книги из ГПНТБ / Пути улучшения качества сталей и сплавов

на содержание серы и азота. Аналогичные данные по­ лучены и на других опытных плавках. Подобные ре­ зультаты хорошо согласуются с термодинамическими

Содержание азота в металле оставалось высоким на протяжении всей плавки, несколько увеличиваясь за время выпуска, по-видимому, за счет поглощения его из воздуха (табл. 8).

Такое поведение азота является характерным для

40

нитридообразующие элементы (титан, цирконий). Влияние способа ввода церия на содержание азота в металле не установлено.

Содержание кислорода по ходу плавки № 356 686 довольно быстро снижалось и достигало минимума (0,005%) примерно через 5 минут от момента введе­ ния церия, при его содержании 0,05 процента. До вы­ пуска в течение 10 минут концентрация кислорода и церия не претерпела существенных изменений.

Кинетика изменения концентрации церия хорошо согласуется с лабораторными данными А. П. Гуляе­ ва (18] с сотрудниками, а также с работой 147].

При выпуске металла в ковш, в результате окис­ ления церия кислородом воздуха, шлака и футеров­ ки, его содержание падает до 0,01 процента, содер­ жание же кислорода за счет не успевших всплыть из металла продуктов вторичного окисления увеличива­ ется до 0,018 процента.

Содержание кислорода в ковшевой пробе незави­ симо от метода введения церия составляет 0,010— 0,018 процента, то есть находится на уровне, обычно наблюдаемом в нержавеющих сталях. Нужно заме­ тить, что методом вакуум-плавления определяется суммарный кислород (во включениях и растворен­ ный), поэтому в данном случае не представляется возможным оценить влияние церия ни на глубину раскисления, ни на количество включений.

При разливке металла можно было отличить плавки с присадкой церия в печь от плавок, где це­ рий давался в ковш. Если на первых зеркало метал­ ла в изложнице было покрыто легкой пленкой, то на вторых наблюдалась грубая пленка окислов. Харак­ терно, что поверхность литников плавок с присадкой церия в ковш была гладкой, блестящей, на осталь­ ных плавках — матовой, неровной.

Указанные особенности объясняются различным содержанием церия в металле перед разливкой. Там, где его больше (присадки в ковш), церий интенсивно взаимодействует с кислородом воздуха (пленка окислов в изложнице) и огнеупорами (шлакование сифонных проводок). Таким образом, происходит «вы­ равнивание» концентрации церия в металле, незави­ симо от метода ввода. Введение церия в ковш позво­

41

ливки |[48].

Анализ проб шлака не показал каких-либо суще­ ственных изменений, вызванных введением церия. Содержание окиси кальция в шлаках восстанови­ тельного периода составило 46—60 процентов, крем­ незема— 13— 15, закиси железа — 0,3— 1,0 процент. При выпуске металла в ковш, возможно, за счет раз­ мывания футеровки, содержание кремнезема и окиси алюминия несколько увеличивалось, а содержание за­ киси железа возрастало до 0,6—2,0 процентов.

Вметалле опытных плавок не было обнаружено примесей цветных металлов (свинца, олова, висмута, цинка, сурьмы), в незначительных количествах имел­ ся титан.

Впервый период освоения прокатки слитков ве­ сом 2,7 т сталей марок ОХ23Н18, Х23Н18 на стане

«950» режим нагрева их был таким же, как и сталей типа Х18Н10Т.

Анализ качества поверхности блюмсов показал, что помимо прочих причин одно из важнейших усло­ вий предотвращения рванин по углам блюмсов в про­ цессе прокатки — равномерный нагрев слитков.

Было замечено также, что рванины по углам во всех случаях появлялись после 6—8 проходов в пер­ вом калибре. Уменьшение обжатий по проходам и увеличение их числа (на 2—4 прохода) не привело к существенным изменениям качества поверхности.

Для проверки влияния температуры нагоева пе­ ред прокаткой был предложен новый режим: темпе­ ратура нагрева в колодцах была повышена на 30°. Режим нагрева (температура в рабочем пространст­ ве ячейки) был следующий:

42

вия прокатки (захват металла валками) несколько улучшились. На качестве металла изменение режима не отразилось. Повышение температур могло быть достигнуто главным образом за счет присадки це­ рия.

Нужно отметить, что часть плавок подавалась в прокатку после охлаждения на воздухе. Поверхность таких блюмсов существенно не отличалась от поверх­ ности блюмсов, полученных из неохлажденных слит­ ков.

ВЛИЯНИЕ РЗМ НА ЛИТУЮ СТРУКТУРУ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ

Данные о влиянии церия на характер литой структуры стали противоречивы.

В работе Вотчи и Лангенберга [49] отмечено из­ менение зерна при добавках лантана в сталь 310 ти­ па 23— 18 (по американским стандартам). На воз­ можность регулирования размера зерна посредством добавок РЗМ указывалось американскими исследо­ вателями на конференции по РЗМ в Чикаго в 1959 г.

подтвердили указанных выше выводов. Введение це­ рия на 0,05 процента приводит к увеличению зоны равноосных кристаллов с резким уменьшением их размеров. Присадка церия в печь на 0,1; 0,15; 0,2; 0,3 процента не влияет на характер макроструктуры слитка (по сравнению с металлом без церия).

Такая противоречивость данных о влиянии РЗМ на характер литой структуры в стали объясняется тем, что большинство опытных плавок проводилось в малых индукционных печах с различной методикой ввода РЗМ (в печь, в ковш и т. д.). Кроме того, чис­ ло плавок было небольшим, чтобы считать получен­ ные результаты достаточно надежными.

Исследованиями 10. В. Кряковского, В. И. Явойского с сотрудниками (22), Н. Ф. Наконечного,

43

К. К. Прохоренко i[52] и других, проведенными в промышленных условиях, установлено, что РЗМ практически не влияет на кристаллическое строение слитка. Учитывая, что в указанных работах исследо­ вались слитки промышленных плавок с отработанной методикой ввода в сталь РЗМ (параллельно рассмат­ ривалось влияние РЗМ на другие характеристики стали), можно полагать, что наибольшую достовер­ ность имеют данные о том, что макроструктура лито­ го металла под влиянием добавок РЗМ существенно не меняется.

Нами для предварительного определения влияния церия на структуру литой стали (0) Х23Н18 исследо­ вались лабораторные плавки, отлитые в слиток весом 30 кг, с различными концентрациями церия. В част­

ности, отлито пять плавок стали 0Х23Н18 с присад­ ками ферроцерия на 0; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5 процента по расчету. Фактическое содержание церия в металле колебалось в пределах 0,017—0,044 процента.

Дополнительно сделано несколько лабораторных плавок с оптимальной добавкой ферроцерия на 0,2 процента по расчету и без присадок ферроцерия.

Структуру металла изучали на нетравленых и травленых шлифах при большом (ХЮ00) и малом (Х150) увеличениях.

Границы зерна выявляли методом получения рельефа на микрошлифах и с помощью специальных травителей: электролитически в пикрате натрия или 5%-ном растворе сернокислой меди.

Дендритную структуру изучали на пластинках, вырезанных из плит и шайб литого металла, после травления в реактиве НС1 -f- CuSCX.

Дендритную неоднородность элементов с атомным номером выше 16 определяли на микроанализаторе фирмы «Камека». Микронеоднородность углерода, азота, серы, кислорода определялась косвенным пу­ тем, по дендритной структуре металла.

Для оценки влияния РЗМ на количество мелко­ дисперсных включений и структуру стали применили метод электронной микроскопии. Исследование про­ водили на электронных микроскопах типа УЭМВ-100 и ЭМ-3 с использованием тонких фольг, а также угольных реплик.

44

Тонкие фольги готовились известным методом, пу­

Угольные реплики получали в установке ЭВП-2 и отделяли от образцов электролитически в электроли­ те Поповой с Д = 0,1 а/см2.

Влияние добавок церия на параметры кристалли­ ческой решетки стали и искажения II рода определя­ ли на образцах деформированного металла, разме­ ром 25X20X20 мм (отпущенных после деформации

при температуре 800° С). Наклеп верхнего слоя ме­ талла снимался электролитической полировкой. Съем­ ку производили на дифрактомере УРС-50И в излуче­ нии Fe-анода. Скорость вращения образцов — 60 об/мин (в плоскости, перпендикулярной плоскости

перемещения счетчика Гейгера). Интерференционные кривые записывались на диаграмму.

С целью выявления поведения неметаллических включений при различных температурах, образцы под­ вергались термообработке: нагреву и выдержке при различных температурах, с последующей закалкой в' 15%-ном растворе поваренной соли.

Анализ макроструктуры этих плавок показывает, что эффект модифицирования при присадке церия, с точки зрения измельчения зерна, проявляется неус­ тойчиво (температура металла в печи была в преде­ лах 1590— 1610°С). По-'видимому, измельчение зерна при модифицировании церием получается лишь при достаточно высоких скоростях охлаждения металла. Это видно из того, что измельчение зерна под влия­ нием РЗМ отмечают лишь исследователи, работав­ шие со слитком малого развеса (в лабораторных плавках).

Что касается сплошности металла и его плотности, то присадка церия дает ясно выраженный эффект. Так, на большинстве плавок без присадок церия центр слитка поражен интеркристаллитными трещинами. На плавках с присадкой церия макроструктура была без нарушений сплошности, что говорит о менее напря­ женном состоянии литой структуры.

Аналогичному исследованию подвергались слитки

45

двух промышленных плавок (с церием и без церия),

весом 1,17 т.

При исследовании макроструктуры слитков отме­ чено, что слиток без церия имеет две зоны, где на­ блюдается нарушение сплошности: осевая (грубые разрывы по границам зерен) и зона перехода от столб­ чатых к равноосным кристаллам (мелкие интеркристаллитные трещины). В слитке с церием трещины обнаружены только в осевой зоне. Существенной раз­ ницы в величине литого зерна между слитками не ус­ тановлено. Принципиальных различий в расположении и протяженности отдельных зон слитка также не обна­ ружено.

При контроле макроструктуры деформированного металла (в блюмсах кв. 220 мм) существенного отли­

чия в величине зерна, общей и центральной пористос­ ти на плавках всех вариантов не выявлено.

Говоря о макроструктуре деформированного ме­ талла, следует отметить, что большое количество об­ разцов металла, выплавленного по старой технологии, было поражено дефектами, связанными с разливкой стали в слитки малого развеса (подкорковые пузыри, титановая корочка и т. д.).

Макроструктура блюмсов на плавках с присадкой церия- в ковш имела дефекты, сходные с описанной в литературе «цериевой пористостью». Возникновение их связано, по-видимому, с интенсивным окислением церия во время разливки и затрудненным удалением продуктов окисления в условиях кристаллизующегося слитка. Дефектами поражены, в основном, краевые зоны блюмсов штанг «А» и «Б».

При введении ферроцерия в печь подобных дефек­ тов не обнаружено. В связи с получением лучшей макроструктуры на плавках с добавлением церия в печь, дальнейшие эксперименты по присадке церия в ковш и изложницу (как это предполагалось планом проведения работ) были прекращены.

Возможность разливки металла в слитки более крупного развеса, появляющаяся при улучшении пластичности слитка, позволяет снизить брак по ука­ занным дефектам. В литературе имеются данные, сви­ детельствующие о том, что структура крупного слитjca менее поражена подкорковыми пузырями и дефек­

46

тами поверхностного характера. Это хорошо подтвер­ ждается данными плавочного контроля (табл. 9).

Исследование дендритной структуры металла на индукционных плавках с различным содержанием це­ рия (от 0 до 0,5 процента по расчету) на Златоустов­ ском заводе показало, что присадка церия оказывает модифицирующее действие на дендритную структуру литой стали.

Слиток без церия характеризуется развитыми межосными участками, наблюдаются дендриты с раз­ витыми стволами. Зона перед областью транскристал­ лов характеризуется крупными дендритами и их бес­ порядочным расположением.

Присадка 0,1 процента церия по расчету сказалась на увеличении общего числа дендритов и некотором снижении размеров главных осей.

На плавке с 0,2 процента церия существенно изме­ няется дендритный рисунок. Осевая и прилегающая к ней зоны характеризуются более плотной компанов­ кой дендритов, резким уменьшением межосных участ­ ков и увеличением осей высших порядков. При этом наблюдается различная ориентировка осей дендритов внутри кристаллитов. Зона транскристаллов характе­ ризуется более тонкими, густо расположенными ося­ ми дендритов.

Как видно, добавка церия в количестве 0,2 про­ цента качественно изменяет дендритную структуру, при этой добавке отчетливо проявляется модифици­ рующее действие церия. Дальнейшее увеличение кон­ центрации церия (0,3—0,4 процента) дает аналогич­ ное изменение дендритной структуры. При этом на фоне общего измельчения последней имеются участки с более грубым рисунком, напоминающим строение стали без церия, и, наоборот, с еще более сложным строением дендритов. Это, по-видимому, связано с неравномерным распределением церия (или других составляющих) в отдельных микрообъемах металла данного слитка. Следует отметить, что при 0,3 процен­ та церия нет дендритов с вытянутыми осями, харак­ терными для зоны транскристаллов, и это требует дальнейшего изучения.

Дендритная структура плавки с 0,5 процента це­ рия мало отличается от плавки без него. Возможно,

47

значительное повышение концентрации церия сказа­ лось на характере литой структуры (образование лег­ коплавких эвтектик с церием и интерметаллидных фаз и т. д.). Отрицательное влияние церия на свойст­ ва стали при его добавке на 0,5 процента отмечает В. Н. Полисадов с сотрудниками ,[53].

Следует заметить, что индукционные плавки по химическому составу не совсем точно воспроизводят промышленные (повышенное содержание серы и кремния). Это в какой-то степени отразилось на ка­ чественном и количественном составе включений, сос­ тоянии границ зерна.

Таким образом, предварительное изучение показа­ ло, что присадка церия положительно влияет на ха­ рактер дендритной структуры литой стали.

Отдельные стороны этого вопроса: влияние церия на строение дендритов в зоне транскристаллов и внут­ ри отдельных зерен, характер дендритной структуры при 0,5 процента церия (по расчету) — требуют даль­ нейшего изучения.

Модифицирующее действие церия проявляется в получении более тонкой дендритной структуры литого металла. В промышленных, как и в лабораторных, плавках наблюдается существенная разница в строе­ нии дендритов. Дендритный рисунок металла с цери­ ем характеризуется большим количеством осей выс­ ших порядков, меньшей толщиной осей и менее раз­ витыми межосными областями. Такая структура более благоприятна, с точки зрения уменьшения ден­ дритной ликвации, увеличения плотности металла.

Значительная часть работ посвящена влиянию РЗМ на количество и распределение фаз в стали и сплавах ,[54—59].

Интересный материал получен и на Златоустов­ ском металлургическом заводе [46].

Изучение микроструктуры неметаллических вклю­ чений в литой стали показало, что в слитке без церия наблюдается большое количество субмикроскопиче­ ских включений (имеются в виду мельчайшие включе­ ния, видимые в оптический микроскоп при максималь­ ном увеличении с применением иммерсии).

Малый размер этих включений затруднил точное определение их состава, но анализ укрупненных час-