Исследование химической неоднородности по никелю и хрому в структуре мартенситно-стареющей стали Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 669.15'.24'.26'-194.55:669.017.3:621.78

ИССЛЕДОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ ПО НИКЕЛЮ И ХРОМУ В СТРУКТУРЕ МАРТЕНСИТНО-СТАРЕЮЩЕЙ СТАЛИ

МАХНЕВА Т.М.

Институт механики УрО РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т.Барамзиной, 34

АННОТАЦИЯ. Представлены результаты исследования химической неоднородности структуры ликвационного аустенита в мартенситно-стареющей стали. Показано влияние режимов отжига в двухфазной (а+у)-области на перераспределение никеля и хрома.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: мартенситно-стареющая сталь, рентгеноспектральный микроанализ, отжиг, аустенит, ликвация, неоднородность, микроструктура.

ВВЕДЕНИЕ

Однородность свойств металла, определяющих качество продукции, прежде всего, достигается обеспечением химической и структурной однородности слитка. Все формы химической и структурной неоднородности в большей или в меньшей степени связаны с дендритной ликвацией. Несмотря на использование в качественной металлургии специальных методов очистки и выравнивания состава (ЭШП, ВДП, ЭЛП, ПДП, ВИП, направленная кристаллизация, электромагнитное перемешивание и др.), химическую неоднородность исключить практически нельзя. Поэтому в каждом конкретном случае, и в частности в высоколегированных сталях, кроме оценки, необходимо искать способы снижения её влияния [1].

Опыт изготовления крупногабаритных полуфабрикатов из стали 08Х15Н5Д2Т, имеющих небольшую величину укова, показал, что в их структуре очень часто имеется ликвационный аустенит (ЛА) в виде полос как результат дендритной ликвация никеля во время кристаллизации. Ликвационный аустенит, являясь аккумулятором водорода, охрупчивает металл и, при прочих равных условиях, обладает меньшей пластичностью и вязкостью, чем металл, находящийся вне ликвационных участков. Несмотря на многократные весьма высокие нагревы под деформацию (до 1200 оС) и деформацию с уковом до 3 достичь гомогенного аустенита часто не удается [2].

Представляло интерес оценить неоднородность структуры исследуемой стали 08Х15Н5Д2Т по никелю и хрому, установить влияние режимов предварительной термической обработки, используемых при производстве крупногабаритных полуфабрикатов, на степень неоднородности.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Микрошлифы с ликвационным аустенитом готовили из образцов после горячей штамповки -I и после термической обработки по режимам: закалка с 1000 оС - II, отжиги при субкритических температурах 490, 520 и 550 оС с выдержкой 20 ч - III; отжиг в двухфазной (а+у) -области при температуре 650 оС (6 ч) - IV; двойной отжиг при температуре 650 оС (6 ч) с последующей закалкой с 1000 оС - V. Для выявления контуров аустенитных полей поверхность микрошлифов была слабо протравлена в растворе щавелевой кислоты.

Исследование проводили на микроанализаторе фирмы '7ео1", имеющего диаметр зонда 1 мкм в режиме непрерывной записи интенсивности рентгеновской линии никеля, хрома и по точкам. В качестве эталонов использовали чистые металлы.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Высокопрочная коррозионностойкая сталь 08Х15Н5Д2Т относится к классу мартенситно-стареющих (МС). Высокий комплекс свойств этой стали формируется при термической обработке, которая по сравнению с классическим "maregmg steеls" сложна и состоит из неоднократных предварительных отжигов в двухфазной (а+у)-области и окончательной термоупрочняющей обработки. Упрочнение до 1500 МПА достигается старением в интервале 400^500 оС за счет дисперсионного твердения [3-5]. Структура исследуемой стали, как известно [2, 5], - реечный мартенсит с небольшим количеством остаточного аустенита (уост до 10 %).

На рис. 1 и 2 представлены наиболее характерные спектры распределения никеля после горячей деформации, полученные при непрерывном движении образца на участке в 100 мкм, которые свидетельствуют о заметной ликвации никеля (№) в аустените. По мере удаления от центра ликвационного поля к его границе концентрация никеля плавно снижается.

а б

Рис. 1. Распределение никеля и хрома в структуре стали 08Х15Н5Д2Т после горячей деформации в зоне с ликвационной аустенитом (а) и без него (б), х450

и т с о

К .8

5 ^

о ^

л ^

г*

О

н

д

о е н ь н е п е т

С

ш

I

п

V

1,5

1,0

0,5

I - после горячей штамповки; II - после закалки с 1000 оС; III - после отжигов при температурах 490-550 оС; IV - после однократного отжига при температуре 650 оС в течение 6 ч; V - после двойного отжига при 650 оС (6 ч) и последующей закалкой с 1000 оС

Рис. 2. Влияние режима термической обработки на степень неоднородности структуры ликвационных зон по никелю в стали 08Х15Н5Д2Т (диаграмма)

Различие в концентрации никеля (М) в ликвационной зоне после горячей деформации составляет ~1 % (рис. 1). В зонах без ликвационного аустенита никель и хром (Сг) распределены равномерно (рис. 2).

Закалка с 1000 оС выравнивает концентрацию никеля до 0,8 % (рис. 3, ГГ). Длительные отжиги (20 ч) в интервале температур 490^550 оС наоборот усиливают неоднородность по никелю до 1,5 % (рис. 3, ГГГ), что связано с образованием во время длительных изотермических выдержек при субкритических температурах, начиная уже с 6 ч выдержки при температуре 500 оС, обратного аустенита (у0бр) [6] и обогащением ликвационного аустенита никелем в результате межфазной диффузии между ЛА и у0бР.

%

16

15

Т

Д (0,8+0,7)%

а

Сг

__I_I_!_I_I_J_I_

%

100 мкм

%

16

15

"Т"

Д (1-0,75) %

Сг

I I I I

%

16 15

А (0,6+0,5) %

.'V/

120 мкм Н-

в

Сг

J_1_

%

1 15 мкм

Рис. 3. Распределение никеля и хрома в структуре стали 08Х15Н5Д2Т после горячей штамповки и отжигов при температуре 650 оС: в течение 6 ч дважды (а) - зона №1, зона №2 (б) ; в - в течение 6 ч дважды + закалка с 1000 оС; А - степень неоднородности = (№тах- №т1„)%

Проведение отжига в двухфазной (а+у)-области при температуре при температуре 650 оС в течение 6 ч снижает различие в легированности никелем (рис. 3, IV), а циклическая обработка при 650 оС 6 ч дважды и последующего высокотемпературного нагрева на 1000 оС уменьшает это различие уже в 2,5 раза по сравнению с отжигами при 520 и 550 оС и в 1,7 раза - по сравнению с горячей деформацией. При этом Д(См тах-См тщ) достигает 0,5 % (рис. 3 и 4), а содержание хрома практически не изменяется.

Построенные температурные и кинетические фазовые диаграммы [6-8] свидетельствуют, что во время нагрева в двухфазную (а+у) -область при температуре 650 оС в структуре стали образуется до 60 % аустенита в результате обратного мартенситного а^у-превращения. После охлаждения структура стали представляет собой мартенсит закалки, отпущенный мартенсит и аустенит остаточный.

б

При втором нагреве на эту температуру в мартенситных объёмах диффузия никеля будет протекать гораздо быстрее, чем в аустенитных. Во-первых, в ОЦК-решетке процессы диффузии протекают быстрее, чем в ГЦК, во-вторых, наличие межфазных границ, как показано [8], значительно ускоряет диффузию, а, следовательно, и выравнивание никеля при последующем нагреве под закалку при температуре 1000 оС.

В случае наличия в структуре ликвационного аустенита, часть его после первого отжига при температуре 650 оС превращается в мартенсит, который в процессе второго нагрева также превращается в обратный аустенит. При этом пути диффузии резко сокращаются, перепад концентрации никеля между соседними однофазными пластинами уменьшается, разнофазными - возрастает. Никель из бывших ликвационных объёмов уходит значительно быстрее, поскольку при малых скоростях нагрева длительность пребывания при температурах двухфазной области (а-и мартенсита) с небольшим количеством аустенита становится достаточной для протекания диффузии.

На рис. 4 и в таблице приведены результаты измерений концентрации никеля, хрома в отдельных точках образца и микроструктура после обработки по режиму V. При анализе содержания никеля по точкам в элементах структуры установлено, что ликвационный аустенит также обогащен никелем и распределен неравномерно. Видна четкая связь между фазой и концентрацией легирующих элементов. Максимум обогащения приходится на центральную ось полосы ликвационного аустенита (объёмы под № 1, 2, 5, 7). Общее различие между максимальной и минимальной концентрацией никеля в ликвационной зоне уменьшилось до 0,6 %. Следовательно, неоднородность по никелю выровнять отжигами можно, но полностью исключить нельзя.

Рис. 4. Распределение никеля и хрома в ликвационном аустените стали 08Х15Н5Д2Т после горячей деформации и двойного отжига при 650 оС (6 ч)

с последующей закалкой с 1000 оС

Таблица

Распределение никеля и хрома в ликвационном аустените стали 08Х15Н5Д2Т после горячей деформации и двойного отжига при 650 оС (6 ч) с последующей закалкой с 1000 оС (содержание элементов в объёмах диаметром 1 мкм)

Элемент 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

N1 4,96 5,0 4,59 4,52 4,97 4,4 4,75 4,52 4,53 4,84 4,68 4,84 4,75

Сг 15,65 15,5 15,8 16,0 15,4 15,85 15,8 16,0 15,8 15,5 15,4 15,3 15,14

Электронномикроскопическое исследование тонкой структуры фольг после предварительного двойного отжига в двухфазной (а+у)-области и последующей закалки (режим V) также показало, что в аустените присутствует неоднородность по никелю. Пограничные зоны обогащены никелем и после охлаждения остаются в аустенитном состоянии, в то время как внутренние объёмы, имея малую степень легированности, превращаются при охлаждении в мартенсит (рис. 5, ГГ-показано стрелками). Кроме того, видно, что обработка по режиму V способствует более полному протеканию рекристаллизации и формированию дисперсной структуры мартенсита и аустенита (рис. 5, Iв). Можно ожидать, что такое изменение структуры будет способствовать повышению предела текучести, предела прочности, а на плавках без ликвационного аустенита с некоторым снижением пластичности.

б

Рис. 5. Структура стали 08Х15Н5Д2Т (I) после горячей штамповки и закалки с 1000 оС (а), после двойного отжига при 650 оС, 6 ч (б) и после двойного отжига при 650 оС, 6 ч +закалки с 1000 оС (в). Аустенит (II) - темнопольное изображение в рефлексе (200)

а

в

I

ВЫВОДЫ

Исследована химическая неоднородность структуры аустенита ликвационных полос и её изменение при термической обработке крупногабаритных полуфабрикатов из стали 08Х15Н5Д2Т. Распределение никеля в ликвационном аустените после горячей деформации находится в пределах 1 %. Максимальная концентрация никеля, как правило, в центре полосы. Закалка снижает неоднородность до 0,8 %. Длительные отжиги в интервале субкритических температур 490^550 оС увеличивают степень неоднородности по никелю Д(См тах-См тт) до 1,5 %. Циклический отжиг в (а+у)-области (при температуре 650 оС по 6 ч), проводимый перед закалкой, уменьшает Д(См тах-См тщ) до 0,6 %. Распределение хрома при этом практически однородно.

Проведение двойного отжига перед закалкой способствует не только исчезновению больших различий в концентрации никеля, но и измельчению структурных составляющих мартенсита и аустенита. Химическая неоднородность по никелю, однако, полностью не исключается. Более выраженное измельчение зерна после закалки с предварительной термической обработкой объясняется влиянием фазового наклепа от аоу - превращений при циклическом отжиге в двухфазной (а+у)-области.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Голиков И.Н., Масленков С.Б. Дендритная ликвация в сталях и сплавах // М. : Металлургия, 1977. 224 с.

2. Махнева Т.М. Природа нестабильности уровня ударной вязкости и низкой технологической пластичности при производстве крупногабаритных полуфабрикатов из коррозионно-стойких мартенситно-стареющих сталей, совершенствование технологии их обработки : дис. докт. техн. наук. Ижевск, 2012. 397 с.

3. Стивен У. Мартенситностареющие стали // В сборнике научных статей «Высокопрочные стали». М. : Металлургия, 1969. С. 235-257.

4. Махнев Е.С. Способ термической обработки нержавеющей мартенситно-стареющей стали // Авт. свидетельство № 333204. 1972. Бюл. № 11.

5. Потак Я.М. Высокопрочные стали. М. : Металлургия, 1972. 208 с.

6. Махнева Т.М. Устойчивость аустенита в стали 08Х15Н5Д2Т // В сб. «Материаловедение и обработка материалов». Ижевск : Изд-во ИПМ УрО РАН, 2005. С. 15-26.

7. Махнев Е.С., Гапека Т.М. Обратное мартенситное превращение в стали ВНС-2УШ // Доклады Междунар. конф. «Мартенситные превращения в металлах и сплавах» «1СОМАТ-77» // Киев : Наукова Думка, 1979. С. 180-184.

8. Махнева Т.М., Савченкова С.Ф., Махнев Е.С., Савченкова М.В. Влияние предварительной термической обработки на устойчивость аустенита в стали 08Х15Н5Д2Т // Металловедение и термическая обработка металлов. 2005. № 6. С. 17-19.

9. Бокштейн С.З. Дефекты структуры и диффузия // Металловедение и термическая обработка металлов. 1965. № 7. С. 8-10.

THE STUDY OF CHEMICAL HETEROGENEITY OF NICKEL AND CHROMIUM IN THE MARAGING STEEL STRUCTURE

Makhneva T.M.

Institute of Mechanics, Ural Branch of the Russian Academy of Science, Izhevsk, Russia

SUMMARY. The results of research of chemical heterogeneity of the structure of liquation austenite in maraging steel. Shows the effect of annealing conditions in the two-phase (a+Y)-region redistribution of nickel and chromium.

KEYWORDS: maraging steel, rentgenospektraly microanalysis, annealing, austenite, segregation, heterogeneity, microstructure.

Махнева Татьяна Михайловна, доктор технических наук, главный научный сотрудник ИМ УрО РАН, тел. (3412)20-34-66, e-mail: [email protected]