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

средних зонах слитка, возникновение которых объясняется рез­ ким уменьшением растворимости водорода при переходе метал­ ла из жидкого состояния в твердое.

Эти пузырьки обнаруживают при макроконтроле темплетов

катаных изделий. Они образуются также в результате заворота!

корочки при разливке стали и располагаются на глубине до 30— 40 мм от края заготовки: иногда пузырьки заполнены неметал­ лическим веществом.

Влияние содержания водорода на газовую пористость ис­ следовали при производстве трубных заготовок хромомолибде­ новой стали, диам. 200—250 мм. С целью устранения подкорко­ вых пузырей, вызванных нарушением технологии разливки ста­

ли, слитки шеред прокаткой подвергались огневой зачистке в хо­ лодном состоянии на глубину 20—25 мм. При прокатке на круп­ носортном стане от заготовок отрезали поперечные темплеты

для макроконтроля из верхней, средней и нижней частей слит­ ка. Наличие газовой пористости сравнивали с содержанием во­ дорода в металле на разливке. В табл. 36 приведены данные о содержании водорода -в металле и о величине брака темплетов-.

10 плавок с содержанием водорода 8,25 жл/100 г проводили по обычной технологии, а 5 плавок, имеющих среднее содержа­ ние водорода 6,7 жд/100 г, проводили по усовершенствованной технологии — без предварительного раскисления кремнием в.

печи. Данные табл. 36 показывают, что при повышенном содер­

жании водорода в стали, равном 8,25 жл/100 г, процент темпле­ тов, забракованных из-за газовой пористости, составил 15,6, в. то время как при содержании водорода 6,7 мл/\00 г темплетов с газовой пористостью не обнаружено. По-видимому, существует

какое-то критическое содержание водорода, ниже которого га­ зовая пористость металла не образуется. Для исследуемой мар­ ки стали и диаметра заготовки 200—'250 мм оно близко к.

7 мл!\Ш г. Проверка этого положения в массовом производстве подтвердила результаты опытных плавок.

Водород, растворенный в стали, увеличивает общее напря­ женное состояние металла, вследствие чего при обработке слит­ ков давлением на поверхности поковок и проката возникают трещины и рванины. С увеличением содержания водорода в стали красноломкость ее возрастает.

В табл. 37 приведены данные о зависимости между содер­ жанием водорода в металле на разливке и ковкостью стали 55Х, отливаемой в крупные слитки. При оценке ковкости металла

учитывали мелкие трещины и рванины, не подлежащие вырубке и крупные, требующие специальной вырубки.

Данные табл. 37 показывают, что чем меньше содержание во­ дорода в слитках стали 55Х, тем меньше образуется при ковке трещин и рванин.

На другом заводе исследовали склонность стали к образова­

нию трещин и рванин при прокатке металла на блуминге и круп­ носортном стане. Исследование выполняли на сталях 40Х, 20Х. 20ХН и 40ХН. Сравнивали качество поверхности проката 10 пла­ вок, выплавленных по усовершенствованной технологии, и 10 пла­ вок, выплавленных в то же время на тех же печах, но по обыч­ ной технологии. Результаты контроля качества поверхности про­ ката и содержание водорода в металле приведены в табл. 38.

Данные табл. 38 показывают, что при снижении содержания водорода в металле до 6,0 лл/100 г против 7,8 лы/100 г выход заготовок 1-й группы увеличивается, а брак из-за трещин и рва­

нин уменьшается для проката крупного профиля более чем чв

1,5 раза, мелкого профиля — более чем в три раза.

Следовательно, для улучшения поверхности проката и заго­ товок необходимо принимать меры для снижения содержания водорода в стали.

Водород, присутствующий в стали, отрицательно влияет на ее ■свойства, вызывая ряд нежелательных пороков и ухудшение ка-

чества стальных изделий. В литературе нет данных, указываюющих на полезное действие водорода. Поэтому сталеплавильщик должен принимать все меры и использовать имеющиеся средст­ ва для получения стали с минимально возможным содержанием

водорода.

ВЛИЯНИЕ АЗОТА НА СВОЙСТВА И КАЧЕСТВО СТАЛИ

С увеличением содержания азота в железе механические свойства сплава, характеризующие сопротивление деформа­

сужение и ударная вязкость — понижаются. По характеру влия­

ния на свойства стали азот сходен с фосфором и сурьмой —эле­ ментами, находящимися с ним в одной группе периодической системы элементов.

Влияние азота на предел прочности и предел текучести мало­

углеродистой стали показано на рис. 49, а на ударную вяз­

кость— на рис. 50. С возрастанием содержания азота в стали предел прочности повышается, а ударная вязкость падает. Влия­ ние азота усиливается с повышением в стали концентрации фосфора.

Азот, подобно фосфору, вызывает хладноломкость стали. Это

свойство азота особенно следует учитывать при производстве

рельсов из бессемеровской стали, содержание азота в которой выше, чем в мартеновской и электростали.

Вследствие повышенного содержания азота обычная бессе­ меровская сталь хуже по своим свойствам мартеновской или электростали. Пластичность ее ниже, а прочность несколько вы­ ше. Эта сталь более хрупкая, чем мартеновская, и до последнего времени предназначалась только для изделий неответственного

назначения. Использование в бессемеровском процессе чистого кислорода или смеси кислорода с другими газами дает возмож­

ность снизить содержание азота в выплавляемой стали и при­ близить ее свойства к мартеновской.

Рис. 49. Влияние азота на предел прочности (cts) и предел текучести

(о\в) низкоуглеродистой стали [133]:

О — для стали с 0,096—’ 0,123®/» Р: 9 — для стали, с

.1,312—0,02% Р

Рис. 50. Влияние азота на ударную вязкость низкоуглеро*

диетой стали [133]:

О — для стали с 0,096—0,123% Р;

ф— для стали с 0,012— 0,02% Р

Азот с железом образует нитрид железа Fe4N. Этот нитрид дает при 590° эвтектоид (а-раствор + Fe4N), называемый брау­ нитом (см. рис. 42). При комнатной температуре нитрид желе­

за, растворенный в а- или у-фазах, находится в металле в пере­ сыщенном состоянии. Механическая обработка, вылеживание или кратковременное нагревание металла при 250—300° способ­ ствуют выделению нитрида из раствора в виде мелкодисперс­ ной, субмикроскопической фазы, что сопровождается измене­ нием физико-механических свойств стали. Этот процесс назы­ вается «старением» стали. При старении повышается твердость и хрупкость металла и изменяются его магнитные свойства? уменьшаются остаточный магнетизм и магнитная проницае­

мость, возрастают коэрцитивная сила, потери на гистерезис и электросопротивление.

Эффект старения тем значительнее, чем выше содержание азота в металле.

Старение металла приводит иногда к катастрофическим по­ следствиям и проявляется чаще всего в малоуглеродистых кон­ вертерных сталях. На рис. 51 приведены данные о влиянии азота на предел прочности низкоуглеродистой стали, состаренной» при

260°. Концентрация фосфора в металле колебалась в широких пределах. С возрастанием концентрации остаточного азота пре­ дел прочности стали повышается и, следовательно, увеличивается ее хрупкость.

Рис. 51. Влияние азота на предел прочности малоуглеродистой стали

с 0,012—0,123% Р, подвергнутой ста­ рению при 250° [133]

Старение металла имеет особое значение для сварных швов.

В процессе сварки открытой дугой и даже при сварке под слоем флюса содержание азота ,в металле шва может резко возрас­ тать (до 0,2%). Такой шов при работе конструкции или машины претерпевает деформации, что ускоряет процесс выделения ни­ тридов и вызывает старение металла, приводящее к хрупкому разрушению сварного изделия.

Действие азота на склонность стали к старению устраняют добавкой алюминия в количестве 1—2 кг на тонну стали. При введении алюминия в жидкий металл часть его реагирует с ки­ слородом, растворенным в стали, а оставшееся количество сое­ диняется с азотом, образуя прочное соединение A1N — нитрид алюминия.

Для реакции разложения нитрида алюминия АНВеРд = [Al] + [N],

логарифм константы равновесия численно выражается соотно­ шением:

lg7< = _ 2^1 + 1.95,

где K=[A1%] [N%],

Нитрид алюминия — прочное соединение, присутствует как в жидкой, так и в твердой стали. Наличие в стали прочного нит­

126 Дегазация стали

рида алюминия предотвращает образование и выделение из рас­ твора нитрида железа и тем самым ликвидирует эффект старе­ ния.

Исследованиями установлено, что марганец в стали замедля­ ет скорость выделения нитридов железа из раствора. Это дает

основания предполагать, что повышенное содержание марганца в- стали уменьшает эффект старения.

Получение мелкого зерна аустенита в стали, раскисленной алюминием, можно объяснить образованием нитрида алюминия.

Рис. 52. Влияние алюминия и азота, содержащихся в стали, на температуру начала роста аустенитного зерна

Мелкодисперсные частички нитрида алюминия препятствуют ро­

сту зерен аустенита при нагреве и сталь получается мелкозер­

нистой.

Чем больше в стали содержится нитрида алюминия, тем вы­ ше температура, при которой начинается рост зерна аустенита. На рис. 52 приведено семейство кривых температуры начала роста зерна аустенита для сталей с различным содержанием азо­ та и алюминия. Каждая точка кривой характеризует концентра­ цию азота и алюминия в стали, при которой металл насыщен эти­ ми элементами и при охлаждении стали нитрид алюминия начи­ нает выделяться в свободном состоянии.

При температуре выше 980° и содержании 0,005% N 'и 0,025% А1 практически весь нитрид алюминия перейдет в твер­ дый раствор и начнется рост зерна аустенита. При том же содер­ жании алюминия и содержании азота 0,01 % критическая тем­ пература перехода нитрида алюминия в раствор будет равна 1065°. При более высоком содержании азота, достигаемом спе­ циальной обработкой стали, температура роста аустенитного

зерна еще больше повышается. Следовательно, стали с повышен­ ным содержанием азота и алюминия могут подвергаться нагре­ ву при термической обработке до более высоких температур без опасения перегрева металла.

При высоком содержании нитрида алюминия и медленном

переходе через критические точки он выделяется по границам кристаллитов, что приводит к образованию интерпранулярного

межзернистого излома литой стали (вид такого излома показан

Рис. 53. Интергранулярный межэернистый излом литой стали (X 1,5) [134]

на рис. 53) и к понижению пластических свойств кованой и ка­ таной сталей. Однако, если кованую и катаную сталь охлаждать очень быстро во время прохождения критических температур выделения нитрида алюминия из аустенита (например, путем

охлаждения в воде с 1050°), то нитрид алюминия выделяется

почти в молекулярно раздробленном виде. В этом случае нитрид алюминия является полезней примесью в стали: он значительно повышает ее прочностные свойства без понижения пластических свойств. На этом основано замачивание изделий из томасовской стали в воде после прокатного нагрева.

Наличием нитрида алюминия и скоплением его по границам аустенитных зерен объясняется возникновение в изломе темплетов стали типа хромансиль дефекта в виде «сколов», имеющих вид белых пятен или светловин. Для уменьшения этого дефекта,

сталь типа хромансиль (ЗОХГС) следует выплавлять без до­ полнительной присадки алюминия.