ю». Дегазация стали
ли, содержится водород, который ухудшает свойства металла. Пр'и вылеживании образцов избыточное количество водорода, удаляется из металла и результаты испытаний изменяются.
На рис. 43 показано изменение величины сжатия попереч ного сечения и удлинения отожженных образцов среднеуглеро дистой стали в зависимости от содержания водорода и длитель ности отжига полосы толщиной 100 мм [78]. Резкое повышение
пластичности металла наблюдается при снижении содержания
Рис. 43. Влияние видидида на пластические свойства катаной стали (цифры у точек — длительность отжига в часах):
О — сжатие поперечного сечения; • — удлинение
водорода до 1 Л1Л/100 г. Это достигается путем длительного от жига в течение 100—120 час. Из тонких сечений водород выде ляется во много раз быстрее, поэтому сталь приобретает необ
ходимые механические свойства при вылеживании стандартных образцов в течение двух-трех суток. Вредное влияние водорода на механические свойства стали усиливается с увеличением попе речного сечения заготовок и с усложнением состава металла.
Механические свойства большинства конструкционных сталей
испытываются согласно ГОСТу на термически обработанных образцах, поэтому при испытании этих сталей влияние водорода обычно не проявляется.
Дубовой и Романов подробно изучали влияние водорода на механические свойства стали [79]. Образцы металла электролити чески насыщались водородом в 5%-ном растворе серной кисло ты при комнатной температуре. После насыщения образцы не-
Влияние водорода на свойства и качество стали -юэ
медленно подвергались механическим испытаниям, а затем ана лизировались на водород. Эти исследования показали, что водо род сильно понижает относительное сужение и относительное удлинение стали и в меньшей степени снижает предел прочности и ударную вязкость. При некотором содержании водорода, раз личном для сталей разных марок и их структурного состояния,
образцы разрываются без образования шейки и при полном от сутствии относительного удлинения; сталь совершенно теряет свои пластические свойства и ее разрушение происходит на пре деле упругой деформации.
Рис. 44. Влияние водорода на пластические свойства сталей:
/— сталь 20; 2 — ШХ15
На рис. 44 приведены данные о влиянии водорода на отно сительное сжатие поперечного сечения и относительное удлине ние различных сталей. Кривая 1 показывает влияние водорода на свойства стали 20, а кривая 2 — на свойства стали ШХ15 [80]. В обоих исследованиях испытывались образцы катаной стали
после электролитического насыщения водородом.
Аналогично проявляется влияние водорода на свойства ли той стали. На рис. 45 показано влияние водорода, поступившего в металл во время плавки, на сжатие поперечного сечения ли той углеродистой стали [78]. Сравнение рис. 44 и 45 показывает, что с увеличением содержания водорода примерно до 5 лы/100 г показатели пластических свойств металла снижаются до мини мума.
Водород, растворенный в стали, является основной причиной возникновения таких пороков, как флокены, газовые пузыри и шиферный излом. Повышенное содержание водорода способ ствует увеличению красноломкости стали, что вызывает возра
стание количества поверхностных дефектов при ковке и прокат ке слитков.
Влияние водорода на свойства и качество стали Ш
ные и другие стали), в то время как почти все легированные
стали склонны к образованию флокенов. Особенно склонны к образованию флокенов хромоникелевые, хромоникельмолибде новые и хромоникельвольфрамовые конструкционные стали, в ко
торых в результате охлаждения может образоваться структура с небольшим количеством мартенсита. В быстрорежущей, высокохромистой ферритной стали и в высоколегированных хромонике левых аустенитных сталях флокены не образуются.
Рис. 47. Флокены в изломе. Сталь У10
Механизм образования флокенов в стальных изделиях до сих
пор точно не установлен, хотя был предложен ряд гипотез и тео рий. В настоящее время установлено, что для образования фло
кенов в стальных изделиях необходимо сочетание двух условий:
1) |
присутствие в стали достаточного содержания водорода и |
2) |
наличие структурных превращений (распад аустенита), при |
водящих к образованию структуры с небольшим содержанием
мартенсита и сохранение этой структуры при охлаждении до комнатной температуры. Поэтому возможность совпадения этих двух условий должна быть устранена.
Флокены образуются при температурах ниже 200°, причем образование их происходит не сразу после окончания прокатки или ковки металла, а через длительный промежуток времени, исчисляемый иногда десятками дней. Поэтому на практике бы вают случаи, когда металл, проконтролированный на флокены на заводе-изготовителе и признанный годным, завод-потребитель бракует из-за наличия флокенов, которые возникли при длитель ном вылеживании изделий. Период времени от момента изго
товления изделий до момента образования в них флокенОв назы-
112 |
Дегазация стали |
■вают инкубационным |
(скрытым). Длительность этого периода |
зависит от состава стали, сечения заготовки, первоначального со держания водорода и условий хранения металла.
Образование флокенов может быть объяснено следующим
•образом: при понижении температуры растворимость водорода
в |
стали уменьшается и водород, первонаиально растворенный |
в |
решетке у-железа, при охлаждении стремится выделиться из |
раствора. Особенно резко понижается растворимость водорода в точке Ас3 при прев|ращении у-решетки в и-решетку. Вследствие
Рис. 48. Микроструктура литой конструкционной хро моникелевой стали
химической микронеоднородности стали это превращение про исходит не одновременно во всем объеме металла. В качестве примера химичеокой микронеоднородности на рис. 48 приводится микроструктура литой стали, содержащей 0,21% С, 3% Ni, 0,8 %
Сг и охлажденной в печи с температуры 870°. Светлые участки
представляют собой оси кристаллов, а темная сетка — междуос-
ные пространства, кристаллизирующиеся в .последнюю очередь. В междуосных пространствах концентрация ликвирующих при месей, в том числе углерода и водорода з 3—4 раза выше, чем
среднее их содержание в металле. В междуосных пространствах
аустенит более устойчив, что приводит к запаздыванию в этих
участках структурных превращений, которые происходят не по
схеме аустенит->■ феррит + карбиды, а по схеме аустенит—>- мартенсит. Охлажденный до комнатной температуры мартенсит медленно распадается при вылеживании металла с образова нием феррита и карбидов. При этом выделяется водород, кото рый при низкой температуре не в состоянии продиффундировать
Влияние водорода на свойства и качество стали |
113 |
к поверхности изделия и удалиться .в атмосферу. Этот водород накапливается в микропорах, создавая огромное давление.
Кроме того, вследствие неоднородности структурных превраще ний в различных объемах стали возникают дополнительные на пряжения, сочетание которых с напряжениями, созданными вы делившимся водородом, вызывает разрыв сплошности металла. Разрушение металла происходит в- первую очередь по плоско стям, проходящим по междуосным промежуткам кристаллитов, обладающим большей хрупкостью, чем участки, соответствую щие осям кристаллитов.
■ Создаваемое водородом давление внутри металла определяет ся объемом внутренних пустот. Пластически деформированный
металл более уплотнен, чем литой, поэтому флокены чаще обра
зуются в катаных и кованых изделиях, чем в слитках и отливках. Растворимость водорода в аустените значительно выше, чем в феррите, а скорость диффузии меньше, и при низких темпе
ратурах водород из аустенитных сталей практически не выде ляется. Этим отчасти объясняется отсутствие флокенов в таких сталях. В ферритных сталях растворяется незначительное коли чество водорода, который легко удаляется из ферритной струк туры путем диффузии без образования флокенов. Процесс обра зования флокенов в аустенитных и ферритных сталях затруд нен также отсутствием в этих сталях структурных превращений. В быстрорежущей стали отсутствие флокенов, по всей вероят ности, объясняется адсорбцией водорода, на. сложных карбидах
подобно тому, как в чугунах имеет место адсорбция водорода на графите.
Флокены не образуются в прокате и поковках тонкого по перечного сечения (толщиной до 50 мм). В крупных изделиях флркены обычно залегают в сердцевинных слоях. Периферийные
слои поковок или проката большей частью не поражены фло кенами. Это объясняется тем. что растворенный в стали водород
во время охлаждения в значительном количестве удаляется из тонких изделий и только частично успевает удалиться из на ружных слоев крупных изделий.
На практике с флокенами можно бороться двумя способами: 1). уменьшением исходного содержания водорода в жидкой и твердой стали; 2) применением специальной термической об работки с целью сведения к минимуму структурных напряжений и получения металла с однородной структурой по всему сечению изделия.
Уменьшение содержания водорода в жидкой стали может быть достигнуто путем изменения технологии выплавки и раз ливки стали или применением специальных средств, таких, как продувка металла инертным газом, применение вакуума и дру гих мер, о которых будет сказано ниже. Металл с пониженным
8 Б. X. Хан
114 |
Дегазация стали |
содержанием |
водорода может охлаждаться после прокатки и |
ковки на воздухе при условии, что концентрация водорода в нем ниже определенного предела, не вызывающего образования фло
кенов в стали данной марки. Содержание водорода в стали, ни же которого образование флокенов не происходит, называется критическим и может быть определено экспериментально.
На одном из заводов исследовали флокеночувствительность стали 40Х в блюмсах сечением 200 X 200 мм, прокатанных из слитков основной мартеновской стали весом 6 т. Сталь выплав ляли в 120-т мартеновских печах. При определении флокеночувствительности испытываемые пробы охлаждали на воздухе. По истечении инкубационного периода в контрольных сечениях про веряли наличие флокенов. В табл. 32 приведены результаты этих опытов. Флокеночувствительность стали 40Х сопоставляли с содержанием водорода в металле во время разливки.
Таблица 32
Флокеночувствительность стали 40Х
№ плавки
Наличие флокенов
|
Содержа |
|
|
Режим охлаждения после |
ние |
на про |
на попе |
водорода |
|||
прокатки |
на раз |
в изломе дольном |
речном |
|
ливке |
макро |
макро |
|
мл/100 г |
шлифе |
шлифе |
1 |
в |
штабеле на воздухе . . . |
8,3 |
Крупные |
Крупные |
— |
2 |
То же...................................... |
7,0 |
—. |
7 мелких |
— |
|
3 |
Отдельно на воздухе . . . . |
6,8 |
Средние |
— |
Неясные |
|
4 |
То же...................................... |
6,8 |
Нет |
— |
Нет |
|
5 |
» |
» ..................................... |
6,4 |
— |
Нет |
— |
6 |
» |
» ..................................... |
5,7 |
Нет |
— |
Нет |
7 |
» |
» ...................................... |
5,5 |
» |
Нет |
— |
|
Первые две плавки выплавляли по |
обычной |
технологии с |
|||
раскислением и легированием |
металла |
в печи, |
а на остальных |
|||
плавках сталь выпускали из печи в кипящем состоянии.
Данные табл. 32 показывают, что при содержании водорода в металле ниже 6,5 лы/100 г флокены в исследуемой стали не образуются. По мере уменьшения содержания водорода в стали флокеночувствительность ее понижается.
Аналогичное исследование было проведено на другом заводе Сталь 40Х, выплавляемую в основных 40-т мартеновских печах, отливали в слитки весом 3 т и прокатывали на заготовку сече нием 120X120 мм. От заготовок, соответствующих головной ча
сти слитка, вырезали пробы длиной 350 мм и охлаждали их на воздухе. В средней части пробы по истечении инкубационного периода вырезали поперечные темплеты, в которых проверяли наличие флокенов. Результаты этих опытов приведены в табл. 33.
Влияние водорода на свойства и качество стали |
115 |
Таблица 33-
|
Флоксночувствительность |
стали |
40Х |
|
|
||
Яд плавки . . . |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
Содержание во |
|
|
|
|
|
|
|
дорода на раз |
|
|
|
|
|
|
|
ливке |
|
|
|
|
|
|
|
мл! 100 а . . |
6,8 |
6,3 |
6,3 |
6,1 |
5,7 |
5,5 |
5,2 |
Наличие флоке нов . . . . Имеются Имеются Имеются Не обн. Не обн. Не обн. Не обн.
Из данных табл. 33 следует, что во второй серии опытов фло кены были обнаружены только в плавках, у которых содержание
водорода на разливке превышало 6,1 жл/100 г. Количество фло кенов в дефектных темплетах было минимальным. Следователь но, в условиях второй серии опытов критическое содержание во
дорода для стали 40Х, прокатанной на заготовку сечением
120X120 мм, составляет примерно 6,0 лл/100 г. Несколько мень шее значение критического содержания водорода для стали 40Х
во втором случае объясняется большей плотностью металла,
вследствие большей степени обжатия (4,7 против 3,3). Зависимость флокеночувствительности стали ЗОХНМ от со
держания водорода исследовал Симс [81]. Содержание водорода в стали изменяли, продувая жидкий металл водородом и азотом попеременно. Опытные слитки прокатывали на заготовки сече нием 75x75 мм, от которых отбирали пробы и охлаждали их
на воздухе. Результаты опытов Симса приведены в табл. 34. Эти опыты показывают, что для стали ЗОХНМ, прокатанной на за готовки сечением 75x75 мм и охлажденной на воздухе, крити ческое содержание водорода составляет 0,0006%, что соответ ствует 7 лгл/100 г.
Аналогичные значения критического содержания водорода получил Дубовой при исследовании флокеночувствительности хромоникельмолибденовой стали в заготовке сечением 90X90 мм [82]. Им установлено, что при охлаждении указанной стали на воздухе флокены не образуются при содержании водорода 7,0— 7,5 лл/100 г.
Большой интерес представляет исследование флокеночувст вительности стали, отливаемой в крупные слитки для изделий с большим поперечным сечением. Сталь всех плавок имела пони женное содержание водорода, что достигалось изменением тех нологии выплавки стали в основных мартеновских печах. При
8*