Влияние церия и циркония на формирование структуры излома литой стали

Вид излома как критерий качества стали давно признан практикой и широко используется в производственных условиях. Излом применяется как одно из средств научного исследования.

Важной характеристикой излома является его оценка по волокну. В зависимости от различных факторов он может быть волокнистым, кристаллическим, волокнистым с наличием кристаллических участков или кристаллической сыпи. Деление на волокнистую и кристаллическую составляющую является весьма приближенным, так как излому с макроскопически одинаковым строением может соответствовать различный микрорельеф и различная работа образования излома.

Обычно предполагается, что волокнистый излом свидетельствует о большой ударной работе и высоких пластических свойствах стали, тогда как кристаллический излом является результатом хрупкого разрушения. Кристаллический излом характеризуется наличием отдельных, легко различимых блестящих фасеток, дающих в совокупности светлый блестящий фон без заметных признаков деформации образца по месту излома.

При одинаковых условиях нагружения причина появления кристаллического излома в литой стали после улучшения может быть металлургического и структурного происхождения. В первом случае следует понимать влияние на вид излома состава стали, технологии ее выплавки, раскисления, модифицирования или микролегирования, а во втором — проявление структурной наследственности, в основе которой лежит ориентационное соответствие при фазовых превращениях, обусловливающее наличие и устойчивость внутризеренной текстуры

В статье изложены результаты исследования микродобавок церия и циркония с целью улучшения вида излома по волокну закаленной стали после отпуска. Предпосылкой для работы послужили публикации последних лет [1—6], посвященные вопросу влияния редкоземельных металлов на структуру стали, в которых показано, что церий воздействует на процесс кристаллизации стали, улучшает макроструктуру отливки за счет уменьшения неоднородности по ее сечению, повышает пластические и вязкие свойства. Раскисление стали церием ведет к снижению ее хладноломкости. Аналогичное действие на сталь оказывает цирконий.

Материалом для исследования послужили слитки из стали 30ХГСМ сечением 200 X 200 мм и высотой 1200 мм, отлитые в земляные формы. Металл выплавляли в основной электропечи, сталь раскисляли в ковше алюминием из расчета 0,5 кг/т. Присадку добавок осуществляли фракционным способом в струю металла во время заполнения формы. Церий добавляли в количестве 0,8—1,05 кг/т, а цирконий — 1,60—1,70 кг/т.

Для термической обработки слитков выбраны два режима, которые отличались тем, что по варианту I предусматривались операции: гомогенизация, изотермический отжиг, закалка и отпуск; по варианту 2 гомогенизация отсутствовала. Таким образом, предполагалось проверить возможность упрощения режимов обработки путем исключения гомогенизации за счет улучшения структуры отливок в состоянии после литья, благодаря микролегированию стали. Влияние микродобавок на формирование структуры стали и ее свойств изучали в состоянии после литья изотермического отжига и закалки. Структуру стали контролировали изломом. Окончательную оценку излома по волокну проводили после полной термической обработки. Для этой цели излом стали основного состава, обработанного по варианту 1, оценили двумя баллами по волокну и с ним сравнивали изломы остальных отливок.

Поломка отливок в состоянии после литья показала, что изломы имеют кристаллическое строение (рис. 1).

Рис. 1. Вид излома в состоянии после литья.

Отличительной их особенностью является различная степень неоднородности величины первичного зерна. Добавки церия и циркония увеличили однородность излома в сечении слитка по величине зерна, они стали мельче. Однако первичная структура, выявляемая на макро-темплете не претерпела изменений, несколько уменьшилась зона столбчатых дендритов (на 2—4 мм). Отпечатки по Бауману показали, что добавка церия сильно повлияла на распределение серы по сечению отливок (рис. 2, а, б).

Наружная зона значительно очистилась от сульфидных включений, в центральной части сульфидные включения расположились, по-видимому, в междуосных пространствах дендритов (см. рис. 2,6). Цирконий существенно повлиял на дисперсность включений, которые равномерно распределились по сечению отливок (рис. 2, в). Вид сульфидных включений в стали основного состава и изменение их формы после добавки церия и циркония показаны на рис. 3, а, б, в. Эти наблюдения подтвердили данные, ранее приведенные в литературе.

Независимо от варианта термической обработки отливок изломы их после изотермического отжига в основном отличаются характером узорных линий разрушения. Однако исключением является излом отливки из стали основного состава (обработанный по варианту 2), в которой сохранилась текстурованность исходного крупного зерна. Она выявляется по селективному блеску.

Наиболее ярко различие в структуре излома в связи с металлургической природой стали проявляется в закаленной отливке. По виду разрушения можно условно разграничить излом на две области: периферийную, имеющую фарфоровидное строение,

и центральную, которая характеризуется более хрупким видом излома (кристаллической сыпью). При этом площадь излома, занятая кристаллической сыпью, зависит от состава стали и варианта термической обработки: минимальная площадь в отливке с церием, обработанной по варианту 1, максимальная — в отливке из стали основного состава, обработанной по варианту 2.

Результаты оценки излома по волокну после полной термической обработки приведены в таблице.

Так же как и в предыдущем случае, минимальное количество кристаллической составляющей оказалось в изломе отливки с церием, обработанной по варианту 1. Остальные изломы, кроме пробы из стали основного состава, обработанной по варианту без гомогенизации и имеющей после изотермического отжига текстурованный излом, получили одинаковую оценку. Проведенные наблюдения указывают, что путем микролегирования стали церием, в первую очередь и цирконием можно сократить режим термической обработки без ущерба качеству излома. Этот вывод подкрепили результатами механических испытаний, которые не показали ухудшения прочностных свойств стали при упрощенном режиме обработки. Было получено, что церий в обоих случаях снижает хладноломкость стали, а цирконий сохраняет ее на уровне стали основного состава, обработанной с применением гомогенизации.

Задача исправления структуры излома литой стали сводится к разрушению внутризеренной текстуры крупного зерна. Одним из способов ее разрушения является гомогенизация, которая позволяет устранить химическую неоднородность стали и разрушить текстурованность первичного зерна аустенита.

В нашем случае такие же результаты были получены при термической обработке без гомогенизации за счет микролегирования. Объяснение этому можно найти в следующем. Как отмечалось выше, добавки церия и циркония измельчают литое зерно. Измельчение его оказывает положительное влияние на свойства стали, понижая ее склонность к хрупкому разрушению. Однако этого условия недостаточно. Примером может служить такой опыт. Добавками в эту же сталь магния измельчали литое зерно, но после термической обработки без гомогенизации отливки имели хрупкий излом.

Получение волокнистого или кристаллического излома связано с кинетикой превращения переохлажденного аустенита. В легированной стали при наличии дендритной и зональной ликвации при закалке в отдельных участках может не произойти полного превращения аустенита в мартенсит. Наличие диффузионных структур и остаточного аустенита — один из наиболее серьезных факторов, затрудняющих получение «волокна» при обработке отливок.

С помощью электронного микрозонда было проверено влияние добавок церия и циркония на дендритную ликвацию марганца. По литературным данным, марганец хотя и слабо ликвирует, но для его выравнивания в железных сплавах требуется длительная гомогенизация. Поэтому очень важно знать поведение марганца в структуре стали. Для этого вырезали образцы из слитков на ⅓ толщины в состоянии после литья. Произведенные электронным микрозондом анализы позволили определить индекс ликвации I_e, т. е. отношение максимума концентрации С_M к ее минимуму С_m.

На рис. 4 приводятся примеры профиля ликвации марганца. Данные расчета индекса ликвации сведены в таблице.

Следует отметить, что содержание марганца в слитках по данным химического анализа колеблется в пределах ошибки определения и равно 1,36%.

Как следует из данных таблицы, добавки церия и циркония уменьшают ликвацию марганца.

Таким образом, на основании полученных данных, можно предположить, что с уменьшением в исходной структуре дендритной ликвации марганца уменьшается вероятность появления структур, приводящих к хрупкому виду разрушения.

Выводы

1. Микролегирование стали церием и цирконием измельчает первичное зерно аустенита, повышает однородность зернистой структуры стали по сечению отливки.


2. Добавки церия и циркония уменьшают дендритную ликвацию марганца.


3. Уменьшение химической неоднородности стали путем добавки церия и циркония позволяет сократить режим термической обработки изделий за счет исключения гомогенизации.


4. Проведенные исследования выполнены на ограниченном материале, а поэтому целесообразно продолжить изучение на большем количестве материала.