Материал: Хан Б.Х. Раскисление, дегазация и легирование стали

Таблица 34

Флокеночувствительность стали ЗОХНМ

обжатии слитков опытных плавок под прессом отковывали про­

бы, длина которых была больше диаметра. Пробы после ковки охлаждали на воздухе и по различным режимам в термических

печах. После охлаждения пробы из средней части ее вырезали поперечные темплеты для контроля на флокены. Результаты контроля флокеночувствительности металла и краткая характе­ ристика режима охлаждения проб после ковки приведены в табл. 35.

В порядке возрастания флокеночувствительности исследо­ ванный металл можно разделить на три группы: никелевые, хро моникелевыё' и хромоникельмолибденовые стали. При выплавке этих сталей по обычной технологии содержание водорода состав­ ляет 7,0—7,5 лл/10'0 г и в металле всегда образуются флокены.

Содержание водорода в металле опытных плавок колебалось в пределах 5,0—5,5 юг/100 г. Первые пять проб (табл. 35) охлаж­ дали после ковки на воздухе. В стали 40ХН с содержанием водо­

рода 5 Л1Л/10О г и диаметром заготовки около 400 мм флокены не образовывались, в то время как при том же содержании водоро­ да и таком же сечении заготовки в стали 50ХН были обнару­ жены флокены. Склонность к флокенообразованию оценивали по количеству выявленных флокенов и по величине радиуса рас­ пространения' их по сечению темплета.

Сталь 43Н (проба № 2) менее флокеночувствительна, чем сталь 35ХНМ (проба № 4), при одинаковом поперечном сече­

нии заготовки и почти одинаковом содержании водорода. Сравне­ ние результатов контроля проб № 12 и 13 показывает, что фло­

кеночувствительность стали возрастает с повышением содержа­

ния водорода при условии одинакового режима охлаждения проб после ковки и одинакового сечения заготовок. Результаты контроля проб № 7, 8, 9 подтверждают вывод о том, что приме­ нение специальных режимов отжига с последующим замедлен­ ным охлаждением устраняет флокены в изделиях. Увеличение

диаметра заготовки способствует развитию флокенообразования при одинаковом химическом составе металла (пробы № 13 и 14). Развес слитка, по-видимому, оказывает влияние на склон­

ность стали к образованию флокенов. В крупных слитках ликва­ ция водорода сильно развита, поэтому возможность возник­ новения флокенов в изделиях, изготовленных из крупных.слит­ ков, больше, чем у тех же изделий из слитков малого развеса.

Результаты описанных опытов показывают, что возникнове­ ние флокенов в изделиях крупного профиля определяется со­ держанием водорода в выплавляемом металле. При данном со­ держании водорода склонность к образованию флокенов зави­ сит от химического состава стали, величины поперечного сечения заготовки, развеса слитка и режима охлаждения изделий после горячей пластической обработки. Достигнутое минимальное со­

118 Дегазация стали

держание водорода в результате усовершенствования техноло­

гии выплавки стали позволяет в некоторых случаях получать из­ делия без флокенов при охлаждении их после ковки на возду­ хе или при отжиге по сокращенным режимам термической об­

работки (пробы № 1, 6, 7, 11). По-видимому, в этом случае со­ держание водорода было ниже критического. Приведенные дан­ ные из-за своей малочисленности не позволяют, однако, сделать

окончательных выводов.

Результаты описанных исследований показывают, что крити­

ческое содержание водорода, ниже которого флокены не обра­ зуются, определяется местными условиями производства сталь­ ных изделий и определение его является сложной задачей.

Обычно катаные заготовки или поковки диам. 100—250 мм

после горячей механической обработки помещают в специаль­ ные неотапливаемые колодцы (ямы), где они медленно охлаж­ даются. При таком медленном охлаждении металл некоторое время находится при температуре около 350°, что обусловлива­ ет полный распад аустенита в бейнит и исключает образование флокенов. Для сложных сталей типа хромоникелевых или хромоникельмолибденовых рекомендуется охлаждать изделия до

температуры Аг" (300—400е), зависящей от химического соста­ ва стали, и производить изотермическую выдержку до тех пор,

пока полностью не завершится распад аустенита и превраще­ ние его в бейнит. Если весь аустенит полностью превратится в бейнит без наличия мартенсита, то дальнейшая скорость охлаж­ дения изделий может быть любой, и тем не менее флокены не образуются независимо от содержания водорода [83]. Для ста­ ли 40ХНМ оптимальной температурой является 315° и продолжи­ тельность выдержки составляет 2 часа.

При быстром охлаждении изделий из стали некоторых ма­ рок и получении структуры металла, состоящей полностью из мартенсита, возникают не флокены, а закалочные трещины. Флокены и закалочные трещины имеют различную природу и смешивать их не следует.

Из толстых изделий водород удаляют при помощи изотерми­

ческого отжига при температуре несколько ниже точки Асз (650—670°). При этой температуре скорость диффузии водорода в a-железе наибольшая и удаление водорода из металла проис­ ходит, хотя и медленно, но наиболее быстро из всех возможных вариантов. Длительность этого процесса пропорциональна квад­ рату толщины изделия. Изотермический отжиг изделий произво­ дят в нагревательных печах или отапливаемых колодцах. Таким способом на заводах обрабатывают рельсы.

Для крупных изделий из легированных сталей с поперечны­

ми размерами свыше 300 мм описанные методы борьбы с фло­ кенами являются недостаточными вследствие сильного развития

химической неоднородности металла и чрезвычайно длительно­ го удаления водорода из больших объемов металла. В этом слу­

чае применяют сложные методы термической обработки, состоя щие обычно из трех следующих циклов: а) нагрев до 850—870° и выдержка при этой температуре с целью рекристаллизации структуры металла; б) охлаждение до 350° и выдержка при этой температуре с целью проведения распада аустенита в бей­

нит; в) нагрев до температуры несколько ниже Ася и выдержка'

при этой температуре с целью удаления водорода. При правиль­ ном выборе длительности отдельных периодов последующее ох­ лаждение изделий с 650—670° можно производить на воздухе, не опасаясь образования флокенов. На практике обычно оконча­ тельное охлаждение производят вместе с печью для облегчения последующей механической обработки.

Описанные методы термической обработки применяют на за­ водах, на которых слитки сразу после отливки (без промежуточ­ ного охлаждения) поступают в прокатку или ковку. На тех за­ родах, где после отливки слитки охлаждаются до комнатной тем­ пературы, флокеночувствитель'ные стали проходят замедленное охлаждение в неотапливаемых колодцах, а затем поступают в дальнейший передел.

Предотвращение возникновения флокенов в стальных изде­ лиях путем термической обработки требует значительных про­ изводственных площадей и устройства большого количества спе­

циальных печей и колодцев, что связано с огромными капиталь­ ными затратами. Увеличение производства легированных ста­ лей, требующих термической обработки после прокатки и ковки, создает на заводах в прокатных цехах производственные за­ труднения, нарушающие нормальную работу. Поэтому все боль­ шее значение приобретают методы снижения содержания водо­ рода в жидком металле до пределов, позволяющих охлаждать

изделия прямо на возудхе или сократить длительность терми­ ческой обработки.

Водород является одной из причин образования шиферного излома стали. Шиферный излом наблюдается только на ради­ альных или поперечных образцах, вырезанных из проката тол­ щиной свыше 100 мм. Углеродистые стали менее склонны к ши­ ферному излому, чем легированные. С повышением содержания легирующих элементов, в частности хрома, склонность к обра­ зованию шиферного излома возрастает. Шиферность резче все­ го выражается во внутренних зонах слитка.

Влияние водорода на образование шиферного излома угле­ родистой стали подтверждено Хлебниковым [84], который искус­ ственно •получал шиферный излом путем продувки водородом

жидкого металла, выплавленного в индукционной печи. В зави­

симости от условий продувки металла водородом и условий кри­

120 Дегазация стали

сталлизации слитков изменялась степень шиферное™ попереч­ ного излома кованой стали.

Механизм образования водородной шиферности можно пред­

положительно представить следующим: в процессе кристалли­ зации металла при понижении температуры происходит резкое

падение растворимости водорода, в особенности при переходе стали в твердое состояние. Поэтому водород еще в жидкой ста­ ли начинает диффундировать по направлению к участкам с по­ вышенной растворимостью, т. е. к более горячим. В результате при повышенном общем содержании водорода в стали здесь об­ разуются пузырьки молекулярного водорода (в особенности пе­ ред самым моментам затвердевания) и возникают места сла­ бины в затвердевшем слитке. После образования пузырька во­ дорода поверхностно активные элементы — углерод, сера, фос­ фор—начинают диффундировать в металле по направлению к

границам пузырька, обогащая примесями имеющуюся на его поверхности пленку металла, В результате междендритные ликвационные пространства обогащаются примесями, что ослаб­ ляет эти участки.

Возможно, что распыленные в стали нерастворимые твердые

и жидкие мельчайшие неметаллические включения, адсорбируя пузырьки водорода, участвуют в их движении к будущим гра-

цицам дендритов и увеличивают загрязненность междендрит­

ных пространств после затвердевания стали.

В процессе горячей механической обработки междендритные участки вытягиваются, но пузырьки водорода в связи со значи­

тельным загрязнением их стенок включениями не заваривают­ ся или завариваются непрочно. При переходе через критический

интервал температур вокруг неметаллических включений выпа­ дает феррит, образуя так называемую вторичную полосчатость, что еще больше усиливает неоднородность стали по вытянутым зонам между раскатанными дендритами. При испытании попе­ речной пробы на излом такой металл обнаруживает шиферность, которую можно назвать водородной, так как главная роль в

процессе ее образования принадлежит водороду.

В связи с появлением шиферного излома резко падают меха­

нические свойства в поперечных пробах, характеризующие плас­ тичность металла. Особенно резко снижается значение сжатия по­

перечного сечения. Прочностные характеристики металла оста­

ются без изменения.

Помимо водорода, причиной образования шиферного излома стали является повышенное содержание серы, глинозема и слож­ ных оксисульфидных включений, а также другие причины, свя­ занные с дальнейшей обработкой и эксплуатацией металла [85].

При достаточно высоком содержании водорода в стали воз­ можно образование пузырей (газовой пористости) в верхних и