Двухфазные стали

Сокол И.Я.

Металлургия, 1974 г.

Влияние легирующих элементов на процесс образования σ-фазы

Хром.

Как видно из диаграммы состояния системы Fe—Cr (см. рис. 13), образование σ-фазы в двойных сплавах возможно при содержании в феррите не менее 20% Cr, причем температурный интервал процесса сигматизации составляет 600—820° С.

Увеличение концентрации хрома (в пределах 20— 50%) способствует повышению границы областей α/α+σ и ускорению α-σ-превращения. Особенно заметно этот эффект проявляется в аустенито-ферритных сталях, что, как было показано выше, объясняется характером распада (δ-σ+γ") ·

Никель.

Введение в ферритную хромистую сталь никеля приводит к расширению интервала образования σ-фазы как по температуре, так и по концентрации хрома. Граница σ-области в тройной системе Fe—Cr—Ni поднимается до 900° С, причем σ-фаза обнаруживается в двухфазных сталях при содержании в них хрома около 17—18% (см. рис. 1,а). Это объясняется перераспределением легирующих элементов между γ-и β-фазами и замещением части атомов железа и хрома в σ-фазе атомами никеля. Что касается влияния никеля на кинетику сигмаобразования, то наиболее сильное ускорение процесса наблюдается при появлении в структуре второй фазы -аустенита- вследствие изменения механизма превращения.

Марганец.

Влияние марганца на структуру и фазовые превращения    Fe—Cr—Mn и Fe—Cr—Ni—Mn сталей подробно описано в монографиях [18, 59]. Как следует из диаграммы состояния системы Fe—Cr—Mn, легирование марганцем стали с 20% Cr приводит к повышению границы области существования σ-фазы с 750° С до 1000°С(при 28% Mn) и значительно сдвигает ее в сторону более низких концентраций хрома (вплоть до 15%), способствуя также резкому ускорению сигмаобразования.

Кремний.

Кремний не только является весьма сильным ферритообразующим элементом, но и способствует образованию σ-фазы в Fe—Cr-Ni—Si и Fe—Cr— Mn—Si аустенито-ферритных сталях. При этом расширяются температурный и концентрационный интервалы ее существования и повышается скорость распада (δ-σ+γ"). В этом случае влияние кремния аналогично влиянию хрома.

Молибден.

Легирование двухфазных сталей молибденом, заметно расширяя температурный и концентрационный интервалы образования σ-фазы, неоднозначно влияет на кинетику сигмаобразования. С одной стороны, ускоряющее воздействие молибдена на процесс распада δ-феррита обусловлено тем, что его атомы входят и состав σ-фазы, увеличивая параметры ее решетки. С другой стороны, молибден уменьшает диффузионную подвижность легирующих элементов в твердом растворе, замедляя тем самым образование зародышей σ-фазы. По-видимому, при относительно низких температурах (порядка 700—750° С) преобладающим окажется тормозящее влияние молибдена [57], в то время как при более высоких температурах (850—900° С) ускорение процесса сигмаобразования в молибденсодержащих сталях не подлежит сомнению [42, 56].

Кобальт.

Атомы кобальта могут замещать атомы железа в σ-фазе в системе Fe-Cr-Co и атомы никеля и системе Ni—Cr—Co, повышая при этом температурный уровень существования σ-фазы. Сведений о влиянии кобальта на кинетику процесса сигмаобразования в двухфазных сталях в литературе не имеется, так как этот дефицитный элемент в нержавеющие стали практически не вводится.

Углерод и азот.

Влияние этих наиболее эффективных аустенитообразующих элементов на кинетику сигмаобразования обусловлено главным образом тем, что они, входя в карбиды и карбонитриды хрома, уменьшают концентрацию последнего в твердом растворе. Вместе с тем уменьшение количества δ-феррита в стали с повышеннным содержанием углерода и азота после высокотемпературной закалки может несколько ускорить процесс образования σ-фазы при отпуске из-за более высокого содержания хрома в ферритной составляющей. В чисто аустенитных высокохромистых сталях наличие карбидов (Ме₂₃С₆) всегда ускоряет процесс сигмаобразования, так как они являются источниками обогащения твердого раствора хромом.

Бор.

По данным работ [60, 61], малые добавки бора замедляют процесс выделения  σ-фазы по границам зерен в сталях Χ17Η13Μ3Τ и Х20Н25БГС, что, по-видимому, связано с рафинирующим влиянием бора и торможением пограничной диффузии легирующих атомов.

Титан, ниобий и цирконий.

Эти стабилизирующие элементы оказывают свое главное воздействие на процесс образования σ-фазы в двухфазных сталях, связывая в стабильные карбиды и карбонитриды атомы углерода и азота и повышая тем самым концентрацию хрома в твердом растворе. Кроме того, легирование двухфазных сталей титаном, особенно в количестве, превышающем стехиометрическое, приводит к существенному увеличению содержания δ-феррита в структуре закаленного металла с соответствующим увеличением количества образующейся в результате старения σ-фазы. При этом несколько расширяется (в сторону более низких концентраций хрома) область сталей, склонных к охрупчиванию за счет δ-σ+γ"-превращения. Что касается влияния на скорость сигмаобразования, то, по нашим данным, увеличение содержания титана в стали 0Х25Н12Г2Т с 0,62 до 1,72% практически не изменило кинетики процесса распада δ-феррита.

В то же время, согласно [62], введение микродобавок титана и ниобия приводит к ускорению выделения σ-фазы в стали 1Х28Н10Г2 в интервале 750—900° С.

Однако следует отметить, что, по данным [63], увеличение содержания титана в чисто ферритной стали 00Х25Н4 с 0,4 до 1,6% и более привело к замене σ-фазы на FeiTi в электролитически выделенных осадках состаренных (750° С, 100 ч) образцов.

Ванадий.

Помимо того, что ванадий является весьма сильным карбидообразующим элементом (т. е. действует аналогично титану, цирконию и ниобию), он может также замещать атомы хрома в решетке σ-фазы так как диаграммы состояния Fe—Cr и Fe—V очень схожи [64]. Поэтому введение ванадия в двухфазные стали приводит к некоторому ускорению процесса образования σ-фазы и расширению области ее существования в Fe—Cr—Ni сталях.

Следует также отметить, что σ-фаза была обнаружена в двойных сплавах Mn—V, Co—V, Ni—V, Co—W, Cr—Re, Re—W, Nb—W и многих других системах [64].

Алюминий.

Согласно [65], добавки алюминия в ферритные хромистые стали с 13—20% и 35% Cr тормозят пли даже полностью подавляют процесс образования σ-фазы. Данные о влиянии алюминия на скорость сигматизации в двухфазных сталях в литературе не приводятся.