О механизме влияния РЗМ на процесс кристаллизации и формирование первичной структуры шва при сварке стали

Несмотря на значительное количество публикаций по проблеме использования РЗМ в сварочном производстве, вопрос влияния их на первичную кристаллизацию освещен недостаточно.

В статье на основании обобщения экспериментального материала, результатов выполненных автором исследований и данных других работ сделана попытка установить механизм влияния РЗМ на кристаллизацию металла сварного шва.

Влияние РЗМ на температурный интервал кристаллизации (ТИК) изучали, используя литую сталь 30 с различным содержанием иттрия, а также металл, полученный электродуговым переплавом (ЭДП) из этой стали. Для исследований применяли метод термического анализа. Температуру определяли при нагреве и охлаждении со скоростью 80°С/мин.

Исследовали влияние РЗМ и их оксидов на характер кристаллизации, распределение элементов в сварных швах и наплавленном аустенитном хромоникелевом и низкоуглеродистом ферритно-перлитном металле. Для этих целей использовали изотопы 90Y, 14C, 35S. При наличии иттрия 0,005—0,2% (массовые доли) в образцах литой стали 30 и в подвергнутых ЭДП значительно повышается температура солидуса по сравнению с металлом, не содержащим иттрий. При этом ТИК сужается примерно в 2 раза. В металле, подвергнутом ЭДП, РЗМ распределяются равномерно [1-3], обусловливая тем самым равномерное распределение серы, кислорода и других элементов, которые образуют с ними высокотемпературные соединения [2, 4]. Это, в свою очередь, приводит если не к полной нейтрализации, то, по крайней мере, к резкому уменьшению количества низкотемпературной (по отношению к маточному расплаву) ликвирующей фазы. В процессе затвердевания исключается накопление легкоплавкой фазы между осями растущих кристаллитов, а образовавшиеся соединения с РЗМ располагаются преимущественно в осях и теле кристаллита [2].

Дальнейшее повышение содержания в литом металле иттрия (≤0,4%) приводит к понижению температуры солидуса, что вызывает расширение ТИК. Происходит ликвация иттрия в межзеренные участки с образованием фазы эвтектического состава с температурой плавления 1350°С, содержащей ≤14% Y, 6-7% С, а также серу, кислород, что соответствует структурной формуле (Fe0,9Y0,1)3С. Отмеченное перераспределение иттрия является контролирующим для распределения серы, кислорода, углерода. В местах сосредоточения иттрия находится основная масса указанных элементов. Например, увеличение содержания иттрия в стали 30 от 0,2 до 0,4% приводит соответственно к уменьшению содержания перлита от 60 до 20% при одновременном увеличении объема фазы состава Y — С — S — О, располагающейся преимущественно по границам зерен.

Многие исследователи отмечают, что РЗМ способствуют снижению микрохимической неоднородности (МХН) — более равномерному распределению прежде всего таких лидирующих примесей, как углерод, фосфор и др. [4-7]. Однако механизм такого влияния РЗМ на диффузионную подвижность и распределение элементов трактуется по-разному [6, 7].

При исследовании влияния РЗМ на диффузионную подвижность углерода установлено, что иттрий образует с углеродом термически стойкие соединения, задерживает его диффузию, т. е. в определенной мере контролирует перемещение углерода в матрице.

Распределение иттрийуглеродистых соединений, выявленных с помощью изотопа 14С, дает основание утверждать, что они образовались на стадии формирования первичной структуры. Нагрев при 1000°С в течение 5 ч не привел к распаду указанных соединений. Сохраняются эти соединения и при взаимодействии с таким сильным карбидооб-разователем, как хром. Для уточнения правильности предположения о возможности образования карбидов РЗМ проводили прямой эксперимент. В контейнер, изготовленный из стали 20, содержащей изотоп 14С, помещали дисперсный порошок иттрия, после чего контейнер подвергали нагреву в нейтральной среде при 900°С в течение 5 ч. После охлаждения порошок высыпали на негативную пленку типа MP произошло диффузионное насыщение порошка иттрия углеродом, т. е. образовались карбиды иттрия.

Результаты рассмотренных экспериментальных работ дают основание выдвинуть следующую гипотезу о механизме воздействия РЗМ на первичную кристаллизацию металла при сварке стали.

Обладая высокой термодинамической активностью при температуре, значительно выше температуры ликвидуса, РЗМ образуют мелкодисперсные тугоплавкие соединения преимущественно с кислородом и серой [4]. На этих соединениях, как на подложке, адсорбируются и другие элементы, в том числе и углерод. Исходя из современных представлений о механизме кристаллизации, можно предположить, что появившиеся в расплаве соединения РЗМ послужили основой для образования своеобразных гетерогенных твердожидких комплексов. Высокие интенсивность перемешивания металла и скорость охлаждения способствуют равномерному распределению образовавшихся комплексов по всему объему ванны и фиксации их при кристаллизации.

В процессе затвердевания сплава находящиеся перед фронтом кристаллизации комплексы фиксируются преимущественно в осях и теле кристаллита [2, 4]. В закристаллизовавшемся металле атомы РЗМ в основном находятся не в твердом растворе, а в окружении прежде всего таких элементов, как кислород, сера, углерод и др., образовав с ними высокостабильные соединения. Сравнительно небольшая часть РЗМ растворяется в твердом растворе. Независимо от того, в каком виде РЗМ находятся в металле, они взаимодействуют на электронном уровне с элементами матрицы, снижая их диффузионную подвижность и стабилизируя структуру.

Следовательно, для уменьшения МХН важным фактором является равномерное распределение РЗМ в матрице. При сварке плавлением это условие реализуется в значительной степени в силу специфики сварочного процесса  [1].

Исследовали влияние РЗМ на МХН металла сварных швов, выполненных электродами, в состав покрытия которых вводили иттрий [1]. Введение в металл шва РЗМ (остаточное содержание иттрия 0,006% [1]) резко измельчает первичную структуру: цементитные пластины дробятся и приобретают овальную форму, уменьшается сечение первичного кристаллита, а также соотношение поперечных размеров осей и межосных пространств. Резко снижается степень МХН — уменьшается ликвация серы и кремния. Иттрий распределяется сравнительно равномерно, характер распределения дискретный [1].

Выявленное при этом, а также отмеченное во многих исследованиях снижение МХН и является следствием влияния РЗМ на диффузионную подвижность элементов в стали. Включения располагаются преимущественно в осях и теле кристаллитов [2, 4]. Это свидетельствует об активации процесса кристаллизации образовавшимися комплексами, выступающими в роли вьтсокодисперсной второй фазы. В результате перевода ликвирующих элементов (прежде всего серы и углерода) в стабильные соединения снижается содержание легкоплавкой фазы в расплаве. Таким образом, сводится к минимуму объем ликватов перед фронтом кристаллизации, изменяются кинетика и морфология роста кристаллитов.

С уменьшением ликвирующей фазы, с одной стороны, снижается степень переохлаждения металла перед фронтом кристаллизации и увеличивается скорость кристаллизации, с другой — фронт кристаллизации становится более устойчивым, скорость роста кристаллитов стабилизируется.

Увеличение скорости кристаллизации наряду с другими факторами обеспечивает образование мелкой ячеистой структуры [2]. В результате резко снижается МХН по кристаллиту [2, 5]. Границы спайности кристаллитов становятся более совершенными [2]. По мере стабилизации фронта кристаллизации, уменьшения и равномерного распределения оставшейся ликвирующей фазы, снижения ТИК изменяется тип кристаллизации: дендритный, дендритно-ячеистый перерастает в энергетически более выгодный ячеистый.

В силу специфики сварочного процесса РЗМ равномерно распределены в металле шва. Находясь в высокотемпературных химических соединениях и частично в твердом растворе, они снижают диффузионную подвижность элементов шва и степень   МХН.

При дуговой сварке плавлением в процессе кристаллизации металла шва РЗМ образуют сложные соединения (комплексы) с кислородом, серой и углеродом, уменьшая тем самым объем легкоплавкой (по сравнению с маточным раствором) фазы. Это способствует уменьшению ТИК и приводит к увеличению скорости кристаллизации. Со снижением объема легкоплавкой фазы стабилизируется фронт кристаллизации и изменяется ее тип.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector