Влияние легированного марганцем цементита на магнитные свойства модельной стали 60г Текст научной статьи по специальности «Физика»

МЕЖФАЗНЫЕ СЛОИ И ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В НИХ

УДК 620.179.14

ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРОВАННОГО МАРГАНЦЕМ ЦЕМЕНТИТА НА МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА МОДЕЛЬНОЙ СТАЛИ 60Г

ЗЫКИНА И.А., УЛЬЯНОВ А.И., ЧУЛКИНА А.А.

Физико-технический институт УрО РАН, 426000, г. Ижевск, ул. Кирова, 132

АННОТАЦИЯ: Изучены магнитные свойства легированного марганцем цементита. Показано, что легирование марганцем понижает коэрцитивную силу и температуру Кюри цементита. Из температурных зависимостей коэрцитивной силы стали 60Г установлено, что марганец интенсивно обогащает цементит при температуре отпуска свыше 500 °С. При этом содержание марганца в решетке цементита увеличивается от ~ 1 до ~ 3,8 ат. %.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: легированный цементит, марганец, коэрцитивная сила, отпуск, модельные стали.

Ранее было исследовано влияние магнитных свойств цементита на формирование коэрцитивной силы Нс высокоуглеродистых сталей после закалки и отпуска [1]. Из анализа температурных зависимостей коэрцитивной силы сделана оценка вкладов различных механизмов перемагничивания в формирование Нс образцов. Было показано, что основной вклад в формирование Нс сталей в области средних и высоких температур отпуска Тотп вносит магнитная жесткость цементита.

Известно, что высокие прочностные характеристики и большую практическую ценность имеют легированные углеродистые стали. Карбидообразующие элементы в легированной углеродистой стали могут замещать атомы железа в решетке цементита, изменяя тем самым его магнитные свойства. Однако влияние такого цементита на формирование магнитных гистерезисных свойств легированных углеродистых сталей в настоящее время практически не изучено.

Одним из распространенных легирующих элементов является марганец. В данной работе исследованы магнитные свойства легированного марганцем цементита и его влияние на формирование коэрцитивной силы модельной стали 60Г.

ОБРАЗЦЫ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Методом механического сплавления порошков железа марки ОСЧ 6-2 чистотой 99,96 %, графита чистотой 99,99 % и марганца чистотой 99,9 % в шаровой планетарной мельнице «Пульверизетте-7» были получены порошки легированного марганцем цементита состава (Fe^MnxbC, где x = 0; 0,01; 0,06; 0,09.

Влияние отдельных легирующих элементов на свойства сталей удобно изучать на модельном материале, представляющем собой, полученную в лабораторных условиях, углеродистую сталь с введением единственного легирующего элемента. Остальные возможные примеси определяются чистотой исходных элементов - железа и углерода.

Для получения модельной стали 60Г из порошка состава Fe96,3 Mn1,0 C2,7, полученного методом механического сплавления, были спрессованы образцы в форме диска диаметром d = 5 мм и высотой h = 2 мм. Спекание образцов проводили при температуре 1050 °С в атмосфере аргона. Образцы были закалены от Тзак = 850 °С в воду и отпущены в интервале температур от 100 до 700 °С.

Магнитные характеристики образцов и их температурные зависимости были измерены на вибрационном магнитометре с максимальным намагничивающим полем 12 кА/см интервале температур от -196 до 300 °С. Погрешность измерений не превышала 3 %.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

о

250

200

150

100

50

0

J

100 200

300 Т

400 оС

500 600 700

ОТЖ'

1 - (Fe0.99Mn0.0O3C; 2 - (Fe0.94Mn0.06bC; 3 - ^е0.91Мп0.09)3С. Время отжига ^-1 ч, о- 10 мин

Рис. 1. Зависимость коэрцитивной силы от температуры отжига сплавов

Из зависимостей коэрцитивной силы от температуры отжига Нс(Тотж) (рис. 1) видно, что механически сплавленный легированный марганцем цементит является низкокоэрцитивным. По мере повышения температуры отжига Нс цементита увеличивается, достигая максимума в области (500-550) °С, а затем уменьшается.

300 г Сравнение показало, что Нс легирован-

ного цементита состава (Ее0,99Мп0,01)3С мало отличается от коэрцитивной силы нелегированного цементита Бе3С. Как видно из рис. 1, легирование марганцем от х = 0,01 до х = 0,09 уменьшает Нс цементита более чем в два раза при Тотж ~ 500 °С.

Аналогичный характер зависимости Нс(Тотп) для цементита Бе3С наблюдали в работе [1], где было дано объяснение низкого значения Нс механически сплавленного цементита, согласно которому решетка такого цементита имеет высокую плотность дислокаций и сильно искажена. Искажения решетки по [2] понижают величину константы магнитокристаллической анизотропии, и, следовательно, Нс механически сплавленного цементита. В процессе отжига до Тотж ~ 500 °С решетка цементита постепенно переходит в равновесное состояние, и константа магнитокристаллической анизотропии цементита восстанавливается. В результате при одинаковой плотности дислокаций, коэрцитивная сила цементита с равновесной решеткой будет выше, чем деформированного цементита с искаженной кристаллической решеткой. Отжиг при температуре Тотж > 500 °С уже заметно уменьшает плотность дислокаций, что ведет к снижению коэрцитивной силы цементита с равновесной решеткой. По-видимому, аналогичные процессы происходят и при отжиге легированного цементита.

Атомы марганца, находясь в кристаллической решетке цементита, испытывают с атомами железа антиферромагнитное упорядочение [3], уменьшая тем самым намагниченность насыщения, константу магнитокристаллической анизотропии, и, следовательно, Нс легированного цементита. В то же время марганец играет роль примесных атомов, находясь в составе облаков Котрелла дислокаций [4], задерживает их движение в решетке легированного цементита при отжиге.

240 г Однако в силу вышесказанного для цементита,

легированного большим количеством марганца, плотность дислокаций снижается медленнее. По-видимому, это является основной причиной смещения максимума Нс легированного цементита в сторону более высоких температур отжига (525-550) °С.

Как видно из рис. 2, температура Кюри Тс легированного цементита (Бе(1-Х)МпХ)3С, где х = 0,01; 0,06; 0,09, уменьшается с увеличением содержания марганца. Это обстоятельство позволяет обнаружить влияние формирующегося в результате отпуска легированного цементита на коэрцитивную силу

200 -

160 -

120 -

0

0.02

0.08 0.1

0.04 0.06 X

Рис. 2. Зависимость Тс легированного цементита от содержания марганца

закаленной модельной стали 60Г.

Для определения вкладов от различных механизмов перемагничивания в формирование Нс легированной стали после закалки и отпуска была выбрана следующая модель материала:

1. После закалки материал представляет собой твердый раствор а -железа, в котором равномерно распределены атомы марганца и углерода [5].

2. После отпуска в интервале (300-700) °С материал можно представить как легированную марганцем ферритную матрицу, в которой находятся включения легированного 1 ат. % марганца цементита.

3. Магнитные гистерезисные свойства образцов определяются вкладами: от коэрцитивности матрицы; от гистерезиса, обусловленного взаимодействием доменных стенок матрицы со слабомагнитными включениями цементита; от гистерезиса цементита, как магнитотвердой фазы.

На рис. 3 кривыми 1 представлены температурные зависимости Нс(Тизм) закаленных и отпущенных образцов стали 60Г. Характер зависимостей Нс(Тизм) для всех образцов одинаков. По мере увеличения Тизм от температуры жидкого азота до Тизм ~ (130-150) °С коэрцитивная сила монотонно уменьшается, затем возрастает, и при Тизм ~ (180-210) °С наблюдается максимум Нс. Из рисунка видно, что этот максимум сдвигается в сторону низких температур измерения, начиная с Тотп = 500 °С.

На рис. 3 представлены также вклады ^ обсуждаемых механизмов перемагничивания в экспериментально наблюдаемые зависимости Нс(Тизм). Кривыми 2 обозначена температурная зависимость вклада в Нс от гистерезиса ферритной матрицы ^(Тизм), в которой растворено некоторое количество марганца. Коэрцитивная сила матрицы ^ незначительно понижается с увеличением температуры отпуска, но при этом не изменяется характер температурной зависимости ^(Тшм). Кривыми 3 обозначен суммарный вклад от гистерезиса ферритной матрицы и вклада, обусловленного зацеплением доменных границ феррита за слабомагнитные включения цементита. Этот вклад максимален в области температуры Кюри Тс легированного цементита.

При Тизм = Тс цементит становится неферромагнитным и его коэрцитивная сила равна нулю. Именно на неферромагнитных включениях цементита происходит наиболее эффективное

зацепление доменных стенок ферритной матрицы, что и приводит к образованию максимума Нс образцов. Кривыми 4 представлен вклад от легированного цементита, как магнито-твердой фазы.

Из рисунка видно, что при низких температурах измерений основной вклад в формирование Нс образцов вносит цементит, как магнитотвердая фаза. В этой же области Тизм вклад от цементита, как слабомагнитных включений по теории «включений»

Керстена [6], минимален.

40

Я 30 6 20

о

я

10

40

Тотп = 450оС

Тотп = 500оС

30

6 -а

6 К

20

10

0

Г в) Тотп = 550оС г Тотп = 600оС

\1

V. — — N N ----

1 1 1^1 1 1 1 1

-200 -100

0

Тизм

100 оС

200 300 -200 -100

0 100 Тизм; °С

Температура отпуска образцов Тотп: а) - 450, б) - 500; в) - 550; г) - 600 °С.

200 300

Рис. 3. Температурные зависимости стали 60Г: 1 - коэрцитивной силы образцов; 2 - вклада в Нс от гистерезиса матрицы; 3 - суммарного вклада в Нс от матрицы и от цементита, как слабомагнитных включений; 4 - вклада в Нс от цементита, как магнитотвердой фазы

изм

= -1960С

Таким образом, коэрцитивность легированного цементита играет основную роль в формировании Нс при низких температурах измерений. Затем по мере повышения Тизм коэрцитивность цементита уменьшается и при температуре выше точки Кюри его вклад, как магнитотвердой фазы, становится равным нулю. Максимум зависимости Нс(Тизм) образцов в области Тс цементита обусловлен, главным образом, механизмом взаимодействия доменных стенок ферритной матрицы с неферромагнитными включениями легированного цементита. Имея информацию о температурных зависимостях вкладов ^ при формировании коэрцитивной силы исследуемых образцов стали 60Г, можно получить зависимости Нс(Тотп) для разных температур измерения. На рис. 4 приведены зависимости Нс образцов и ^ рассчитанных вкладов от температуры отпуска, измеренные при комнатной температуре, температуре жидкого азота (Тизм = -196 °С) и температуре выше точки Кюри цементита (Тизм = 220 °С). Из рис. 4 видно, что зависимости коэрцитивной силы от температуры

отпуска, построенные для различных температур измерения, отличаются друг от друга по величине максимума в области средних и высоких Тотп. Так на зависимости Нс(Тотп), измеренной при

Тизм = -196 °С имеется ярко выраженный максимум Нс (рис. 4, а). При комнатной температуре величина этого максимума значительно меньше (рис. 4, б), а при Тизм = 220 °С максимум имеется, но при меньших температурах отпуска (рис. 4, в).

В формирование зависимостей Нс(Тотп) в области средних и высоких температур отпуска большую роль играет цементит. Как видно из рис. 4, а, наибольший вклад в формирование максимума экспериментальной кривой вносит цементит, как магнитотвердая фаза. Вклад цементита, как слабомагнитных включений, с которыми взаимодействуют доменные стенки матрицы, при Тизм = -196 °С наименьший из всех представленных температур измерений. Это связано с тем, что при этой Тизм разница намагниченности насыщения ферритной матрицы и цементита минимальна по сравнению с другими Тизм. Вклад от гистерезиса ферритной матрицы уменьшается с увеличением температуры отпуска, и оказывает малое, по сравнению с цементитом, как магнитотвердой фазой, влияние на образование максимума зависимости Нс(Тотп).

700

отп?

Температуры измерения: а) - (-196); б) - 25; в) - 220 °С

Рис. 4. Зависимости от температуры отпуска стали 60Г: 1 - коэрцитивной силы образцов; 2 - вклада от магнитомягкой матрицы; 3 - вклада от цементита, как слабомагнитных и

неферромагнитных включений по теории «включений» Керстена; 4 - вклада от цементита, как магнитотвердой фазы

При комнатной температуре измерений вклад от цементита, как магнитотвердой фазы, становится меньше по сравнению с измерениями при температуре жидкого азота (кривая 4, рис. 4, б), так как коэрцитивная сила цементита при таких условиях измерения ниже. При Тизм = 25 °С в соответствии с теорией «включений» Керстена возрастает вклад от цементита, как слабомагнитных включений, потому что увеличивается разница между намагниченностями насыщения ферритной матрицы и легированного цементита.

В случае измерения зависимости Нс(Тотп) при температуре выше точки Кюри цементита, например, при 220 °С (рис. 4, в), вклад от цементита, как магнитотвердой фазы, в образование Нс образцов будет равен нулю. В тоже время, согласно теории Керстена, вклад от цементита, играющего роль неферромагнитных включений (кривая 3), максимален, так как при Тс цементита разница намагниченности насыщения матрицы и цементита максимальна. На кривой 3 также наблюдается максимум Нс при Тотп ~ 400 °С , который объясняется тем, что средний размер неферромагнитных включений цементита становится равен ширине доменных стенок ферритной матрицы. Таким образом, при Тизм = 220 °С основной вклад в формирование зависимости Нс(Тотп) вносят гистерезис матрицы (кривая 2) и взаимодействие доменных стенок ферритной матрицы с неферромагнитными включениями цементита.

Сравнивая рис. 3 и 4 с данными работы [7] можно заключить, что характер кривых Нс(Тотп) образцов стали 60Г и простых углеродистых сталей одинаковый. Но на зависимостях Нс(Тизм) стали 60Г наблюдается смещение максимума коэрцитивной силы в область более низких температур измерения, начиная с температуры отпуска 500 °С (рис. 5), что свидетельствует о снижении температуры Кюри цементита. В соответствии с рис. 2 содержание марганца в решетке цементита должно увеличиться. При этом ферритная матрица обедняется марганцем. Так, цементит, формирующийся из мартенсита стали 60Г, содержит 1 ат. % марганца, т. е. цементит имеет формулу (Ре0,987Мп0,013)3С, а после отжига при Тотж > 500 °С он дополнительно обогащается марганцем. По температуре измерения, при которой происходит образование максимума на зависимости Нс(Тизм), обусловленного взаимодействием доменных стенок ферритной матрицы с неферромагнитными включениями цементита, можно оценить температуру Кюри Тс легированного цементита. Так, например, для Тотп = 450 °С и 550 °С Тс составляет ~ 210 и ~ 180 °С, соответственно. Следовательно, из рис. 2 можно определить содержание марганца в цементите. Это означает, что после отпуска при Тотп = 550 °С содержание марганца увеличивается до ~ 3,8 ат. %.

0

сталь 60Г

100

200

Т

изм:

оС

300

1 - Тотп=450, 2 - Тотп=550 °С Рис. 5. Зависимости коэрцитивной силы от температуры измерения стали 60Г

Таким образом, на рис. 4 цементит, представленный кривыми 4, имеет разную степень легирования. Из вышесказанных рассуждений, до Тотп = 500оС легированный цементит представляет собой состав (Ре0,987Мп0,013)3С, затем в интервале температур отпуска (500-550)оС цементит наиболее интенсивно легируется марганцем, и после отпуска при Тотп = 550оС цементит имеет состав (Те0,95Мп0,05)3С.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Показано, что цементит играет двоякую роль в формировании Нс легированной стали после закалки и отпуска. С одной стороны, цементит является магнитотвердой фазой и вносит значительный вклад в формирование Нс стали 60Г при Тизм = -196 °С и при Тизм = 25 °С. С другой стороны, легированный цементит представляет собой слабомагнитные включения, на которых происходит зацепление доменных стенок магнитомягкой матрицы феррита. Этот вклад является определяющим при температуре выше точки Кюри.

2. Легирование марганцем понижает коэрцитивную силу Нс и температуру Кюри Тс цементита.

3. Из температурных зависимостей определено, что цементит в составе стали 60Г до Тотп < 500 °С легирован ~ 1 ат. % марганца. По мере повышения температуры отпуска цементит интенсивно обогащается марганцем, и после отпуска при Тотп = 550 °С его содержание увеличивается до ~ 3,8 ат. %.

Работа выполнена при поддержке проекта 09-П-2-1024 Президиума РАН.

Выражаем благодарность Загайнову А.В. за помощь при термической обработке образцов модельной стали 60Г.

Материалы статьи обсуждались на IX Всероссийской конференции «Физикохимия ультрадисперсных (нано-) систем» с элементами научной школы (г. Ижевск, 22-26 ноября 2010 г.) и рекомендованы к публикации в журнале «Химическая физика и мезоскопия».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Чулкина А.А., Ульянов А.И. Влияние магнитных свойств цементита на коэрцитивную силу высокоуглеродистых сталей после закалки и отпуска // Физика металлов и металловедение. 2009. Т.108, №6, С.581-588.

2. Arzhnikov A.K., Dobysheva L.V., Demmangeat C. Structural peculiarities of cementite and their influence on magnetic characteristics // J. Phys.: Condens. Mater. 2007. V.19. P.196-214.

3. Винтайкин Б.Е. Физика твердого тела. М. : МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. 360 с.

4. Кан Р. Физическое металловедение. М. : Мир, 1968. 484 с.

5. Гуляев А.П. Металловедение. М. : Металлургия, 1977. 648 с.

6. Kersten M. Zur Theorie der Koerzitivkraf // Zs. Physik. 1948. Bd. 124. S. 714-741.

7. Бида Г.В., Ничипурук А.П.. Магнитные свойства термообработанных сталей. Екатеринбург : УрО РАН, 2005. 218 с.

INFLUENCE OF THE Mn-DOPED CEMENTITE ON MAGNETIC PROPERTIES OF MODEL STEEL 60G

Zykina I.A., Ulyanov A.I., Chulkina A.A.

Physical-Technical Institute, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia

SUMMARY. Magnetic properties of the Mn-doped cementite are studied. It is shown that alloying of Mn reduces the coercive force and Curie temperature of cementite. Analysis of the temperature dependence of the steel 60G coercive force shows that content of manganese in cementite particles increases, when the tempering temperature is over 500 °C, from = 1 at %, characteristic of the steel 60G, up to ~ 3,8 at %.

KEYWORDS: alloyed cementite, manganese, coercive force, tempering, model steels.

Зыкина Ирина Андреевна, аспирант ФТИ УрО РАН, тел. (3412) 43-79-01, е-mail: [email protected]

Ульянов Александр Иванович, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник лаб. физики неравновесных металлических систем ФТИ УрО РАН, е-mail: [email protected]

Чулкина Алевтина Антониновна, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаб. физики неравновесных металлических систем ФТИ УрО РАН, е-mail: [email protected]