Включения в легированных сталях и сплавах
Виноград М.И., Громова Г.П.
Металлургия, 1971 г.
СИЛИКАТНЫЕ ВКЛЮЧЕНИЯ В ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВАХ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКУЮ ПЛАСТИЧНОСТЬ
Изучение влияния включений на пластические свойства позволило авторам установить зависимость пластичности сталей У10, 30ХГСА, 08Х20Н10Г6, Х20Н80 и др. от состава включений и условий их образования [8; 49, с. 14; 72, с. 51; HO, 170, 172]. Было показано, что снижение пластичности при температурах горячей деформации обусловлено присутствием в металле отдельных плавок значительного количества силикатных включений в виде стекловидных пленок. Пленочные включения иногда могут сопровождаться сульфидами или другими окислами.
Жаропрочные сплавы содержат значительное количество титана и алюминия, что, казалось бы, исключает возможность образования стекловидных силикатных включений. Однако именно жаропрочные сплавы имеют низкую пластичность при горячей деформации. В связи с этим исследование структуры металла жаропрочных сплавов с низкими технологическими пластическими свойствами, состава и формы включений с целью выяснения причин пониженной пластичности имело не только практическое, но и теоретическое значение.
Для исследования были взяты жаропрочные сплавы, полученные в промышленных условиях.
Изучались сложнолегированные сплавы ХН77ТЮР (ЭИ437Б), ХН70ВМТЮ (ЭИ617), ЭП109 и лигатура Л-3 ·.
В дальнейшем описании приняты следующие условные обозначения: сплавы с низкими технологическими свойствами обозначены НП, а сплавы с высокими свойствами — П.
В начальный период (1960—1961 гг.) производства жаропрочного сплава ХН77ТЮР (ЭИ437Б) на одном из заводов при ковке слитков и при ультразвуковом контроле наблюдались случает значительного брака.
По просьбе завода в ЦНИИЧМ была проведена работа [21, с. 29; 168] по изучению причин низкой пластичности этого сплава. Было проведено сравнительное исследование литой структуры высоколегированного металла плавок с резко различными пластическими свойствами при высоких температурах. Для исследования были отобраны четыре слитка массой 700 кг приблизительно одного периода выплавки. Плавки П-5 и П-6 по заводской характеристике были прокованы без брака, а слитки плавок НП-3 и НП-4 либо разрушались при ковке, либо ковались с грубыми рванинами.
Эти стали выплавляли на свежей шихте, температура во время рафинирования была приблизительно одинаковой (1490—1515° С). Перед выпуском и в ковше металл всех плавок имел температуру 1500—1520° С. По другим технологическим параметрам, фиксируемым в плавильных картах, различий между плавками не было. По химическому составу плавки не различались (табл. 31).
При производстве сплава ХН70ВМТЮ (ЭИ617) в открытых электропечах причиной брака металла являлась пониженная пластичность при горячей деформации как при ковке слитков, так и при прокатке заготовки на сорт. Во время ковки слитков была полностью забракована плавка НП-7. Часть слитков этой плавки развалилась при первых ударах молота, а часть проковалась на заготовки размером 140х 140 мм, но с грубыми рванинами. Вторая плавка НП-8 забракована по трещинам при ковке заготовок размером 140x140 мм и прокатке заготовок диаметром 38 мм. Исследования литой структуры этой плавки проводилось на слитке в два раза меньше нормального. Сравнительное изучение проводили на слитке от плавки П-9, имевшей удовлетворительную пластичность при деформации сорта диаметром 32 мм.
Химический состав как по основным элементам, так и по содержанию цветных мёталлов всех плавок был примерно одинаков (табл. 31).
Шихтовые материалы при выплавке были одинаковы, но при •сравнении технологических параметров выплавки было установлено, что для плавок НП-7, НП-8 период расплавления характеризовался высокой температурой (1500—1530° С), тогда как температура плавки П-9 в этот период не превышала 1480° С.
Никельтитаналюминиевая лигатура JI-3 была выбрана для изучения причины низкой технологической пластичности по следующим соображениям. Этот сплав на основе никеля является наиболее простым по составу (из легирующих элементов в нем содержатся только алюминий и титан). Кроме того, он используется главным образом при производстве сложнолегированных жаропрочных сплавов, в частности ХН70ВМТЮ. Известно, что качество шихтовых материалов в отношении , их загрязненности вредными примесями и неметаллическими включениями может существенно сказаться на технологических свойствах выплавляемого металла.
В производственных условиях при ковке технологической пробы сплава «713 была выявлена очень низкая пластичность плавки НП-1. Для сравнительного исследования одновременно была отобрана плавка П-2 с отличной ковкостью [60, 152]. Металл плавки НП-1 выплавляли методом прямого легирования алюминием и титаном, после присадки алюминия температура металла составляла 1650° С. Плавка П-2 была проведена по обычной технологии, принятой на заводе.
Готовый металл плавки НП-1 имел повышенное содержание кремния, содержание кальция и магния было почти в три раза больше, чем в плавке П-2, по остальным элементам (см. табл. 31),. в том числе и по содержанию примесей цветных металлов, химический состав этих плавок практически не различался.
Сплав ЭП109 с высоким содержанием алюминия (до 6%), но без титана представлял особый интерес. Исследовали плавки НП-10 и НП-11, которые имели очень большой брак по трещинам, на первых операциях штамповки, и плавки П-12 и П-13, обладавшие хорошей штампуемостью [152]. Металл плавок НП-10 и НП-11 изготовлен из литых электродов вакуумно-дугового переплава; электроды для вакуумно-дугового переплава двух других плавок (П-12 и П-13) были катаными.
Металл для электродов в обоих случаях выплавляли в открытых индукционных печах.
Принципиальное отличие технологий непластичных и пластичных плавок заключалось в том, что первые две плавки вели с большим количеством шлака и выпускали при высокой температуре (1620° С), а две другие плавки вели с меньшим количеством шлака и выпускали металл при более низкой температуре (не более 1560° С). Химический состав (см. табл. 31) сплава ЭП109 различался- по содержанию магния и кремния: в плавках с трещинами содержание кремния (0,12—0,14%) и магния (0,022—0,025%) было выше, чем в плавках без трещин (0,07—0,08% и 0,008—0,012% соответственно).
Для оценки качества металла с различными пластическими; свойствами при горячей деформации была разработана методика, с использованием комплекса современных анализов, позволившая объективно в одинаковых условиях определить механические свойства, сопоставить характер разрушения, выявить различие в макро- и микроструктуре, а также установить влияние неметаллических включений на пластичность металла при высоких температурах [24, с. 261 ].
Типичными для плавок с низкой пластичностью оказались пленочные включения, содержащие окислы кремния. В участках слитков с резко выраженной ликвацией (в осевой зоне обычных слитков и литых электродов) окислы кремния наблюдаются в виде пленок почти чистого кремнеземистого стекла (или кристобалита), хорошо различимых при исследовании на световом микроскопе. В слитке вакуумно-дугового переплава эти окислы находятся в верхней части слитка вблизи усадочной раковины. В зоне столбчатых кристаллов и в наружной зоне мелких кристаллов, а также в деформированном металле с помощью светового микроскопа не удается обнаружить структурных составляющих, характерных для металла с пониженной пластичностью. Заметно лишь повышение степени дендритной ликвации в непластичном металле.
В тех случаях, когда световой микроскоп не обнаруживает фаз, типичных для непластичного металла, с помощью микродифракции можно установить структуру типичных неметаллических включений. На границах кристаллов в межосных пространствах и на поверхностях разрушения были обнаружены неметаллические включения, представляющие собой сложные окислы. Основной составляющей окислов, типичных для непластичного металла, являются окислы кремния. Наиболее часто встречаются окислы состава CaO-MgO-2SiO2 и MgO-SiO2. В металле с удовлетворительной пластичностью окислы встречаются реже, и в их составе преобладают окислы кальция и алюминия (2СаО - Al 2O3 -SiO2), а не кремнезем.
Кристаллические фазы включений, присутствующих в металле с низкой пластичностью после охлаждения до комнатной температуры, имеют высокое содержание кремния, указывающее на образование их из соответствующих стекол при охлаждении. В работе [21, с. 66] показано, что включения состава CaO-MgO -2SiO2 (диопсид) при горячей деформации подвергаются вязкому течению, т. е., по-видимому, находятся в стекловидном состоянии. Температура размягчения стекол на 25—35% ниже, чем температура плавления соответствующих сложных окислов (табл. 33).
Присутствие при горячей деформации окислов в стекловидной форме, в особенности в виде пленок, может привести к образованию очагов разрушения, вследствие очень низкой прочности стекол при высокой температуре, а также вследствие того, что присутствие стекол в виде пленок вызывает нарушение металлической связи между кристаллами и внутри кристаллов (межосные участки).
Пленки стекол образуются при кристаллизации сплавов. Кислород, находящийся в жидком металле, в виде растворенных кремнекислородных комплексов (Si—O-Si—О), практически не растворимых в твердом металле, вследствие дендритной ликвации обогащает межосные участки и их стыки на границе кристаллов. Из объемов жидкого металла, пересыщенного кремнекислородными комплексами, в последний момент кристаллизации выделяются пленки окислов. Наиболее вероятной формой выделения являются пленки или эвтектики металл—стекло, образующиеся в вязкой форме на внешней поверхности осей второго (и выше) порядков (в межосных участках) и на стыках кристаллов.
Образование жидкой или вязкой (аморфной) фазы при температурах, близких к температуре солидус, энергетически более вероятно, чем образование кристаллических фаз. Некоторая растворимость кремнекислородных комплексов уменьшает работу образования включений, содержащих окислы кремния. Этим объясняется образование стекол, содержащих только кремнезем.
Образование включений, содержащих наряду с кремнеземом окислы кальция, магния и алюминия, можно объяснить тем, что эти элементы, обладая значительной поверхностной активностью на границе металл—стекло, образуют сложные окислы, имеющие наиболее низкую температуру плавления (например, диопсид). Возможно, что образование стекол, близких по составу к диопсиду, происходит в момент совместного выделения из жидкого металла шлаковой фазы такого же состава. Стекла, кремнеземистые или сложные, при охлаждении расстекловываются полностью или частично, с образованием дисперсных кристаллов типа кристо балита, диопсида, энстатита и др.
Контакт жидкого металла, содержащего алюминий, с футеровкой или шлаком, содержащими окислы кремния, кальция и магния, при высоких температурах (выше 1560° С) приводит к насыщению металла кремнекислородными комплексами, кальцием и магнием. Присутствие в жидком металле кремнекислородных комплексов приводит к образованию неметаллических включений, снижающих горячую пластичность жаропрочных сплавов.
Интересным фактом является установление высокой концентрации магния по границам пор и трещин. Это может быть объяснено тем, что магний, обладающий высокой поверхностной активностью, насыщает поверхность металла около образовавшихся трещин или усадочных пор. По-видимому, поверхностная активность магния будет проявляться как на границе раздела металл— вакуум или металл—воздух, так и на границе раздела металл— стекло. Диалогичным должно быть поведение кальция. Подтверждение этого было получено в исследовании сплава Х20Н80, где было установлено высокое содержание магния, кальция и. кремния на поверхности пузырей. По-видимому, после образования пузыря поверхность его покрывается пленкой стекла и обогащается особенно активно магнием и в меньшей степени кальцием.
При отсутствии границ раздела металла с другими средами (воздух, газ, шлак) высокие концентрации магния и кальция не имеют места вследствие выравнивающей диффузии.