ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И ТОНКАЯ СТРУКТУРА ЛИТОЙ СТАЛИ Р18 ЭЛЕКТРОШЛАКОВОГО ПЕРЕПЛАВА (статья)
Сталь Р18 относится к быстрорежущим сталям вольфрамового класса, уникальные свойства которых (высокая теплостойкость или красностойкость при наличии высокой твердости и износостойкости) достигаются посредством специального легирования и сложной термической обработки, обеспечивающих определенный фазовый состав [1-3]. Основными легирующими элементами быстрорежущих сталей являются углерод, вольфрам, молибден, ванадий и хром. Данные элементы в определенных температурно-временных условиях формируют в стали частицы карбидной фазы, которые являются упрочняющей фазой материала. Как правило, в быстрорежущих сталях основной карбидной фазой является сложнолегированный карбид состава (Fe,М)6С, где «М» - элементы, образующие металлическую основу карбида (W,Cr,Mo,V). По температурному интервалу образования карбидные частицы делят на а) первичные, образующиеся при кристаллизации стали из расплава; б) вторичные, выделяющиеся при кристаллизации из аустенита и в) третичные, образующиеся при распаде мартенсита. Объемная доля карбидов довольно большая и может доходить в быстрорежущих сталях, согласно [2-3], до 30%.
В настоящее время ни у кого не вызывает сомнения, что технологические характеристики быстрорежущих сталей непосредственно определяются особенностями ее микроструктуры. Поэтому исследование тонкой структуры стали является весьма важной задачей. Основными методами исследования, используемые ранее [1-3], являлись оптическая микроскопия при малых увеличениях (до 500 крат) и рентгеноструктурный анализ. Нередко основным способом выявления и диагностировки карбидной фазы являлось химическое растворение и последующее исследование осадка методом рентгеноструктурного анализа.
Фазовый состав. Основной фазой матрицы стали является α-фаза (феррит), имеющая ОЦК кристаллическую решетку. Параметр кристаллической решетки α-фазы оказался равным 0,2867±0,00005 нм. Отметим, что для чистого железа а = 0,2866±0,00005 нм. Такое сопоставление показывает, что в α-фазе стали Р18 присутствует некоторое количество легирующих элементов (особенно хрома и ванадия). Скалярная плотность дислокаций в α-фазе составляет величину 3,7×1014 м-2.
Вторая фаза по объемной доле в составе стали Р18 -это карбид (Fe,М)6С, обладающий сложной ГЦК кристаллической решеткой. Отметим, что в этой стали карбид М6С является сложным карбидом вольфрама почти без молибдена. Состав его может быть записан в виде: (W,Mo,Fe,Cr,V)6C. Параметр его кристаллической решетки, определенный методом РСА, оказался равным 1,1000±0,00005 нм. По данным параметра кристаллической решетки карбида (а =1,1063 нм [5]) совершенно очевидно, что карбид имеет дефицит по углероду и вольфраму. Вследствие этого количество карбида(Fe,М)6С в исследуемой стали должно быть
несколько больше ожидаемой величины.
несколько больше ожидаемой величины.
Размеры и строение карбидных. Размеры карбидных частиц и способы их наблюдения, согласно таблицы структурных и масштабных уровней [6,7], позволяют классифицировать два структурных уровня карбида (Fe,М)6С. Во-первых, это крупномасштабный структурный уровень (уровень «Зерно»), который формируется первичным карбидом эвтектического происхождения, образовавшимся при затвердевании. Частицы этого карбида формируют «скелетную» систему стали, представляя собой прослойки в α-фазе. На рис. 1 представлена картина расположения карбидной фазы в исследуемой стали, полученная при малых (500 крат) увеличениях методом РЭМ. Как видно из представленного рисунка, частицы первичного карбида (Fe,М)6С имеют анизотропную форму. Нередко они вытянуты в одном направлении параллельно друг другу, поэтому их можно характеризовать длиной, шириной и расстоянием между ними. Проведенные измерения показали, что средняя длина прослоек составляет 60±5 мкм, ширина - 6±1 мкм, а расстояние между прослойками соответствует в среднем 33±5 мкм.
Для анализа тонкой структуры первичных карбидов необходимо их рассмотреть при большем увеличении. Если на рис.1 они были представлены при увеличении 500 крат, то на рис.2 они представлены при увеличении 5000 крат, т.е. в 10 раз больше. При более высоком разрешении видна вторичная «скелетная» структура первичных карбидов. При этих увеличениях мы имеем дело уже со структурным подуровнем «Ламели» структурного уровня «Микроуровень», т.е. структурного уровня, более мелкого по масштабу, чем структурный уровень «Зерно» [6,7]. Совершенно очевидно, что на этом структурном уровне типичной является квазиламельная структура. Термин «квази» использован потому, что ламельная структура здесь имеет существенные нарушения. На рис. 2а хорошо видна тонкая структура прослоек. Они полностью состоят из ламелей. Ламели расположены пачками. Каждая пачка содержит до нескольких десятков ламелей. Ширина отдельной ламели в среднем составляет величину ~0,5±0,1 мкм, длина ламели - ~6,5±0,5 мкм, расстояние между отдельными ламелями в среднем соответствует 0,2±0,1 мкм.