CC BY
51
rfl/агтгтгге гг гл
U и / 1С74), 2014-
*1шггггггп
УДК 669. 14.018.252 Поступила 29.01.2014
Ф. И. РУДНИЦКИЙ, Ю. А. НИКОЛАйЧИК, А. Н. ЕРМАК, БНТУ
о возможности избирательного модифицирования быстрорежущей стали
Установлено, что, несмотря на наличие в составе быстрорежущей стали Р6М5 вольфрама, при дополнительном введении этого элемента в количестве 0,1-0,6% проявляется избирательный модифицирующий эффект.
It is established that in spite ofpresence of tungsten in composition of high-speed steel P6M5 at additional introduction of this element in volume of 0,1-0,6% the selective modifying effect becomes apparent.
Под модифицированием в широком смысле понимают любое воздействие на кристаллизующийся расплав, приводящее к изменению условий кристаллизации и, следовательно, конечной структуры сплава. К таким воздействиям можно отнести введение малых добавок химических элементов (соединений), влияющих на процесс кристаллизации; воздействие на расплав ультразвуком или вибрацией; ускоренное охлаждение расплава; воздействие на кристаллизующийся расплав постоянного и переменного магнитного поля; пропускание через расплав электрического тока (переменного, импульсного, в виде электрического разряда) и др . Однако чаще всего, несмотря на большое разнообразие методов воздействия на расплав, под модифицированием понимают введение в расплав особых добавок - модификаторов . Это связано с тем, что остальные методы слишком сложны в организации в производственных условиях, а потому ограничены в применении . В связи с этим далее речь будет идти о модифицировании как методе воздействия на процесс кристаллизации введением в расплав специальных добавок
Модифицирование направлено на решение ряда задач:
• измельчение макрозерна;
• измельчение микрозерна (дендритных ячеек);
• измельчение фазовых составляющих эвтектик, перитектик, хрупких и легкоплавких фаз (с изменением их состава путем введения присадок, образующих с этими фазами химические соединения);
• измельчение и глобулизация неметаллических включений (карбидов, оксидов, сульфидов и пр )
Иногда к модифицированию относят также процессы рафинирования и микролегирования, поскольку наряду с воздействием на структуру малые добавки многих элементов снижают содержание газов, вредных примесей (десульфурация и де-фосфорация стали), играют роль раскислителей, изменяют механические, технологические и другие свойства сплавов
Модификаторы по механизму их воздействия на кристаллизующийся сплав обычно разделяют на модификаторы I и II рода .
Модификаторами I рода, называемыми также инокуляторами, являются вещества, введение которых в расплав приводит к образованию дисперсных частиц, пригодных для гетерогенного зароды-шеобразования При этом уменьшается работа образования зародыша твердой фазы и, следовательно, процесс становится энергетически более выгодным, чем в случае гомогенного зародыше-образования Интервал метастабильности сплава уменьшается, число устойчивых, способных к росту зародышей твердой фазы, формирующихся в объеме расплава в единицу времени, увеличивается, ускоряется процесс кристаллизации В результате измельчается первичная структура сплава
Рекомендации по выбору добавок с наибольшей модифицирующей способностью:
• следует использовать тугоплавкие, нерастворимые в данном сплаве вещества, образующие самостоятельную фазу;
• частицы твердой фазы должны в максимальной степени подчиняться принципу структурного и размерного соответствия;
• как модификаторы I рода наиболее активны дисперсные частицы с развитой поверхностью
и сопоставимые по размерам с кластерами (~1-10 нм) .
• наибольшей активностью обладают частицы устойчивых химических соединений эндогенного происхождения, т. е . образовавшиеся в расплаве при взаимодействии добавки с компонентом или основой сплава;
• частицы должны обладать металлическими свойствами
В качестве таких частиц чаще всего выступают оксиды и нитриды, реже карбиды и бориды
Важным приложением модифицирования I рода является использование в качестве модификатора частиц того же компонента (фазы) сплава, изменение структуры которого является целью модифицирования . В [1] обстоятельно изучен процесс гетерогенного зародышеобразования на обломках кристаллитов этой же фазы, образовавшихся при отрыве от стенки литейной формы или разрушении конвективными потоками (ультразвуком, вибрацией), ранее выпавших из расплава, первичных кристаллитов . Как показывают авторы, зарождение кристаллов в таких условиях происходит при минимальных затратах энергии, что означает теоретически значительно большую эффективность таких добавок по сравнению с добавками инородных элементов . Отчасти на этом принципе основан метод суспензионного литья, который заключается во введении в расплав порошка, обычно того же металла в количестве до 10% от массы расплава . При этом частицы порошка действуют не только как центры кристаллизации (подложки), но и как «микрохолодильники» .
Модификаторами II рода называют примеси, неограниченно (или практически неограниченно) растворимые в жидкой фазе и малорастворимые (до 0,01-0,1%) в твердой фазе . При затвердевании сплава такие примеси чаще всего вытесняются на поверхность растущих кристаллов При этом возможны два случая дальнейшего воздействия модификатора на процесс кристаллизации В первом случае модификатор не изменяет поверхностные свойства расплава и кристаллизующейся фазы, влияние его сводится к концентрационному торможению роста кристаллита из-за скопления атомов примеси у его границы с жидкостью и затрудненной диффузии атомов из жидкости к поверхности кристаллита Во втором случае примесь изменяет поверхностное натяжение (уменьшает его) на границе расплав-кристаллит и, избирательно ад-сорбируясь на поверхности растущего кристаллита, прекращает его рост. Уменьшение поверхностного натяжения, как известно, приводит к уменьшению критического размера зародыша. В резуль-
/тггтгг^г:глггггтлл^гггп /сл
-1 (7а), 201а / и I
тате большее число зародышей, возникающих в расплаве, становятся способными к устойчивому росту и структура сплава измельчается
Добавки этого типа называют поверхностно-активными, поскольку они изменяют энергетические характеристики процессов, протекающих на границе (поверхности) раздела расплав - кристаллит
Рекомендуется выбирать добавки для использования в качестве модификаторов II рода, основываясь на следующих положениях:
• добавка должна иметь низкий коэффициент распределения в кристаллизующемся веществе;
• растворимость добавки в твердой фазе должна быть как можно меньше - в пределах 0,01-0,1 ат. %;
• добавка должна образовывать с основой сплава эвтектику при температуре, близкой к температуре плавления основы сплава;
• добавка должна обладать высокой вязкостной активностью;
• добавка должна быть способна к образованию тугоплавких нерастворимых соединений с компонентами сплава, которые отвечали бы принципу структурного и размерного соответствия;
• добавка должна повышать поверхностную энергию жидкой фазы и уменьшать ее на границе твердой и жидкой фаз
В то же время в [2] приведена ссылка на работу, автор которой считает, что добавки, используемые в качестве модификаторов II рода, должны быть весьма малорастворимы в той жидкой фазе, из которой они адсорбируются . Того же мнения придерживаются авторы [3].
Большинство авторов, помимо модификаторов, предназначенных для воздействия на структуру основы сплава, большое внимание уделяют модификаторам, которые предназначены для изменения формы включений (оксидов, сульфидов и др ), выделяющихся в виде образований неправильной формы и сильно снижающих механические свойства сплавов Примеси-модификаторы указанного типа, взаимодействуя с выпадающими из расплава включениями, препятствуют образованию включений игольчатой и пластинчатой формы, придавая им округлую форму Такое же воздействие модификаторы II рода могут оказывать и на основные фазы сплава
По данным авторов [4], воздействие поверхностно-активных элементов не сводится только к адсорбции на гранях растущего кристалла и торможению его роста, но предотвращает коагуляцию уже образовавшихся мелких кристаллитов в крупные конгломераты
В [5] указывается, что для проявления модифицирующего эффекта модификаторов II рода до-
52/
мпмп г^гш^лто?
1 (74), 2014-
статочно мономолекулярного (или моноатомного) адсорбционного слоя
Автор [2] обращает внимание на то, что адсорбционный слой не обязательно должен быть сплошным Примесные атомы могут занимать лишь определенные позиции на гранях (ребрах) растущего кристалла, а эффект модифицирования все равно проявится . Этим, возможно, и объясняется способность поверхностно-активных элементов к изменению формы включений различных фаз Как известно из теории кристаллизации металлов, кристаллы растут в разных направлениях с различной скоростью, чем и обусловлено отсутствие в быстрозатвердевших металлах и сплавах кристаллов правильной огранки Кристаллы растут преимущественно по направлениям, совпада-
ющим с направлением наиболее интенсивного отвода теплоты, в сторону, противоположную тепловому потоку Этим направлениям соответствуют кристаллографические направления плотнейшей упаковки атомов в ячейке кристалла Поэтому ребра кристаллов растут быстрее граней и в твердом состоянии формируется дендритная структура Атомы же поверхностно-активного элемента, ад-сорбируясь на поверхности зародыша, предотвращают его преимущественный рост в отдельных направлениях
Применение комплексных модификаторов обусловлено несколькими причинами:
• Совместное действие двух и более модификаторов усиливает эффект, получаемый при использовании одиночного модификатора Это свя-
Рис . 1 . Микроструктура литой стали Р6М5: а - базового состава; б - модифицированной ферровольфрамом; в - модифицированной порошком карбида вольфрама; г - модифицированной порошком вольфрама; д - модифицированной вольфрамом в виде стружки
лгггс г^ш/^тгто / ео -1 (7а), 201а/ и и
Таблица 1. Структурная характеристика экспериментальных сталей
Сталь Плавка Размер зерна, мкм Размер карбидов МС, мкм Количество карбидов МС Морфология эвтектики Карбидная сетка Общее количество карбидной фазы Количество 5-эвтектоида
Р6М5 0 65,87 2,53 1 ст>>ск>>вн Разорванная 1 1
FeW(0,1) 1/1 51,55 >0 ст Более разорванная, карбиды тоньше, чем у 0 <0 -
FeW(0,3) 1/2 55,22 = 1/1 ст>ск>вр Более сплошная, карбиды грубее, чем у 1/1 >1/1 <0
FeW(0,6) 1/3 50,30 >1/1 самые грубые ст>вр>ск Сплошная, грубые сетка и карбиды >1/2 Очень мало
WС(0,1) 2/1 59,73 3,27 >0 ст Более разорванная, карбиды тоньше, чем у 0 <0 <0
WС(0,3) 2/2 44,27 2,61 >>2/1 ст>>ск>0 Более сплошная, карбиды грубее, чем у 2/1 >2/1 -
WС(0,6) 2/3 59,97 4,11 >0, <2/1 ск>ст Почти сплошная, грубые сетка и карбиды >2/2 <0
Wп(0,3) 3/2 44,86 <0 ст=ск Более разорванная, карбиды тоньше, чем у 0 <0
Wп(0,6) 3/3 46,22 <0 ск>ст Еще мельче структура, чем у 3/2 <3/2 <<0
Wс(0,1) 4/1 36,70 >0 ст Более разорванная, карбиды тоньше, чем у 0 <<0
Wс(0,3) 4/2 31,98 >4/1 ст>ск Самая тонкая структура 4/1 = 4/2 -
Wс (0,6) 4/3 49,51 >4/2 ск>ст>вр Более грубая, чем у 4/1 и 4/2 >4/1 и 4/2 <0
П р и м е ч а н и я . 1. ст - стержневая; ск - скелетная; вн - ванадиевая; вр - веерная . 2 . Свойства немодифицированной литой стали Р6М5 базового состава условно приняты за единицу.
зано с отмеченным выше зарождением центров кристаллизации на нерастворимых примесях в слое жидкой фазы, обусловленным введением растворимой примеси (особенно поверхностно-активной)
• При использовании комплексного модификатора создается возможность минимизировать содержание каждого из его компонентов, что облегчает выполнение условий, ограничивающих содержание в сплаве примесей
• Сочетание модифицирования с физическими воздействиями усиливает эффект от действия модификаторов и создает условия для получения особо мелких и специальных структур
Следует отметить, что модификаторы как I, так и II рода можно эффективно использовать для измельчения структуры отдельных фазовых составляющих сплава (так называемое избирательное модифицирование) Объясняется это тем, что наибольшей модифицирующей активностью частицы модификаторов обладают по отношению к определенным фазовым составляющим сплава. Это дает возможность управлять структурой фазовых составляющих сплава раздельно и практически независимо [6] .
В данной работе из ряда технологических приемов, позволяющих управлять процессом формирования структуры литой быстрорежущей стали Р6М5, выбрано модифицирование как один из наиболее эффективных и рациональных способов воз-
действия на условия кристаллизации стали Поскольку в работах ряда авторов имеются сведения об использовании в качестве модификатора вольфрама, именно этот элемент выбран в качестве объекта исследования В литературе отмечается избирательный эффект влияния вольфрама, прежде всего на эвтектическую составляющую [7], что вполне объяснимо с учетом специфических свойств этого элемента (высокая температура плавления, склонность к карбидообразованию и др . ) . Вместе с тем, следует отметить, что в литературе встречаются работы исследователей, не обнаруживших модифицирующего влияния вольфрама [8], что объясняется, вероятно, различием в условиях проведения эксперимента
Для того чтобы получить убедительный ответ на вопрос «может ли вольфрам использоваться в качестве самостоятельного модифицирующего элемента или входить в модифицирующие комплексы?», в экспериментах он использовался в чистом виде, в виде ферровольфрама и карбида вольфрама Чистый вольфрам и карбид вольфрама вводили в расплав в виде порошков и стружки в количестве 0,1, 0,3 и 0,6% от массы расплава, ферровольфрам -для сравнения в виде частиц размером 3-5 мм .
Структурная характеристика экспериментальных сталей приведена в табл 1, их свойства (после термообработки) - в табл . 2 . На рис . 1, 2 показаны микроструктуры исследуемых сталей
5«/(й
пм гг м«1г/м^тт?
(74), 2014-
Рис . 2 . Морфология эвтектики стали Р6М5: а - базового состава; б - модифицированной ферровольфрамом; в - модифицированной порошком карбида вольфрама; г - модифицированной порошком вольфрама; д -модифицированной вольфрамом в виде стружки . х400
Из табл 1, 2, рис 1, 2 видно, что использование вольфрама в качестве модификатора во всех случаях способствует измельчению первичного зерна, уменьшению количества 5-эвтектоида, что свидетельствует о более полном протекании перитекти-ческой реакции . Наибольшие изменения фиксируются в эвтектической составляющей стали, что подтверждает избирательное действие вольфрама в качестве модификатора. В частности, под его влиянием изменяются характер распределения эвтектики от разорванной до сплошной и морфология эвтектики в связи с изменением состава карбидов При увеличении количества модификатора сетка
становится более грубой, сплошной, преимущественно скелетного строения, характерного для высоковольфрамовой стали Р18 (рис 2)
Свойства экспериментальных сталей после полного цикла термообработки1 приведены в табл . 2, а некоторые свойства деформированной стали для сравнения - в табл 3
Результаты испытаний образцов в определенной степени коррелируют с результатами исследования их структуры . Так, ударная вязкость модифицированных сталей возрастает, что вызвано
1 Закалка от 1210 °С, трехкратный отпуск при 560 °С в течение 1 ч.
П р и м е ч а н и я . 1. Теплостойкость определяли измерением твердости при комнатной температуре после дополнительного отпуска при 620 °С в течение 4 ч. 2 . Износостойкость определяли измерением интенсивности изнашивания при сухом трении образца о стальной диск диаметром 0,05 м и толщиной 0,003 м из стали 65 при нагрузке 100 Н и скорости вращения диска 880 об/мин (2,3 м/с) .
л гттггн г: гстм'лтт? / ее
-1 (74). 2014 / 1111
Таблица 2. Свойства экспериментальных сталей
Сталь Плавка Твердость НЯС Теплостойкость1 НЯС Интенсивность изнашивания2, х10-7 Ударная вязкость, МДж/м2
Р6М5 0 63,5 60,0 0,84 0,05
FeW(0,1) 1/1 64,5 60,0 0,58 0,090
FeW(0,3) 1/2 64,0 60,5 0,58 0,070
FeW(0,6) 1/3 64,0 60,5 0,52 0,065
WС (0,1) 2/1 64,0 60,0 0,62 0,095
WС (0,3) 2/2 64,0 60,0 0,59 0,105
WС (0,6) 2/3 64,5 60,0 0,53 0,085
Wп (0,3) 3/2 63,0 60,5 0,53 0,070
Wп (0,6) 3/3 63,5 61,0 0,59 0,075
Wс (0,1) 4/1 64,0 60,0 0,51 0,10
Wс (0,3) 4/2 63,5 60,5 0,59 0,11
Wс (0,6) 4/3 64,0 61,0 0,52 0,08
положительными изменениями в структуре: измельчением первичного зерна; износостойкость во всех случаях выше по сравнению с немодифициро-ванной сталью; твердость и теплостойкость практически одинаковы . Повышение износостойкости в результате модифицирования вызвано изменениями в составе карбидов и соответственно в строении эвтектики . Модифицирующее действие вольфрама косвенно подтверждается также наличием эффекта «перемодифицирования» при увеличении его количества до 0,6% . Наиболее действенным является введение добавки в виде порошка карбида вольфрама, что объясняется формированием в жидком металле устойчивых групп атомов, близких по строению к высоковольфрамовым карбидам типа МбС, являющихся основой эвтектической структурной составляющей литой стали
Таблица 3 . Свойства деформированной стали Р6М5
Твердость НЯС 64,0
Теплостойкость НЕС 58,0
Ударная вязкость, МДж/м2 0,38
Износ, 104 кг/ч 1,08
В результате проведенных исследований установлено, что, несмотря на наличие в составе быстрорежущей стали Р6М5 вольфрама (около 6%), при дополнительном введении этого элемента в небольших количествах 0,1-0,6% проявляется избирательный модифицирующий эффект, заключающийся в увеличении времени протекания пе-ритектической реакции, измельчения первичного зерна, изменения состава эвтектических карбидов и морфологии эвтектики, повышения ударной вязкости и износостойкости стали
Литература
1. О н о А . Затвердевание металлов / Пер . с англ . М . : Металлургия, 1980 .
2 . К р е щ а н о в с к и й Н. С . , С и д о р е н к о М. Ф . Модифицирование стали. М. : Металлургия, 1970.
3 . Г о л ь д ш т е й н Я. Е., М и з и н В. Г. Модифицирование и микролегирование чугуна и стали. М. : Металлургия, 1986.
4 . Л е в и Л. И. , К а т е н н и к С .К. Литейные сплавы. М. : Высш. шк. , 1967.
5 . Н е х е д з и Ю .А . Стальное литье . М. : Гос . науч. -техн . изд-во лит-ры по черной и цветной металлургии, 1948 .
6 . Г а в р и л и н И .В . Плавление и кристаллизация металлов и сплавов . Владимир: Владим . гос . ун-т, 2000 .
7 . П е р ш и н П .С . Литой инструмент. М. -Свердловск: Машгиз, 1962 .
8 . Н е в з о р о в а З .Д. Модифицирование стали: Литой и наплавленный инструмент. Конструкция и производство // Сб . докл. конф . по литому и наплавленному инструменту. Июль . 1950 . М. : Машиностроение, 1951. С . 59-69.
