НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Файл статьи: Semenov_M.pdf (911.63Кб)

УДК 621.785.52

Россия, ФГУП «ЦНИИЧерМет им. И.П.Бардина» "

Рассмотрена проблема зарождения частиц карбидов цементитного типа при цементации теплостойких сталей, применяемых в зубчатых колесах газотурбинных двигателей. 
В качестве цели работы принята проверка ранее выдвинутая гипотезы о преимущественно дислокационном механизме зарождения частиц легированного преимущественно хромом цементита, образующихся при цементации.
В качестве методической основы настоящей работы принято проведение численного эксперимента, основанного на соотношениях кинетической теории зарождения, а также на известных из экспериментальных исследований фактах.
Согласно кинетической теории зарождения новая фаза в твердых растворах образуется на дефектах кристаллического строения металла, таких как межзеренные границы и скопления дислокаций. Принципиальное различие в этих механизмах, представляющее практический интерес, заключается в том, что при зарождении на границе зерен частицы цементитной фазы приобретают вид сплошной или разорванной сетки, резко снижающей механические свойства упрочненной детали. 
Экспериментальными исследованиями легированного цементита установлено, что средняя концентрация хрома в нем вдвое превосходит содержание в сталях. Кроме того обнаружены области аномально высокой концентрации хрома в цементите, содержание легирующего элемента в которых отличается от среднего в стали более, чем на порядок.
Проведенным численным экспериментом установлено, что зарождение частиц легированного хромом цементита (при концентрации хрома 3 % и более) происходит преимущественно по дислокационному механизму на флуктуациях концентрации данного легирующего элемента. Необходимой предпосылкой для начала процесса активного зарождения частиц новой фазы в твердом растворе является, согласно расчетам, локальное повышение концентрации хрома до 40 %.
Несмотря на отсутствие физических предпосылок для образований сегрегаций хрома, данный феномен объяснен сильным химическим сродством хрома и углерода, вызывающим диффузию хрома в области скопления атомов углерода. При этом образование флуктуаций концентрации углерода на дефектах кристаллического строения стали, вызванное высокими значениями энергии связи атомов примеси внедрения, таких как углерод, с дислокациями,  является хорошо известным в научной литературе фактом.
Установленный преимущественный механизм зарождения частиц легированного хромом цементита на флуктуациях удовлетворительно объясняет другие известные из экспериментальных исследований факты.
Так, введение значительного количества никеля (порядка 3-4 %) в сталь, легированную 3 % хрома, приводит к образованию цементитной фазы в виде зернограничной сетки. Данное обстоятельство объяснено известным фактом снижения скорости диффузии хрома в стали в присутствии никеля, что препятствует образованию сегрегаций атомов хрома, диффундирующих в дефектные зоны, насыщенные углеродом.
Также известен феномен образования сетки при повышении температуры цементации свыше 980 °С, который также согласуется с представлениями о зарождении частиц легированного цементита на дислокациях, насыщенных хромом и углеродом. Общеизвестно, что при повышении температуры резко возрастает диффузионная подвижность углерода и хрома, что приводит к разрушению связей атомов углерода и дефектов кристаллического строения и более равномерному распределению хрома и углерода в стали.
В связи с изложенным, рекомендовано в теплостойких сталях нового поколения с повышенным содержанием никеля формировать диффузионные слои, не содержащие цементитную фазу, а упрочненные за счет тугоплавких карбидов вольфрама, молибдена, ванадия и других особо сильных карбидообразующих элементов.

Список литературы
1. Елисеев Ю.С., Крымов В.В., Нежурин И.П., Новиков В.С., Рыжов Н.М. Производство зубчатых колес газотурбинных двигателей. М.: Высшая школа, 2001. 493 с.
2. Лашнев М.М., Смирнов А.Е., Семенов М.Ю. Применение вакуумной нитроцементации для повышения сопротивления схватыванию зубчатых колес из стали ВКС-10 // Металловедение и термическая обработка металлов.  2013. № 1 (691). С. 29-33.
3. Мартин Дж.У. Микромеханизмы дисперсионного твердения сплавов: пер. с англ. М.: Металлургия, 1983. 167 с.
4. Семенов М.Ю. Управление строением цементованных слоев теплостойких сталей. Часть I // Металловедение и термическая обработка металлов. 2013. № 5 (695). С. 31-38.
5. Семенов М.Ю. Управление строением цементованных слоев теплостойких сталей. Часть II // Металловедение и термическая обработка металлов. 2013. № 6 (696). С. 32-37.
6. Zheng-Fei Hu. Heat-Resistant Steels, Microstructure Evolution and Life Assessment in Power Plants // In book: Rasul M., ed. Thermal Power Plants. InTech, 2012. DOI: 10.5772/26766
7. Рыжов Н.М., Семенов М.Ю., Фахуртдинов Р.С., Смирнов А.Е. Модель диффузионного роста частиц карбидной фазы в цементованном слое теплостойких сталей // Металловедение и термическая обработка металлов. 1998. № 9. C. 26-30.
8. Vodopivec F., Skobir Balantič D.A., Jenko M., et al. Nukleation and growth of M23C6 particles in high-chromium creep-resistant steel // Materials and technology. 2012. Vol. 46, no. 6. P. 633-636.
9. Christian J.W. The theory of transformations in metals and alloys. Amsterdam, Boston, London, New York, Oxford, Paris: Pergamon, 2002.
10. Фромм Е., Гебхардт Е. Газы и углерод в металлах: пер. с нем. М.: Металлургия, 1980. 712 с.
11. Siegel D.J., Hector Jr. L.G., Adams J.B. Adhesion, stability, and bonding at metal/metal-carbide interfaces: Al/WC // Surface Science. 2002. Vol. 498. P. 321-336.
12. Chiou Jr. W.C., Carter E.A. Structure and stability of Fe3C-cementite surfaces from first principles // Surface Science. 2003. Vol. 530. P. 87-100.
13. Щербединский Г.В., Кондратченко Л.А. Диффузионный рост фаз в трехкомпонентных системах при наличии взаимного влияния элементов // Защитные покрытия на металлах: сб. науч. тр. Вып. 5. Киев: Наукова думка, 1972. C. 23-30.
14. Щербединский Г.В., Исаков М.Г., Трубчиков В.В. Одновременное насыщение и выгорание двух элементов в трехкомпонентном сплаве при конечной скорости массопередачи на поверхности // Защитные покрытия на металлах: сб. науч. тр. Вып. 7. Киев: Наукова думка,1973. C. 57-63.