ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2014, том 115, № 5, с. 467-475
^ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
УДК 669.15-194:537.624.8
О ТЕМПЕРАТУРНЫХ ИЗМЕРЕНИЯХ КОЭРЦИТИВНОЙ СИЛЫ В АНАЛИЗЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ, ПРОИСХОДЯЩИХ ПРИ ОТПУСКЕ ЛЕГИРОВАННЫХ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ
© 2014 г. А. И. Ульянов, И. А. Баранова, А. А. Чулкина, А. В. Загайнов, В. А. Волков
Физико-технический институт УрО РАН, 426000Ижевск, ул. Кирова, 132 e-mail: chulkina@ftiudm.ru Поступила в редакцию 29.07.2013 г.; в окончательном варианте — 28.08.2013 г.
Исследовано влияние легирующих элементов Mn, Cr и Si на магнитные гистерезисные свойства цементита и модельных сталей с содержанием углерода 0.6 мас. %. Показано, что легирование карби-дообразующими элементами (Mn, Cr) понижает коэрцитивную силу и точку Кюри цементита. Проведены температурные измерения коэрцитивной силы модельных сталей с содержанием углерода 0.6 мас. %, легированных марганцем, хромом или кремнием, в интервале температур от (—196) до 300°C. Установлено, что локальный максимум коэрцитивной силы сталей в исследуемом интервале температур приходится на точку Кюри выделений карбидных фаз. Из анализа температурных зависимостей коэрцитивной силы оценивается содержание легирующего элемента в выделениях цементита сталей, отпущенных при различных температурах. Показано, что характер зависимости коэрцитивной силы легированных сталей от температуры отпуска в интервале от 250 до 700°C определяется главным образом коэрцитивностью и кинетикой образования выделений цементита.
Ключевые слова: легированные стали, легированный цементит, отпуск, фазовые превращения, коэрцитивная сила, точка Кюри.
DOI: 10.7868/S001532301405012X
ВВЕДЕНИЕ
Для закаленных и отпущенных простых углеродистых сталей с содержанием углерода свыше 0.3 мас. % характерно немонотонное изменение коэрцитивной силы НС от температуры отпуска, а именно — наличие максимума на зависимости #С(ГОТП) в области ГОТП ~ 450—500°С. Причину образования такого максимума обычно связывают с приближением в процессе коагуляции размеров выделений цементита к ширине доменных стенок ферритной матрицы [1]. В соответствии с теорией "включений" Керстена [2] при их равенстве обеспечивается максимальное зацепление доменных стенок за слабомагнитные включения цементита как за своеобразные "поры". Однако при этом не учитывались магнитные гистерезисные свойства самого цементита. В [3] методом механического сплавления порошков железа и графита был получен порошок цементита. В [4] были исследованы магнитные свойства такого цементита и обнаружено, что коэрцитивная сила цементита находится в сильной зависимости от его структурного состояния. Если после механического сплавления Не цементита составляла ~80 А/см, то после отжига при 500°С, она увеличивалась до ~240 А/см. Таким образом, цементит по отноше-
нию к ферритной матрице, НС которой не превышает 10 А/см, является магнитотвердой фазой. Поскольку объемная доля магнитотвердых выделений цементита в простых углеродистых сталях может достигать 20%, то становится понятным, что при обсуждении механизмов перемагничива-ния углеродистых сталей коэрцитивность цементита необходимо учитывать. Такая попытка была сделана в [5]. Из анализа температурных зависимостей коэрцитивной силы были сформулированы следующие модельные представления о формировании магнитного гистерезиса углеродистых сталей в состоянии после закалки и среднетемпе-ратурного отпуска. Коэрцитивная сила таких сталей определяется тремя основными механизмами перемагничивания: коэрцитивностью ферритной матрицы, гистерезисом, обусловленным взаимодействием доменных стенок матрицы со слабомагнитными выделениями цементита и гистерезисом цементита как магнитотвердой фазы. В предположении, что НС смеси магнитомягкой (ферритная матрица) и магнитотвердой (цементит) фаз находится в линейной зависимости от коэрцитивной силы фаз и их объемного содержания, был определен вклад в НС образца от каждого рассмотренного механизма перемагничивания. При этом ока-
залось, что максимум на зависимостях НС(ТОТп) простых углеродистых сталей определяется вкладом в НС, обусловленным выделениями цементита как магнитотвердой фазы. Естественно, степень проявления этого максимума возрастает с увеличением содержания углерода в сталях.
В легированных углеродистых сталях связь между содержанием углерода и характером зависимости НС(ТОТП) становится более сложной, что экспериментально показано в работах [6, 7] и многих других. Введение легирующих элементов в средне- или высокоуглеродистую сталь может как увеличивать, так и уменьшать степень проявления максимума на зависимости НС(ТОТП), смещать его в сторону как более низких, так и более высоких температур отпуска. Можно ожидать, что легирование в процессе отпуска будет оказывать определенное влияние, как на магнитные ги-стерезисные свойства выделений цементита, так и сталей в целом. Однако в литературе имеются лишь единичные работы по исследованию влияния легирующих элементов на характер зависимостей НС(ТОТП) углеродистых сталей [8].
В данной работе делается попытка поиска закономерностей влияния карбидообразующих и некарбидообразующих легирующих элементов на характер зависимостей коэрцитивной силы от температуры отпуска на примере модельных сталей 60Х, 60Г и 60С2 в сравнении с простой углеродистой сталью 60. Выбранные стали содержат в своем составе одинаковое (по массовым процентам) количество углерода. В качестве карбидооб-разующих легирующих элементов выбраны широко используемые на практике хром и марганец, некарбидообразующих — кремний. Приводится также информация о магнитных свойствах цементита, легированного этими элементами
ОБРАЗЦЫ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ
В промышленных сталях кроме специально вводимых легирующих всегда присутствуют примеси других химических элементов. Поэтому влияние отдельных легирующих элементов на структурное состояние сталей удобнее изучать на модельных образцах, которые приготовлены в лабораторных условиях из высокочистых материалов.
Модельные стали 60, 60Х, 60Г и 60С2, а также порошки цементита, легированного хромом, марганцем, кремнием, получали методом механического сплавления смеси порошков карбонильного железа чистотой 99.98%, графита чистотой 99.99%, марганца чистотой 99.9%, хрома чистотой 99.9% и кремния чистотой 99.999%. Модельные углеродистые стали в атомных процентах имели состав: Fe97.2C2.8; Fe96.22Cr1.05C2.73; Fe96.3Mn1C2.7 и Fe93.5Si3.82C2.68, соответственно. Механическое сплавление порошков проводили в шаровой пла-
нетарной мельнице "Пульверизетте-7" в атмосфере аргона в течение 18 ч. После механического сплавления полученные порошки прессовали в форме дисков диаметром d = 5 мм и высотой к = 2 мм под давлением 2.2 ГПа. Спекание прессовок проводили в вакууме при температуре 1050°^ в течение 2 ч. Пористость образцов составила «(8—10)%. Спеченные диски были закалены от ТЗАК= 850°^ в воду, выдержаны в жидком азоте и отпущены в интервале температур от 100 до 700°^ в течение 1 ч.
Порошки цементита составов Fe3C, (Р^МПш^, ^0.970-0.03^ и Feз(Co.96Sio.o4) были также получены методом механического сплавления смеси порошков исходных компонентов в течение 16—18 ч, затем отжигались в интервале температур от 200 до 700°^ в течение 1 ч.
Отжиг и отпуск исследуемых образцов проводили в атмосфере аргона на установке, где одновременно проводились измерения температурной зависимости их дифференциальной магнитной восприимчивости х(Т). Амплитуда переменного магнитного поля установки составляла 1.25 А/см при частоте 120 Гц, скорость нагрева и охлаждения образцов — 30 град/мин.
Магнитные характеристики образцов и их температурные зависимости были измерены на вибрационном магнитометре с максимальным намагничивающим полем 13 кА/см в интервале температур от —196 до 300oC. Погрешность измерений не превышала 3%.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Влияние легирующих элементов на зависимость коэрцитивной силы от температуры отпуска НС(ТОТП) легированных углеродистых сталей удобно проводить в сравнении с простой углеродистой сталью, в качестве которой была выбрана сталь Ст.60. На рис. 1 приведены зависимости НС(ТОТП) закаленной стали 60 (кривые 1), измеренные при комнатной температуре (б) и температуре жидкого азота (в). Видно, что в области ТОТП « (400-500^ зависимости Нс(Тотп) стали 60 имеют максимум, который выражен гораздо ярче, если измерения проведены при температуре жидкого азота (ТИЗМ = —196°C) (кривые 1 на рис. 1б и 1в). Это может быть связано с тем, что в области низких температур при практически неизменном структурно-фазовом состоянии образцов сильно изменяются магнитные константы некоторых фаз. Например, при понижении температуры измерений от комнатной до температуры жидкого азота более чем вдвое возрастает коэрцитивная сила цементита (рис. 1а, кривые 1, 2). Это указывает на существенное увеличение константы маг-нитокристаллической анизотропии цементита. В то же время магнитные константы и коэрцитив-
ная сила других фаз при понижении температуры измерений изменяются в меньшей степени. Например, НС железа при этих условиях увеличивается на 6% (от 1.8 до 1.9 А/см) [9], мартенсита стали 60 — на 32% (от 31 до 41 А/см, на рис. 1б, 1в, кривые 1).
Углеродистые стали после закалки и отпуска находятся в сложном структурном состоянии и их магнитные гистерезисные свойства определяются одновременным действием нескольких механизмов перемагничивания. Исходя из рассмотренных в [5] модельных представлений, на рис. 1б приведены вклады hc от рассмотренных механизмов перемагничивания в экспериментальное значение НС (кривая 1) стали 60, отпущенной при различных ТОТП. Вклад hC, обусловленный коэр-цитивностью матрицы, представлен кривой 2; вклад от цементита как слабомагнитных включений, с которыми взаимодействуют доменные стенки ферритной матрицы — кривой 3; от цементита как магнитотвердой фазы — кривой 4. Видно, что основную роль в формировании максимума на зависимости НС(ТОТП) в области ТОТП ~ 500°C играет гистерезис цементита как магнитотвер-дой фазы. Видно также, что кривая 4 в общих чертах похожа на зависимость Н
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.