отмечено повышение характеристик пластичности и вязкости стали без снижения характеристик прочности при введении в них микролегирующих элементов. Известно], что бор, введенный в сталь в малых количествах, положительно влияет на длительную прочность и характеристики пластичности при высоких температурах.

Однако физико-химическая сущность процесса влияния малых добавок редкоземельных металлов (РЗМ) и бора на разнообразные свойства сплавов полностью не выявлена; это связано как со сложностью состава сплавов, так и с влиянием других факторов (методом ввода добавок, скоростью охлаждения отливки, состоянием границ зерен и т. д.). Кроме того, зависимость свойств сплавов от добавок редкоземельных элементов (РЗЭ) и бора имеет выраженный максимум.

В связи с вышесказанным необходимо экспериментально исследовать влияние микролегирующих добавок на свойства сплавов и определить оптимальное количество добавок.

В настоящей работе изучали влияние церия, кальция и бора на свойства жаропрочной аустенитной стали ЗХ17Н23В6Б (ЦЖ-13), предназначенной для изделий типа турбинных лопаток, заливаемых по методу литья по выплавляемым моделям. Количество добавок, введенных в металл, и химический состав стали представлены в таблице.

Сталь ЦЖ-13 относится к группе сталей с карбидным упрочнением, которое осуществляется за счет выпадения из твердого раствора сложных карбидов типа Ме₂₃С₆. Повышение свойств стали этого типа достигается комплексным легированием хромом, вольфрамом, ниобием. Литая сталь в связи с наличием большого количества легирующих элементов отличается резко выраженной гетерогенностью структуры, разнозернистостью, наличием рыхлот, пустот, разбросанных усадочных раковин, образовавшихся в процессе кристаллизации. Для отливок сложной конфигурации типа лопаток характерно более четкое проявление этих недостатков.

С целью устранения некоторых литейных дефектов и повышения качества изделий металл обрабатывали силикокальцием, ферросилицием и никельбористой лигатурой. Добавки вводили после раскисления за 2—3 мин до разливки металла; перед разливкой снимали шлак.

Макроструктура стали ЦЖ-13 без микролегирующих добавок отличается крупным транскристаллитным строением. Ни один из опробованных режимом микролегирования не позволяет полностью устранить зону столбчатых кристаллитов, а лишь ограничивает ее развитие. Заслуживает внимания существенное уменьшение зоны транскристаллизации и измельчение кристаллитов при совместной добавке 0,005% В и 0,15% Се.

Для изучения структуры и распределения неметаллических включений использовали образцы, вырезанные из клиновидной пробы, размеры которой соответствуют размерам лопатки в поперечном сечении. В образце стали без добавок замечена загрязненность преимущественно силикатами сложной формы, окислами и пленами. Введение в металл церия предотвращает образование силикатных включений и плен. Аналогичное рафинирующее действие отмечается и при обработке металла силикокальцием.

Данные газового анализа позволяют сделать заключение о том, что добавки кальция существенно понижают содержание окисных включений, а бора и церия — окисных и нитридных. Наиболее рациональной с точки зрения уменьшения загрязненности металла включениями является комплексная обработка его силикокальцием, бором и церием. Структуру изучали в литом состоянии и после термической обработки, состоящей из закалки от температуры 1200° С и отпуска при 800° С в течение 10 час.

В структуре стали без микролегирующих добавок в литом состоянии наблюдается выпадение первичной карбидной фазы по межосным и междендритным участкам в виде ледебуритной эвтектики. Весьма вероятно, что в смеси с карбидами находятся сульфидные, нитридные, кислородные включения, так как элементы, составляющие их, оттесняются в процессе кристаллизации в межосные и междендритные пространства. С введением 0,05 — 0,1% Се количество участков ледебуритного строения уменьшается, происходит обособление отдельных частиц карбидов. Церий способствует устранению дендритной неоднородности, уменьшая степень локализации ликвирующих элементов — серы, углерода, азота, хрома.

Влияние добавок бора на структуру стали ЦЖ-13 наиболее четко проявляется в изменении размера зерна: при увеличении бора до 0,1% размер аустенитного зерна уменьшается, а затем снова увеличивается. Вместе с тем степень дендритной неоднородности уменьшается, карбидные частицы распределяются более равномерно по объему зерна. При введении малых добавок бора происходит ускорение дисперсионного твердения за счет выпадения вторичных карбидов типа Ме₂₃С₆.

В структуре стали ЦЖ-13Л при содержании 0,01% В у границ зерен обнаружены частицы белой нетравящейся фазы, количество которых увеличивается по мере увеличения добавок бора. Возможность образования боридов у границ зерен даже при малой общей концентрации его в стали (~0,02%) связана с тем, что бор незначительно растворяется в твердом растворе на основе железа.

Микроструктура стали с добавкой 0,05% Са почти не отличается от исходной. При увеличении кальция до 0,2% наблюдается уменьшение гетерогенности структуры. Имеющиеся данные по влиянию совместных добавок РЗМ и бора [7] позволяют считать совместное введение весьма перспективным. Так, при совместном введении в расчетных количествах 0,007% В и 0,16% Се в аустенитную сталь ЭИ417 значительно увеличилось время до разрушения. В настоящем исследовании в сталь ЦЖ-13 вводили бор и церий в следующих количествах: 0,15% Се + 0,005% В, 0,18% С + 0,008% В. Микроструктура стали, микролегированной совместными добавками церия и бора, отличается большей однородностью по сравнению с исходной, первичные и вторичные выделения карбидов распределены более равномерно (рис. 1, а, б).

Для изучения механических свойств стали выбрали образцы с оптимальными с точки зрения литейных свойств трещинопора-жаемости и структуры количествами микролегирующих добавок. При всех вариантах микролегирования стали свойства — предел прочности и предел текучести — примерно одинаковы, но выше, чем у стали без добавок, свойства которой оговорены техническими условиями (рис. 2).

Отличие наблюдается в пластических характеристиках. Сравнительно высокой пластичностью обладает металл, микролегированный 0,005% В; с увеличением количества бора, введенного в сталь, пластические характеристики снижаются. То же можно сказать и об ударной вязкости (рис. 3, а). Снижение ударной вязкости связано, по-видимому, с выпадением по границам зерен боридной фазы. При легировании бором происходит торможение боридами вязкого скольжения вдоль границ зерен. Однако снижение пластичности при комнатной температуре не может в полной мере характеризовать поведение металла при испытаниях в области высоких температур. Повышение длительной прочности связано в первую очередь с повышением прочности границ зерен, поэтому влияние бора на свойства сталей наиболее существенно выявляется при высоких температурах.

С введением кальция в сталь ударная вязкость и механические свойства почти не изменяются (рис. 3, б). При микролегировании стали церием ударная вязкость несколько снижается с увеличением добавки церия, однако во всех случаях остается выше уровня, определенного техническими условиями для стали ЦЖ-13Л без добавок (рис. 3, в). Этот уровень отмечен на рисунках пунктирной линией.

При совместной добавке церия и бора повышается ударная вязкость, прочностные свойства почти одинаковы, а пластические— выше, чем у стали, микролегированной 0,15% Се.

По результатам исследований можно рекомендовать для комплексного улучшения литейных и механических свойств стали ЦЖ-13 совместную добавку 0,1% Са, 0,15% Се, 0,005% В, что наряду с применением ряда технологических мероприятий при заливке позволяет получать удовлетворительные по качеству отливки сложной конфигурации типа лопаток для турбин.