ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРОВАНИЯ ХРОМОМ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ КАРБИДНОЙ ФАЗЫ ЛИТОЙ ВЫСОКОМАРГАНЦЕВОЙ СТАЛИ

Исследование выполнено за счёт гранта Российского научного фонда

(проект №15-19-10020)

Несмотря на то, что высокомарганцевая сталь известна уже более ста лет, интерес к ней в настоящее время не угасает. Основными направлениями исследований являются: процесс выплавки, внепечная обработка и модифицирование, дополнительное легирование различными химическими элементами, среди которых особое место занимает хром [1 - 9]. Хром является карбидообразующим элементом, при этом он обладает большим сродством к углероду, чем марганец. Поэтому дополнительное легирование высокомарганцевой стали хромом должно отразиться на морфологии и химическом составе карбидной фазы, выделение которой по границам зерен является основным недостатком этого сплава в литом состоянии.

Целью настоящей работы является исследование химического состава и морфологии карбидной фазы в литой высокомарганцевой стали при ее легировании азотированным феррохромом в широком диапазоне концентраций.

Материал и методика исследования.

Экспериментальные сплавы для изучения структуры и свойств выплавляли в индукционной печи ИСТ-006 с основной футеровкой. Легирование высокомарганцевой стали осуществляли азотированным феррохромом марки ФХН-10. Исследования проводили на стандартных образцах с размерами 35×35×10 мм, залитых в кокиль, при этом скорость охлаждения в температурном интервале кристаллизации составила 25 °С/с. Химический состав образцов определяли на спектрометре SPECTRO модели MAXx. Количественный анализ проводили на оптическом микроскопе Meiji с помощью программы Ticsomet Standart Pro по ГОСТ 5639-82. Растровый электронно-микроскопический анализ осуществляли с помощью сканирующего электронного микроскопа JEOL JSM-6490 LV при ускоряющем напряжении 20 кВ. Микрорентгеноспектральный анализ (МРСА) проведен с использованием специальной приставки к сканирующему микроскопу – системы INCA Energy (исследования выполнены в ЦКП НИИ Наносталей ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»).

Результаты исследований.

В результате экспериментов было получено пять образцов с содержанием хрома от 0,85 до 3,15 %, содержание остальных элементов в пределах марочного состава высокомарганцевой стали (стали Гадфильда).

Таблица 1 - Химический состав полученных экспериментально образцов

Вторичная фаза представлена двумя видами легированного цементита. Первый - с высоким содержанием хрома и марганца: ≈ 23,5 % и ≈ 20 % соответственно (рис. 1, а, в); второй – с высоким содержанием марганца (около 12,5 %) и низким содержанием хрома (порядка 2,3 %) (рис. 1, б, г). Для упрощения введены условные обозначения: первый вид – карбиды «легированные Cr»; второй – карбиды «легированные Mn». Эти два вида карбидов имеют разную стойкость к травителю. Карбиды «легированные Mn» быстро травятся и имеют темный цвет (при наблюдении в оптический микроскоп). Карбиды «легированные Cr» остаются светлыми даже после длительного нахождения в растворе кислоты. Этот факт позволил определить как общее количество, так количественное соотношение двух типов карбидной фазы.

Количественное соотношение интенсивно меняется при увеличении концентрации хрома до 2 % и имеет экспоненциальную зависимость (рис. 3).

Помимо изменения количественных характеристик карбидной фазы, легирование высокомарганцевой стали хромом влияет на ее морфологию. Увеличение концентрации хрома приводит одновременно к нарушению целостности сетки по границам аустенитных зерен, утолщению и коагуляции карбидной фазы (рис. 4, а, б).

Данные структурные изменения тем ярче выражены, чем выше содержание в сплаве количества хрома.

Обсуждение результатов.

Структура высокомарганцевой стали без дополнительного легирования хромом - аустенит и располагающаяся по границам его зерен карбидная сетка. Карбидная фаза представлена цементитом, в состав которого, наряду с железом, входит марганец. Легирование этого сплава хромом приводит к выделению из пересыщенного раствора нового типа карбида, в химическом составе которого, помимо железа и марганца, в большом количестве присутствует хром.

За счет большего сродства хрома к углероду увеличение его содержания в сплаве приводит к изменению количественного соотношения карбидов двух типов. При концентрации хрома около 2,6 % количество карбидов обоих типов одинаково, дальнейшее увеличение количества хрома приводит к резкому увеличению количества карбидов, легированных хромом.

Морфологически, легированный хромом и марганцем цементит в отличие от легированного только марганцем, имеет более округлые формы и не образует сплошной сетки по границам зерен аустенита. Эта сетка представлена цепочкой не связанных между собой карбидов.

Выводы.

Легирование высокомарганцевой стали хромом приводит к появлению в ее структуре нового типа карбида – цементита, легированного хромом и марганцем.

При содержании в сплаве хрома около 3 % практически вся карбидная фаза представлена цементитом нового типа, который имеет более благоприятную морфологию и не образует сплошной карбидной сетки по границам аустенитных зерен.

Список литературы

1. Бедрин Н.И., Стадничук В.И., Стадничук А.В. и др. Исследование влияния химического состава стали 110Г13Л на её свойства // Литейные процессы. 2003. № 3. С. 36 – 42.

2. Вдовин К.Н., Феоктистов Н.А., Горленко Д.А., Хабибуллин Ш.М. Технологические особенности внепечной обработки стали марки 110Г13Л // В сборнике: Прогрессивные литейные технологии. 2015. С. 225-227.

3. Вдовин К.Н., Феоктистов Н.А., Синицкий Е.В., Горленко Д.А., Дуров Н.А. Выплавка высокомарганцовистой стали в дуговой сталеплавильной печи. Технология. Сообщение 1 // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2015. Т. 58. № 10. С. 735-739.

4. Вдовин К.Н., Феоктистов Н.А., Синицкий Е.В., Горленко Д.А., Дуров Н.А. Выплавка высокомарганцовистой стали в дуговой сталеплавильной печи. Внепечная обработка. Сообщение 2 // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2016. Т. 59. № 1. С. 23-28.

5. Зыкова А.П., Федосеев С.Н., Лычагин Д.В. Модифицирование стали 110Г13Л // Сборник научных трудов VII Международной научно- технической конференции «Современные проблемы машиностроения». 2013. С. 86 – 90.

6. Колокольцев В.М., Долгополова Л.Б., Мулявко Н.М. Влияние химического состава на структуру и свойства хромомарганцевых аустенитных сталей // Литейные процессы. 2003. № 3. С. 31 – 36.

7. Розум В.А., Задруцкий С.П., Беженок А.П. и др. Обработка стали 110Г13Л барий-стронциевыми карбонатами // Литье и металлургия. 2010. № 4. С. 89 – 94.

8. Сысоев А.М., Бахметьев В.В., Колокольцев В.М. Рафинирование и модфицирование стали 110Г13Л комплексом титан-бор-кальций // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2008. № 1. С. 43 – 45.

9.     Zambrano O.A., Yesid Aguilar, Jairo Valdés, S.A. Rodríguez, J.J. Coronado. Effect of normal load on abrasive wear resistance and wear micromechanisms  in FeMnAlC alloy and other austenitic steels / Wear. Volumes       348–349,       15        February       2016.       Pp.       61–68. Doi:10.1016/j.wear.2015.11.019.