Модифицирование и микролегирование чугуна и стали

Гольдштейн Я.Е., Мизин В.Г.

Металлургия, 1986 г.

ВЛИЯНИЕ БОРА НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКУЮ ПЛАСТИЧНОСТЬ.

Задача улучшения, горячей пластичности многих коррозионностойких сталей является проблемой народнохозяйственного значения.

Горячая пластичность стали зависит от химического состава стали, степени ее чистоты по неметаллическим включениям и ряду примесей, однородности макроструктуры, наличия и характера фазовых превращений, протекающих в процессе деформации, неравномерности деформаций различных структурных составляющих сплава, температурно-скоростного режима прокатки и других. Некоторые закономерности изменения технологической пластичности коррозионностойких сталей в зависимости от их химического и фазового состава приводятся в работах [56-58].

Значительное распространение получила гипотеза "порчи границ зерна", которая связывает возникновение провалов пластичности с необратимыми изменениями в природе и составе межзеренного вещества. По мнению В.М.Савицкого, у моноаморфных металлов и сплавов вообще отсутствуют какие-либо причины для возникновения низкой пластичности, кроме порчи границ зерен. Он считает, что зоны хрупкости появляются из-за неумелого обращения технологов с металлом. Представления о "порче" границ зерен как основной причине пониженной технологической пластичности разделяли С.И.Губкин, Я.Б.Фридман и многие другие ученые, которые связывали его с различными факторами, в том числе: окислением границ зерен в процессе нагрева и деформации (пережог) ; выделением в объеме матрицы или по границам зерен избыточных фаз; наличием в металле примесей (например, серы, олова, свинца, висмута), образующих легкоплавкие составляющие (пленки, эвтектитические колонии), располагающиеся по границам кристаллитов.

Исходя из представлений о важной роли состояния границ и субзерен на горячую пластичность стали, исследователи в последние годы все большее внимание уделяют опробованию и применению при выплавке труднодеформируемых сплавов активных добавок, в том числе бора. Благоприятное влияние бора чаще всего связывают с его воздействием на состояние границ зерен, а также с повышением межкристаллитной прочности сплавов.

Вместе с тем весьма низкая растворимость бора в твердых растворах, к тому же различная у сплавов разного состава (например, по содержанию никеля), нередко приводит исследователей к противоречивым оценкам его влияния на свойства стали, в том числе и на его технологическую пластичность. Так, по данным работы [58], микролегирование стали типа SAE316 (18 % Сг, 12 % Ni, 2,5 % Mo, 0,004-0,009 % В) повышает горячую пластичность стали при прокатке в интервале температур 950—1250°С. И только при дальнейшем повышении содержания бора до 0,017 % была отмечена красноломкость стали, связанная с оплавлением бористой эвтектики.

Еще меньшие добавки бора, всего 0,0004 %, вводили [59] в нержавеющею сталь типа 304 (18 % Сг, 8,5 % Ni, 0,05 % С), но и этого количества оказалось достаточно для изменения условий выпадения избыточных фаз [типа Ме₂₃(С, В)₆] и повышения коррозионной стойкости материала.

По данным Э.Г.Фельдгандлер и Л.Я.Савкиной, изучавших свойства стали типа 03Х17Н14МЗ, введение бора повышает пластичность в той области температур, в которой у низкоуглеродистых сталей наблюдается провал пластичности. Наибольшая эффективность — наивысшие значения горячей пластичности стали в интервале температур 800—1200°С -была получена при содержании 0,003 % В [60].

Согласно данным работы [57], микролегирование 0,002% В заметно повышало горячую пластичность стали типа 19—16 при всех скоростях деформирования в температурном интервале красноломкости (800— 1100°С), несущественно влияя на пластичность стали при более высоких температурах.

По данным СИ.Булата следует, что бор в стали типа Х18Н10Т и Х23Н18 может оказывать отрицательное влияние на горячую пластичность в случае повышения температуры нагрева под деформацию до 1250°С. Примерно к таким же выводам пришли СИ.Булат и Н.А.Сорокина, изучив влияние бора на пластичность аустенитной хромоникель-марганцевой стали с азотом [61].

Приведенные выше примеры, с нашей точки зрения, указывают на то, что неоднозначность оценок влияния бора выходит за пределы возможных ошибок или методических погрешностей отдельных исследователей. Вероятно, такая неоднозначность связана с особенностями бора как легирующего элемента, с различными формами его присутствия в металле разных систем легирования, с условиями его взаимодействия с примесными или отдельными легирующими элементами, входящими в состав того или иного сплава. Это обстоятельство приводило нас к необходимости проведения собственнных исследований по установлении структурного механизма влияния бора на горячую пластичность стали.

Многие исследователи (например, [62—64]) сходятся во мнении, что бор, располагаясь по границам зерен и заполняя имеющиеся там вакансии, уменьшает сегрегацию углерода в этих местах, тормозит его диффузию, что сопровождается усилием выделения карбидов внутри зерен а не в зернограничных пространствах.

Другие исследователи полагают, что присутствие бора на границах зерен может так изменить энергетические соотношения на межфазных границах, что вторая фаза примет другую форму

По данным [65], бор благоприятствует коалесценции и сфероидизации выделений второй фазы по границам зерен.

Авторами в период 1977—1980 гг. был проанализирован опыт применения микролегирования коррозионностойких сталей заводами СССР и одновременно проведено исследование механизма влияния различных содержаний бора на технологическую пластичность и служебные свойства некоторых нержавеющих сталей.

Изучение опыта промышленности подтвердило эффективность введения строго дозируемых добавок бора на технологическую пластичность большой группы сталей (в их числе 10Х17Н13М2Т, 10Х17Н13МЗТ, 20Х23Н18, 10Х14Г14НЗТ, 06ХН28МДТ, 03ХН28МДТ, 03Х18АГЗН11МЗБ и др.). На одном из заводов вообще не удавалось прокатать с промышленно приемлемым результатом слитки сплава 03Х23Н28МЗДЗ (ЭИ943) без его микролегирования бором.

Вместе с тем были отмечены значительные различия заводской практики как в количественной стороне микролегирования, так ив условиях введения бористого ферросплава и, наконец, в степени эффективности добавок бора на горячую пластичность и в оценке его влияния на коррозионную стойкость металлопроката.

В практике отдельных заводов были и такие случаи, когда слитки отдельных плавок стали 12Х18Н10Т и других с бором разрушались уже при первых же обжатиях. Это объяснялось повышением содержания в них бора до 0,007 % и связанным с этим наличием в структуре стали грубых выделений бористой фазы, располагавшейся по границам первичных кристаллитов.

Наибольшая эффективность от присадок бора отмечалась для сложнолегированных сталей и сплавов, особенно молибденсодержащих, двухфазных по своему структурному состоянию.

Наши исследования по выявлению влияния бора на горячую пластичность и особенностей структурных и фазовых превращений были проведены на 40 лабораторных и 25 промышленных плавках коррозионностойких сталей аустенитного класса.

Промышленные плавки выплавляли в 40-т дуговых электропечах с разливкой в слитки массой 6,2 т. Горячую пластичность определяли в литом и деформированном состояниях в интервале температур 800— 1250°С.

Наличие и состав избыточных фаз в исследуемых сталях изучали различными методами, в том числе методом искусственных границ. При этом на поверхность подготовленного шлифа напыляют тонкий слой оксида магния, после чего шлиф обрабатывают в вакуумной печи по режиму: нагрев до 1000—1200°С, выдержка 1 ч, охлаждение с печью до 20°С. На плоскости шлифа в процессе такой обработки под слоем оксида выделяются избыточные фазы того же состава, что и по границам зерен в толще металла (метод разработан М.Ф.Логиновым).

Для определения состава избыточных фаз использовали угольные реплики с изломов и со шлифов. Определение вели методом электронной дифракции, рентгеноструктурного анализа, а также с помощью мик-рорентгеноспектрального анализатора MS-46 фирмы "Сатеса".

На рис. 46 показано влияние содержания бора на горячую пластичность стали 03Х17Н14МЗ, 03Х19АГЗН10 и сплава 03Х23Н28МЗДЗТ (ЭИ943).