О некоторых вопросах механизма влияния редкоземельных металлов на свойства конструкционной стали

С целью изучения влияния химического состава конструкционных сталей и прежде всего важнейшей составляющей стали — углерода на эффективность воздействия редкоземельных металлов (РЗМ) исследовали металл лабораторных и промышленных плавок следующих марок стали: низкоуглеродистой нелегированной, предназначенной для глубокой вытяжки, трубной легированной стали 12Х1МФ, среднеуглеродистой нелегированной (ст. 40) и легированной одним или несколькими элементами (ст. 40Х, 45Г2, 55С2, 40ХН, 30ХГСА).

Лабораторные плавки проводили в индукционной печи с магнезитовым тиглем емкостью 20 кг. Добавки ферроцерия присаживали в печь или в ковш после окончательного раскисления стали 0,05—0,25% по расчету. Промышленные плавки проводили в 60- и 150-тонных основных мартеновских печах скрап-процессом.

Добавки ферроцерия во всех сталях производили в ковш 0,6—0,8 кг/т под струю металла после окончательного раскисления стали алюминием или в центровую до 0,6 кг/т по ходу разливки стали. Металл опытных лабораторных и промышленных плавок в литом и деформированном состояниях подвергали комплексному исследованию. Изучали макроструктуру стали, загрязненность стали неметаллическими включениями и их природу металлографическим методом и с помощью электролитического растворения образцов, содержание кислорода и азота в стали, механические свойства в продольном и поперечном направлениях при различных режимах термической обработки, микроструктуру стали и др. Изучали также распределение РЗМ в фазах неметаллических включений, карбидах и твердом растворе стали (α-фазы).

Результаты исследования свойств отдельных конструкционных сталей, обработанных РЗМ, приведены в ранних работах.

Обобщение результатов этих исследований и выяснение механизма влияния РЗМ на свойства различных сталей представляют определенный интерес. Исследование целого ряда конструкционных сталей позволило установить многообразный характер влияния РЗМ на их свойства.

Во всех исследованных сталях добавки РЗМ снижают содержание кислорода и повышают содержание азота. Так как РЗМ обладают довольно значительным сродством к азоту, то пониженная активность его в стали, а также более глубокая рас-кисленность стали с РЗМ улучшают связанные с этим свойства сталей (например, повышают хладностойкость и снижают склонность к старению низкоуглеродистой стали, предназначенной для глубокой вытяжки).

Обладая высоким сродством к кислороду и сере, РЗМ во всех сталях изменяют природу неметаллических включений. По своим свойствам окислы и особенно сульфиды РЗМ резко отличаются от свойств обычных включений. РЗМ переводят пластичные силикатные и сульфидные включения в более благоприятную форму. Включения РЗМ при горячей пластической деформации не вытягиваются в направлении прокатки и, хотя и дробятся, сохраняют более благоприятную для пластических и вязкостных свойств металла форму. Благодаря этому улучшаются пластические свойства и ударная вязкость различных конструкционных сталей в поперечном направлении и снижается анизотропия этих свойств металла.

В низкоуглеродистой нелегированной стали, выпускаемой из печи на кипу и раскисляемой в ковше практически одним алюминием, из-за кинетических особенностей этого процесса, очевидно, длительное время существуют объемы жидкого металла, которые имеют довольно высокие концентрации растворенного и связанного кислорода. Поэтому обычно применяемые небольшие добавки РЗМ (0,06—0,10% по расчету) изменяют природу в основном оксидной фазы. Авторами установлено, что оксидные включения с РЗМ из такой стали в значительной степени удаляются.

Исследованием природы и поведения оксидных включений в «чистом» карбонильном железе, раскисленном различными количествами кристаллического кремния, спектральночистого алюминия и металлического церия в различных комбинациях друг с другом, установлено следующее. При вводе церия в предварительно раскисленное кремнием и алюминием железо образуются комплексные сложные многофазные включения, являющиеся результатом более или менее полного восстановления РЗМ включений менее сильных раскислителей (Si и А1), находящихся в жидком металле. Ввод церия способствует коалесценции оксидных включений и их быстрому удалению из металла.

Так как при добавках РЗМ в низкоуглеродистую нелегированную сталь сульфидная фаза не претерпевает существенного изменения, то и механические свойства этой стали при добавках РЗМ заметно не изменяются (при достаточно высоком их уровне в исходной стали). Но уже в низкоуглеродистой легированной, предварительно раскисленной в печи стали 12Х1МФ, а тем более в среднеуглеродистых сталях, влияние РЗМ проявляется в изменении природы главным образом сульфидной фазы, что улучшает пластические свойства и ударную вязкость этих сталей в поперечных образцах.

Уменьшение содержания растворенных в жидкой стали с РЗМ кислорода и серы снижает склонность этих элементов к ликвации в объеме слитка, что также снижает анизотропию свойств металла за счет улучшения его пластических характеристик в поперечном направлении. Исследование строения слитков стали 12Х1МФ развесом 6,5 т показало, что присадка ферроцерия в ковш в количестве 0,7 кг/т улучшает макроструктуру литой стали — ослабляет зональную ликвацию серы, уменьшает зону столбчатых кристаллов. Осевая пористость, которая сильно развита в слитке обычной стали, в слитке с РЗМ выражена очень слабо. Это же подтверждается и изучением макроструктуры проката.

При изучении распределения РЗМ в фазах установлено, что в низкоуглеродистой нелегированной и легированной сталях последние находятся главным образом в неметаллических включениях. Содержание РЗМ в твердом растворе и карбидах этих сталей очень незначительно (тысячные и десятитысячные доли процента) и не может поэтому оказать существенного влияния на их свойства.

Механизм влияния РЗМ на свойства стали существенным образом зависит от содержания углерода в последней. При исследовании карбидной фазы установлено, что при обычно применяемых добавках РЗМ в конструкционных сталях не образуют собственных карбидов, но в значительном количестве входят в состав карбида цементитного типа.

Для проверки этих результатов и с целью исследования карбидной фазы без нежелательных примесей проведена дополнительная серия плавок для карбидного анализа на основе чистых материалов —- карбонильного железа, металлического хрома, ванадия, титана и церия — с содержанием углерода 0,25—0,40%. Состав этих сплавов рассчитывался таким образом, чтобы при указанных содержаниях углерода получить «чистый» цементит и цементит, легированный хромом (сплав с 1,8—1,9% Сг), а также только специальные карбиды Ме₂₃С₆ (сплав с 12,5% Cr) TiC (сплав с 1% Ti) и VC (сплав с 1% V). Шихтой для этих плавок служило карбонильное железо марки В-3, предварительно переплавленное вместе с добавкой спектральночистого графита в высоковакуумной печи ТВВ-5. Содержание углерода в шихте было в пределах 0,40%.

Плавки проводили в вакууме до момента расплавления, а затем в атмосфере очищенного аргона. Металл предварительно раскисляли избыточным алюминием, легировали (соответствующие плавки) хромом, ванадием или титаном, а затем вводили металлический церий. Для сравнения проводили аналогичные плавки без церия. Полученные цилиндрические образцы «чистых» сплавов после обдирки поверхностного слоя имели вес 80—90 г.

Карбидный анализ этих сплавов в состоянии закалки с 900° С и отпуска при 600° С проводили по методике, описанной в работе. Результаты карбидного анализа приведены в таблице.

Как и в предыдущем исследовании, собственных карбидов РЗМ не обнаружено, но значительная часть церия входит в состав «чистого» или легированного хромом цементита (сплавы с содержанием 0,40% С; 0.40% С и 1,8—1,9% Сг соответственно). В случае, если в сплавах присутствуют только специальные карбиды и нет цементита (сплавы с содержанием 0,25% С и 12,5% Сг; 0,25% С и 1,0% Ti; 0,25—0,30% С и 1,0% V), то церий входит в эти карбиды: соответственно — в карбид Ме₂₃С₆ до 0,3%; в карбид TiC до 0,6%; в карбид VC до 1,0% от веса карбидной фазы.

Способность РЗМ в значительных количествах входить в состав карбида цементитного типа обусловливает сдвиг температурных интервалов его выделения и растворения в стали. Этот фактор начинает сказываться и играть важную роль в сталях с содержанием углерода уже около 0,30% и выше (сталь 30ХГСА, 40, 40Х и др.). Добавки РЗМ в этих сталях тормозят процессы обособления и коагуляции карбидов при отпуске закаленной стали и этим самым оказывают непосредственное влияние на свойства стали. По этой причине сравнительное изменение механических свойств стали с РЗМ и обычной очень существенно зависит от режима термической обработки. Влияние этого фактора проявилось, например, при исследовании промышленной стали 40 — добавка РЗМ повысила ударную вязкость улучшенной стали (после закалки и высокого отпуска), но не изменила ее в нормализованной стали.

Учитывая это обстоятельство, для получения оптимальных механических свойств среднеуглеродистых сталей с РЗМ должны выбираться другие режимы термической обработки, чем для обычных сталей.

Таким образом, в среднеуглеродистой стали характер воздействия РЗМ на ее свойства более многообразный, чем в низкоуглеродистой стали — их влияние проявляется через изменение природы неметаллических включений и свойств карбидной фазы.

Установлено также, что эффективность воздействия РЗМ зависит от химического состава стали. Так, например, на стали 55С2 лабораторных и промышленных плавок добавки РЗМ хотя и изменили природу неметаллических включений, как и на других среднеуглеродистых сталях, и даже уменьшили их количество в стали, механические свойства этой стали не улучшили. Возможно, что РЗМ восстанавливают включения SiO₂, преобладающие в этой стали, до окиси кремния SiO, пленочные включения которой резко ухудшают свойства стали. Следует также учесть, что сталь 55С2 легирована кремнием, некарбидообразующим элементом в сплавах железа. Очевидно, влияние кремния на свойства карбидной фазы этой стали гораздо сильнее, чем влияние РЗМ.