Амерест-вся гамма металлов

Влияние редкоземельных элементов (РЗЭ) и бора на диффузию хрома и углерода на аустенитную нержавеющую сталь

14.01.2016

Исследовали сталь Х18Н9Т с разной степенью стабилизации титаном и с различным содержанием РЗЭ, которые вводили в виде мишметалла и бора (см. таблицу).

Химический состав стали и глубина диффузии углерода
Содержание, %Глубина диффузии углерода, мм
C
Mn
SiРSСгNiTiN2РЗЭсогласно металло-графическому определениюпо данным рентгено-структурного анализа
по расчетуфакти-
чески*
10,061,380,270,0150,01717,809,470,0290,35—0,360,40—0,42
20,061,480,220,0140,01616,769,300,0370,150,0150,44—0,46
30,061,130,260,0150,01217,289,310,0450,300,0180,38—0,39
40,061,350,470,0140,01716,919,300,300,0220,200,21—0,23
50,051,540,460,0130,01316,659,730,270,0560,150,010
60,061,340,500,0150,01417,909,630,320,0400,280,0230,38—0,390,44.—0,58
70,051,100,350,0130,01417,159,990,720,0330,20Не определена
80,051,430,480,0190,01717,909,800,580,0320,150,010
100,091,680,840,0140,01917,169,350,630,0320,280,0180,38Не определена
140,071,300,400,0160,01517,2010,00,500,025Бора 0,00450,380,58—0,68
* Определялось и приведено только остаточное содержание церия.

Опыты поставлены с целью определения относительной скорости диффузии хрома и углерода в этих сталях.

Постоянный источник ионов хрома был создан электролитическим нанесением слоя хрома толщиной 40—70 мк на предварительно шлифованную поверхность образцов размером 15x25x6 мм. Насыщение велось в вакуумной печи при 1000° С в течение 15 ч при разрежении 10-1 — 10-2 мм. рт. ст.

Для предупреждения «ошелушивания» хрома обращенные друг к другу хромированными поверхностями образцы зажимали попарно в струбцины. Глубину диффузии хрома определяли после стравливания тонких слоев по изменению параметра решетки γ-фазы и ширины линии (311). Съемку линии (311) проводили по точкам на рентгеновском аппарате УРС-50И в железном излучении без вращения образцов. После построения линии (311) γ-фазы от α1 и α2-излучения отделялась линия (311) α1-излучения с учетом междублетного расстояния δ = Θα2—Θα11 = 14,85 углов, мин. По отделенной линии си методом серединных точек определяли положение максимума, по которому находили параметр решетеки γ и измеряли ширину В отделенной линии (311) Feα1 на ее полувысоте.

Рис. 1. Изменение параметра решетки γ (а) и ширины линии (311) γ (б) у металла опытных плавок стали Х18Н10Т с различной стабилизацией титаном и разным содержанием РЗЭ при диффузии хрома (1000° С, 15 ч).

Изменение с различной стабилизацией титаном

На рис. 1 , а, б приведены материалы этих измерений, из которых видно, что изменения параметров решетеки γ и ширины линии для соответствующих вариантов легирования согласуются. При одном и том же содержании РЗЭ с увеличением в стали титана глубина диффузии хрома увеличивается. Если у стали, не содержащей титан и РЗЭ (пл. 1), за 15 ч хром диффундирует на глубину 20 мк, то у этой же стали с 0,30% Ti (пл. 4) он проникает примерно на 35 мк, а при 0,72% Ti (пл. 7) — на 80 мк.

Аналогичная картина наблюдается с изменением содержания гитана у сталей с 0,15% РЗЭ и в несколько меньшей мере с 0,30% РЗЭ. На рис. 1 видно, что если в стали без титана и с 0,27—0,32% Ti РЗЭ не влияют на диффузию хрома, то в высокостабилизиро-ванной титаном стали (0,58—0,72% Ti) с введением РЗЭ наблюдается монотонное, усиливающееся с увеличением РЗЭ, торможение диффузии хрома; для стали плавки 7, не содержащей РЗЭ, глубина диффузии хрома составила 80 мк, для сталей плавки 8 с 0,15% РЗЭ — 45 лк и у плавки 10 с 0,30% РЗЭ — 38 мк.

Глубина диффузии хрома в стали с 0,0045% В (58 мк) оказалась несколько большей, чем у стали плавки 4, не содержащей добавок (см. рис. 1, а, б). Обе стали относительно близки по степени стабилизации титаном.

Для изучения влияния добавок на диффузию углерода провели цементацию предварительно полированных образцов 12х20х5 мм в карбюризаторе из древесного угля с добавкой 20% соды при 800° С в течение 10 час. Все образцы обрабатывали в одном цементационном ящике и равномерно распределяли в карбюризаторе.

После окончания выдержки образцы охлаждали без распаковки цементационного ящика на воздухе. Шлифы подвергали электролитическому травлению в 10%-ном растворе ферроцианида (5 в, 500 ма, 30 сек). Глубину диффузии углерода определяли двумя методами: металлографическим — по зоне, имевшей повышенное против центральной части количество карбидов, и рентгеноструктурным — по изменению параметра решетки и ширины линии после стравливания отдельных слоев по описанной выше методике.

Отличие состояло в том, что кроме линии (311) γ снимались линии (111) γ и (110) α-фазы, и по последним двум линиям определялось содержание в слое α-фазы. Результаты этих определений приведены в таблице.

Применявшийся металлографический метод не позволял выявить глубину диффузии углерода с такой точностью, как это осуществлялось при рентгеноструктурном анализе. Полученные вторым методом графические зависимости показаны для двух плавок на рис. 2.

Рис. 2. Изменение параметра решетки γ, ширины линии (311) γ и фазового состава поверхностного слоя у образцов из стали Х18Н10Т под влиянием диффузии углерода при 800° С в течение 10 ч.

Изменение под влиянием диффузии углерода

Введение в нестабилизированную титаном сталь 0,30% РЗЭ приводит к небольшому ускорению диффузии углерода (см. таблицу). При нормальной стабилизации (Ti/C?5) влияние РЗЭ резко возрастает и диффузия углерода ускоряется более чем в 2 раза (плавки 4 и 6).

Важно отметить, что в стали Х18Н9Т без РЗЭ повышение содержания до 0,72% Ti и соответственно степени стабилизации до Ti/C=14,4 не оказало влияния на скорость диффузии углерода, и она оказалась (плавка 7) такой же, как в стали с 0,30% Ti (плавка 4).

Степень стабилизации не оказала воздействия на скорость диффузии углерода и в стали, содержащей 0,28% РЗЭ (см. плавки 6 и 10). Еще более способствует ускорению диффузии углерода добавка бора, с введением которой у стали плавки 14 обнаружена в 3 раза большая глубина проникновения углерода, чем у стали плавки 4, не содержащей бора.

Тот факт, что РЗЭ оказывают влияние на диффузию хрома лишь в перестабилизированной стали, указывает на то, что при отсутствии избытка титана, они связываются в прочные соединения, по-видимому, главным образом с азотом.

При избытке титана в результате большего его сродства к азоту часть РЗЭ экономится. По мере увеличения в исследуемой стали отношения Ti/C растет содержание титана в твердом растворе, что приводит в связи с резким отличием атомного диаметра титана (1,70 А) от атомных диаметров железа (1,27 А), хрома (1,27 А) и никеля (1,24 А) к значительным искажениям кристаллической решетки. Этим можно объяснить ускорение диффузии хрома по мере увеличения содержания титана в сталях.

Присутствие РЗЭ, являющихся поверхностно-активной добавкой, снижающей запас свободной энергии граничного слоя, стабилизирует кристаллическую решетку и укрепляет межатомные связи. Поэтому с ростом их содержания диффузия хрома, протекающая в большой мере по границам зерен, затрудняется. На это указывает рост крутизны кривых по мере увеличения содержания РЗЭ (сравните плавки 7, 8 и 10, рис. 1) и резкое увеличение параметра решетки у-железа вблизи границы раздела хром—сталь.

Незначительное влияние бора на диффузию хрома подтверждают выводы Брукса о том, что атомы, образующие растворы внедрения, не играют большой роли в диффузии элементов, образующих растворы замещения.

Исследование показало, что введение 0,0045% В или 30% РЗЭ (по расчету) резко ускоряет диффузию углерода в стали Х18Н10Т при 800° С. В этой стали, не содержащей титан, эффект ускорения диффузии резко снижается Объяснить положительное влияние бора и РЗЭ в стабилизированных титаном сталях можно преимущественным образованием в них стойких карбидов TiC, располагающихся в основном в теле зерен и очищением за счет этого и за счет рафинирующего действия добавок бора и РЗЭ границ зерен. В стали без титана препятствием ускорению диффузии служит присутствие на границах зерен нестойких карбидов типа Ме23С6.