Сульфидная фаза в литой конструкционной стали, микролегированной титаном, цирконием, ниобием и ванадием

Устранение отрицательного влияния серы — одна из важных задач повышения качества металла. Обычная термическая обработка не влияет на состав, форму и распределение сульфидов. Наиболее рациональным путем нейтрализации вредного влияния серы может оказаться легирование элементами, связывающими серу в тугоплавкие глобулярные соединения.

Образование пленочных включений связано с обогащением границ аустенитных зерен легкоплавкими сульфидными эвтектиками, это можно предотвратить добавками поверхностно-активных веществ. В зависимости от количества последних и соотношения с кислородом, углеродом и серой возможно образование различных форм сульфидов. Для выяснения влияния микродобавок сильных карбидообразующих элементов (обычно вводимых в комплекснолегированные стали) на сульфидную фазу проведено исследование стали 25Х2ГМ, дополнительно легированной титаном, ниобием, цирконием и ванадием до 0,5%.

Основную массу включений в стали без микродобавок составляют сульфиды, что подтверждается специальным травлением. Имеются участки, состоящие из силикатов, расположенные в виде каемки по краям сульфидов, и в форме глобулей внутри их. Силикаты прозрачны и имеют характерное внутреннее отражение света. В случае, если в силикатах имеется небольшая примесь сульфидов, то включения глобулярны, причем периферийные участки обогащены серой.

Перегрев, имитирующий цикл сварки крупных изделий электро-шлаковым способом (нагрев до 1350° С с выдержкой в течение 10 мин), приводит к образованию по границам кристаллитов сплошных или прерывистых сеток с овальными и вытянутыми частицами длиной 8—16 мк.

Введение в сталь титана до 0,1% способствует образованию сульфидов сложного строения. Они располагаются цепочками по границам кристаллитов, а также в виде отдельных обособленных зерен. Химический и рентгеноструктурный анализы показывают на наличие в сульфидах титана. Это означает, что сульфидные включения являются твердыми растворами сульфидов железа, марганца, титана.

Увеличение введенного в сталь титана до 0,2% приводит к образованию оксисульфидов типа (Fe, Mn) S·Ti₂S₃·Ti₂O₃. Включения имеют глобулярную или овальную форму, располагаются в основном по границам зерен, но не образуют цепочек. При большем содержании титана в стали (до 0,3%) происходит образование дендритообразных оксисульфидов. Они расположены в виде грубых сеток вокруг кристаллитов. Обнаруживается также сульфид титана Ti₂S₃ в виде золотистых пленок, окаймляющих зерна.

Перегрев стали, содержащей менее 0,2% Ti, изменяет характер сульфидных включений. Они располагаются по границам зерен тонкими пленками (длиной 30—40 мк, шириной 3—4 мк) желтосерого цвета. При большем содержании титана оксисульфидные включения сохраняются; остается прежним и их расположение в виде сеток, обволакивающих зерна (рис. 1).

Цирконий по многим физико-химическим свойствам является аналогом титана. Он активно соединяется с серой, образуя сульфиды сложного состава. При присадке циркония в сталь 25Х2ГМ наблюдаются сульфидные включения трех типов.

Первый тип включений обнаруживается в стали, дополнительно легированной до 0,1% Zr. Это сульфиды MnS—FeS серого цвета, овальной или линзообразной формы, располагающиеся разрозненно по полю зрения шлифа. Размер включений колеблется от 6 до 20 мк, твердость их равна HV340.

Наряду с ними имеются включения второго типа — комплексные сульфиды, содержащие железо, марганец и цирконий. Они характеризуются желто-серым цветом, пластинчатой или угловатой формой (ширина 5—8 мк, длина 20—40 мк) и более высокой твердостью HV490—525. Количество включений второго типа увеличивается при повышении содержания циркония в стали. Свыше 0,2% Zr .происходит образование специальных сульфидов Zr₂S₃ размером от 3 до 16 мк; твердость сульфидов циркония достигает HV640. Располагаются они по границам кристаллитов в виде отдельных пластин. Перегрев способствует образованию из сульфидов первого типа плен толщиной 2—4 мк, длиной 40—60 мк, в то время как сульфиды второго и третьего типа не изменяются (рис. 2).

В стали, микролегированной ниобием, независимо от содержания его, образуются оксисульфиды овальной и неправильной формы, обособленные включениями железомарганцевых сульфидов и карбидная эвтектика NbC/Nb₄C₃, сконцентрированная в виде сетки по границам зерен (рис. 3).

Вероятно, малая активность ниобия по отношению к сере не позволяет образовываться сложным сульфидам с этим элементом, мало влияет на их химический состав (рис. 4), а весь связывается в карбиды.

Перегрев влияет на железомарганцевые сульфиды так же, как и в остальных случаях, т. е. вытягивает их по границам кристаллитов. Форма, состав и расположение карбидной эвтектики при этом не изменяются.

Ванадий реагирует с серой, имеющейся в стали. Об этом свидетельствует изменение состава сульфидной фазы стали 25Х2ГМ в зависимости от количества введенного ванадия (рис. 5).

При содержании ванадия ди 0,3% сульфиды встречаются в комплексе с оксидами и карбидами ванадия. Включения имеют глобулярную форму, а также встречаются в виде овалов. Размер их 12—20 мк, расположены они разрозненно и частично по границам кристаллитов в виде отдельных обособленных зерен (рис. 6).

При содержании ванадия в стали свыше 0,3% сульфиды ванадия в сочетании с оксидами и карбидами образуют включения эвтектического типа, располагающиеся по границам первичных кристаллитов в виде глобулярных выделений диаметром 4—6 мк. Перегрев не изменяет характер расположения сульфидной фазы.

Проведенные исследования показывают, что наиболее благоприятное действие на нейтрализацию сульфидной фазы оказывает ванадий. Использование его в качестве микролегирующей добавки в хромомарганцевомолибденовую сталь может оказать положительное воздействие при перегреве стали. Известно, что одним из факторов, вызывающих охрупчивание околошовной зоны при электрошлаковой сварке, является окаймление аустенитных зерен прерывистой и даже сплошной пленой сульфидной фазы. Введение в сталь ванадия позволит связать сульфиды в комплексные стойкие соединения благоприятной формы. Такие включения оказываются устойчивыми при перегреве и будут способствовать сохранению чистых аустенитных зерен.