Влияние термомеханических режимов обработки биметалла на диффузионную активность углерода
При изготовлении сосудов атомных энергетических установок (АЭУ) из биметаллических заготовок их детали подвергаются горячему деформированию и последующим термическим обработкам при температурах от 600 до 1200 °С, общая продолжительность нагревов составляет 50... 60 ч.
Большой интерес у исследователей вызывает проблема влияния пластической деформации на подвижность атомов (в частности углерода) в металлах и сплавах. В большинстве работ получены экспериментальные данные, свидетельствующие об увеличении диффузионной подвижности углерода при пластическом деформировании образцов. Например, в литературе показано, что при горячем деформировании процессы диффузии ускоряются. Однако в работает указывается на снижение диффузии углерода по мере увеличения пластической деформации. Изучение диффузионных процессов в зависимости от величины горячей пластической деформации и последующих термических обработок оказывается необходимым для выявления условий обработки, создающих минимальное науглероживание, и для определения толщин плакирующего слоя, обеспечивающего коррозионную стойкость.
Для исследования влияния пластической деформации на диффузионную активность углерода биметаллические образцы, полученные сваркой взрывом, из стали марки 22К + 08Х18Н10Т с толщиной плакирующего слоя 3 мм нагревали до температуры 1200 °С с выдержкой 1 ч и деформировали их на прессе осадкой в плоских бойках со степенями пластической деформации 20, 35, 50, 70 и 90 %. Деформированные образцы термически обрабатывали при следующих температурах и временах выдержки.
Методом послойного анализа на эмиссионном квантометре АКЬ-31000 определяли величину науглероженной зоны в образцах, нагретых до температуры 1200 °С (выдержка 1 ч) и деформированных при этой температуре, затем измеряли величину этой зоны на образцах, термообработанных по указанным режимам, и вычисляли прирост науглероженной зоны Д=5Т — 5д, где 5д — величина зоны науглероживания деформированного и термообработанного образца, мм; 5д — величина зоны науглероживания деформированного образца, мм.
По полученным данным строили графики зависимости прироста науглероженной зоны от степени пластической деформации (рис. 1). Анализ построенных графиков показал, что величина горячей пластической деформации биметалла по-разному влияет на изменение величины науглероженной зоны в аустенитной стали после термической обработки.
При нагреве до температуры 600 °С с выдержкой 4 ч величина прироста науглероженной зоны в диапазоне небольших степеней Деформаций достигает 0,05 мм, при увеличении выдержки до 24 ч прирост достигает 0,1 мм и остается примерно на одном уровне до величины пластической деформации, равной 60 и 50 % соответственно. При дальнейшем увеличении пластической деформации прирост уменьшается.
Однако с увеличением выдержки до 100 ч при этой температуре характер влияния пластической деформации на диффузию углерода изменяется. По мере изменения величины пластической деформации до 50 % прирост науглероженной зоны увеличивается и достигает 0,38 мм и при дальнейшем увеличении степени пластической деформации уменьшается (см. рис. 1, а; кривая <?).
При нагреве до температуры 700 °С с выдержками 2, 5, 8 ч прирост науглероженной зоны при степени пластической деформации 20 % соответственно составляет 0,12; 0,16; 0,22 мм и по мере увеличения пластической деформации несколько уменьшается. Прирост науглероженной зоны в образцах, нагретых до 800 °С с выдержками 2, 5, 8 ч, соответственно растет до значений 0,27; 0,30 и 0,36 мм в интервале пластической деформации от 0 до 30 %. С увеличением пластической деформации прирост резко уменьшается.
При нагреве образцов до температуры 900 °С прирост науглероженной зоны во всем изученном диапазоне пластической деформации остается практически постоянным и при выдержках 2; 5; 8 ч соответственно составляет 0,1; 0,2 и 0,3 мм (рис. 1,в). Дальнейшее повышение температуры нагрева приводит к появлению максимума на кривых прироста науглероженной зоны при степенях пластической деформации 40... 50 %.
Нагрев образцов до температуры 1000 °С с выдержками 2; 5 и 8 ч вызывает прирост в точках максимума до величин 0,13; 0,16 и 0,22 мм соответствено. Максимальные значения прироста науглероженной зоны в образцах, нагретых до 1100°С с выдержкой 2 и 5 ч, соответственно составляют 0,53 и 0,63 мм, а нагрев до 1200 °С с выдержкой 5 ч — 0,8 мм (см. рис. 1, г; кривые 4—6).
Проведенные исследования показывают, что пластическая деформация по-разному влияет на прирост науглероженной зоны в зависимости от температуры нагрева (рис. 2). По-видимому, это связано со многими факторами, происходящими при нагреве биметалла — изменением фазового состава, образованием и растворением карбидов, различием коэффициентов диффузии углерода в а- и у- железе ид.
Уменьшение прироста науглероженной зоны в интервале температур 900... 1000 °С, вероятно, связано с интенсивным растворением карбидов, повышающим активность углерода в науглероженном слое, что препятствует дальнейшему притоку углерода из основного металла.
Таким образом, при проектировании и разработке технологии изготовления сосудов АЭУ, свариваемых из биметаллических заготовок, подверженных горячему деформированию, следует учитывать величину прироста науглероженной зоны, появляющейся при последующих термических обработках. Выводы
1. При нагреве деформированных биметаллических заготовок до температур ниже точки ЛСз происходит замедление прироста науглероженной зоны при степенях пластической деформации более 50... 60 %.
2. Нагрев до температуры 900 °С, незначительно превышающей точку Ас3, не оказывает заметного влияния на диффузию углерода во всем изученном диапазоне пластической деформации.
3. При нагреве биметаллических заготовок до температур выше точки Ас3 (1000 °С и более) наблюдается максимум увеличении прироста науглероженной зоны при степенях пластической деформации 40 ... 50 %.