книги из ГПНТБ / Электрометаллургия стали и ферросплавов учебное пособие

содержанием вредных примесей, в первую очередь фосфора и серы. Количество этих примесей ограничивается, и в зависимости от назна­ чения стали должно быть не более 0,025—0,04% для каждой из них.

Углеродистые стали характеризуются низкой прокаливаемостью, в связи с чем для них высокие механические свойства после терми­ ческой обработки могут быть получены только в поверхностном слое. Для получения необходимой структуры и увеличения прокаливае­ мое™ улучшаемых сталей в них вводят хром, никель, молибден, вольфрам, марганец, кремний, ванадий и другие легирующие эле­ менты.

Высокую ударную вязкость придает стали никель. В сочетании с хромом добавки никеля позволяют получать и глубокую прокали­ ваемое™, которая определяет способность стали к равномерному улучшению свойств по всему сечению. Поэтому хромоникелевые улучшаемые стали широко применяют для изготовления крупных тяжелонагруженных изделий (оси, валы, муфты).

Недостатком хромоникелевых улучшаемых сталей является их склонность к отпускной хрупкости, которая устраняется введением 0,20—0,40% молибдена. При этом повышаются также и прочностные свойства стали.

Хромоиикелевые и хромоиикельмолибденовые стали широко при­ меняют для изготовления крупных цементуемых изделий (шестерен, валов, шатунов). Карбиды хрома и молибдена придают цементирован­ ному слою высокую износостойкость, а никель улучшает прочность

ипластичность этого слоя и уменьшает отрицательное влияние хрома

имолибдена на повышение содержания в цементуемом слое углерода. В результате высокая прочность цементированного слоя сочетается с высокой прочностью, пластичностью и вязкостью сердцевины.

ВСССР наблюдается тенденция к замене дефицитного молибдена вольфрамом. Присадка вольфрама существенно повышает предел прочности, пластичности и вязкость сталей, легированных с хромом

иникелем, .а также устраняет склонность к отпускной хрупкости. Вместо хромоникельмолибденовых сталей широко используют стали

30Х2Н2ВА, 35X3BA, 40Х4ВА. Особенно широкое применение для изготовления тяжелонагруженных изделий получила сталь

18Х2Н4ВА.

Имеется группа стали конструкционных марок, которые легируют алюминием. Применение для легирования стали алюминия обусло­ влено его большим сродством к азоту. Образуя в процессе изготовле­ ния стойкие нитриды, алюминий позволяет получать сталь с очень высокой твердостью на поверхности (до HRC 70) и высоким сопро­ тивлением истиранию, причем при содержании алюминия 0,5—1,5% это сочетается с хорошей вязкостью сердцевины.

Высокую прочность сердцевины термообработанных изделий из легированных алюминием конструкционных сталей можно получить, если одновременно сталь легировать еще и хромом. Но при этом повы­ шается склонность стали к отпускной хрупкости. Этот недостаток у легированных хромом и алюминием сталей устраняют добавками молибдена или вольфрама и ванадия.

В СССР получили распространение конструкционные стали трех марок, содержащие от 0,4 до 1,1 % А1: 38ХЮА, 38ХМЮА и 38ХВФЮА Склонную к отпускной хрупкости сталь 38XIOA применяют для деталей, не подвергающихся высоким нагрузкам. Стали 38XMIOA. н 38ХВФЮА применяют для ответственных деталей турбиномоторостроения, работающих при температурах до 450° С (гильзы, цилиндры толкатели, шестерни), а также изделий сложной конфигурации, от которых требуется высокая поверхностная твердость, износостой­ кость и повышенный предел выносливости.

Для изготовления рессор и пружин используют конструкционные стали, легированные одним кремнием (1,5—2,0%). Повышая пределы прочности п текучести и способствуя образованию волокнистой струк­ туры, кремний улучшает свойства рессор и пружин. Улучшению закаливаемости и уменьшению склонности к обезуглероживанию рессорно-пружинной стали способствуют добавки марганца. Кроме кремнемаргаицовпстых сталей, для этих целей применяют также хромокремнистые стали.

Высокими пределами прочности и текучести в сочетании с устой­ чивостью против отпуска отличаются стали с кремнием, легирован­ ные дополнительно хромом и марганцем. Эти стали (20ХГСА, ЗОХГСА и др.), содержащие 0,90—1,20% Si, используют вместо хро­ моникелевых и хромоникельмолпбдеповых. Так как кремний увели­ чивает и износостойкость, такие стали применяют для изготовления шестерен, зубчатых колес, различных валов и осей.

Наиболее распространенным дефектом конструкционной стали являются описанные выше флокены (см. рис. 93).

Очень распространены также дефекты, вызванные описанными в разделе IV ликвацпонными явлениями. Эти дефекты в продольных темплетах слитка проявляются в виде полос повышенной травнмости или темных полос на серных отпечатках (рис. 98). Обычно эти полосы наклонены с уширенпем книзу («усы»). Но иногда они имеют и противоположный наклон с уширенпем кверху.

На поперечных темплетах из катаных заготовок после травления и на серных отпечатках из таких темплетов лпквационпая неодно­ родность проявляется в виде пятнистой ликвации (рис. 99) или ликвационного квадрата (рис. 100).

В изделиях из конструкционных и других сталей иногда выявля­ ются дефекты в виде тонких нитей — волосовин, свидетельствующих о несплошности металла. Располагаются эти линии в направлении течения металла при горячей обработке давлением. Волосовины встре­ чаются на поверхности катаных или кованых заготовок или чаще во внутренних слоях металла, выходя на поверхность лишь в про­ цессе изготовления деталей, в частности при ступенчатой обточке.

Поверхностные волосовины являются следствием разных причин, связанных главным образом с образованием плохой поверхности

слитков при разливке. Их удаляют зачисткой поверхности заго­ товок.

Внутренние волосовины образуются вследствие скопления не­ металлических включений — продуктов раскисления, вытянутых

242

в направлении течения металла в процессе горячей обработки давле­ нием. Чаще всего это включения силикатов.

В слитках малоуглеродистой легированной стали ряда марок (18Х2Н4ВА, 25Х2Н4ВА, 12ХНЗА и др.) часто образуются межкристаллитные трещины. Этот дефект усадочного происхождения распо­ ложен обычно по оси слитка (рис. 101), но не доходит до его головной и нижней зон. На поперечных темплетах заготовок трещины после травления являются в виде извилистых линий — «пауков».

Перечисленные дефекты вызывают ухудшение качества конструк­ ционной стали, н для их предотвращения в процессе выплавки и раз­ ливки стали принимаются специальные меры.

хромомолибденовых, хромоннкельмолибденовых, хромомарганцево­ молибденовых и углеродистых сталей. Чтобы предотвратить значи­ тельные потерн хрома с окислительным шлаком и образование густого хромистого шлака, шихтовку составляют из расчета получения по расплавлении не более 0,40% Сг. Это ограничивает возможность использования большого количества легированных отходов, поэтому в металл приходится дополнительно вводить никель, молибден и хром.

Шихтовку рассчитывают таким образом, чтобы в окислительный период была возможность окислить 0,30—0,40% С. Никель и ферро­ молибден (или закись никеля и молибдат кальция) обычно дают в за­ валку. Высокую окислительную способность закиси никеля иногда используют для окисления углерода, присаживая ее в начале окисли­ тельного периода.

Выплавку стали ряда марок этой группы (20Х, 40Х, 40ХН и др.) можно проводить без восстановительного периода, используя опи­ санную выше технологию.

При выплавке с восстановительным периодом феррохром присажи­ вают в ванну сразу после скачивания окислительного шлака перед введением шлакообразующих.

Рафинирование металла целесообразно начинать с предваритель­ ного глубинного раскисления металла сильными раскислителями (кремнием, алюминием или комплексными сплавами), присаживае­ мыми на зеркало металла. После этого наводят восстановительный известковый шлак, который с самого начала интенсивно обрабаты­ вают и углеродом, и кремнием.

На некоторых заводах по традиции еще сохранилась технология с длительным диффузионным раскислением. В этом случае восстано­ вительный период начинают с наведения шлака, который сначала раскисляют углеродом, а затем кремнием. Стали, содержащие до

244

карбидных шлаков. Во второй половине восстановительного периода карбидный шлак обязательно переводят в белый.

Как уже отмечалось, такая технология раскисления, не имея заметных преимуществ в отношении качества получаемого металла, требует в то же время длительного пребывания металла в печи, что ухудшает технико-экономические показатели работы агрегата.

К концу восстановительного периода шлак должен содержать не более 0,40% закиси железа и не менее 55% окиси кальция, а ме­ талл должен быть хорошо раскислен. Достаточное раскисление ха­

За 2—3 мин до выпуска в металлическую ванну вводят на штанге алюминий в количестве 0,5—0,6 кг/т при выплавке средиеуглеродистых сталей и 0,7—0,8 кг/т при выплавке малоуглеродистых сталей.

Выплавку методом переплава целесообразно проводить с приме­ нением газообразного кислорода. В этом случае шихта должна со­ стоять на 60^-75% из отходов выплавляемой стали или стали близ­ ких к ней марок стали, остальное — углеродистые отходы. В завалку вводят также 2—3% извести. В конце плавления ванну продувают кислородом так, чтобы окислить не менее 0,20% С. По достижении необходимого содержания углерода продувку прекращают и окисли­ тельный шлак скачивают. Рафинирование проводят, как и на плавках с полным окислением.

Заметное улучшение качества конструкционных сталей может быть получено при внепечной дегазации и при обработке металла в ковше жидким синтетическим шлаком. При таком способе умень­ шается содержание в металле газов, серы и неметаллических вклю­ чений, что благоприятно отражается на пластических характеристи­ ках стали и значительно повышает изотропность свойств металла (отношение значений свойств в поперечных и продольных образцах).

с полным окислением, так и переплавом. Нужно иметь в виду, что многократный переплав легированных отходов стали типа 18Х2Н4ВА приводит к ухудшению качества металла, в частности к снижению механических свойств в поперечных образцах. При контроле излома металла, полученного на таких плавках, чаще встречаются дефект­ ные участки со своеобразным мелкозернистым строением более свет­ лого оттенка по сравнению со здоровым металлом.

Этот вид дефекта, называемый «площадками», образуется по ме­ стам слабины вдоль направления прокатки. Установлено, что «пло­ щадки» образуются при повышенном содержании окислов и нитридов титана. При многократном переплаве, особенно с использованием титансодержащих отходов, количество этих включений в металле увеличивается. Переплав отходов с частичным окислением газо­ образным кислородом предотвращает накопление в металле азота; ухудшения качества металла в этом случае не наблюдается.-Тем не менее для ответственных заказов сталь 18Х2Н4ВА выплавляют преимущественно с полным окислением.

245

Шихтовку из отходов углеродистых сталей, чугуна и никеля осуществляют так, чтобы по расплавлении содержание углерода в металле было не менее 0,60%. Для раннего формирования шлака по ходу плавления в ванну присаживают 1,0—1,5% извести. После полного расплавления шихты шлак частично скачивают и обновляют, а в хорошо нагретую ванну присаживают железную руду. В окисли­ тельный период корректируют содержание в металле никеля. В конце окислительного периода температура металла должна быть несколько выше температуры выпуска. Содержание углерода в металле должно составлять 0,09—0,11%, фосфора — не более 0,010%.

По классическому варианту диффузионного раскисления, еще применяемому на некоторых заводах, восстановительный период плавки стали 18Х2Н4ВА начинают с введения присадок на вновь наведенный шлак порошка кокса с последующим (спустя 30—50 мин) раскислением ферросилицием. В начале восстановительного периода присаживают ферровольфрам, а после значительного раскисления шлака — феррохром. После феррохрома присаживают сплав АМС.

Более прогрессивной является технология плавки с глубинным раскислением металла в начале восстановительного периода. По этой технологии в начале восстановительного периода в ванну при­ саживают сплав АМС (3 кг/т), ферровольфрам, феррохром и шлако­ образующую смесь из извести, плавикового шпата и шамотного боя (3,0—3,5%). На расплавленный шлак присаживают порошок кокса. Чтобы предупредить науглероживание металла, шлак необходимо поддерживать в жидкотекучем состоянии присадками плавикового шпата.

После просветления шлак раскисляют молотым 75%-ным ферро­ силицием (4,5—5,5 кг/т), присаживаемым в несколько приемов. Заканчивается рафинировка под белым шлаком, рассыпающимся при охлаждении в белый порошок.

Перед выпуском плавки в металл вводят на штанге алюминий в количестве 0,5—0,6 кг/т. Сразу после алюминия в ванну присажи­ вают ферротнтан (из расчета введения 0,06—0,07% Ti), который, связывая азот и измельчая зерно, улучшает механические свойства стали. Во время выпушка после наполнения 1/3 ковша под струю металла вводят силикокальцнй (примерно 1 кг/т). Этим достигается уменьшение загрязненности стали строчечными включениями глино­ зема и некоторое улучшение механических свойств ее (главным обра­ зом ударной вязкости). Кроме того, при раскислении силикокальцием сталь получается более жидкотекучей, в результате чего улучшается поверхность слитка.

При выплавке стали 18Х2Н4ВА методом переплава шихту состав­ ляют из отходов хромоникелевых сталей (60—70%), углеродистых отходов с низким содержанием фосфора, ферромолибдена и никеля. Содержание углерода в шихте должно быть таким, чтобы по распла­ влении его содержание в металле было не менее 0,25%; при этом во время окисления можно окислить 0,15—0,16% С. Содержание никеля должно соответствовать нижнему пределу в готовом металле, а хром шихтуют, ориентируясь на его среднее содержание. Ферро­

246

молибден можно вводить в завалку или присаживать в конце плавле­ ния.

По окончании продувки ванны кислородом шлак скачивают начисто. Рафинировку проводят так же, как и при выплавке методом с полным окислением.

С т а л и , с о д е р ж а щ и е а л ю м и и и и. Условия произ­ водства сталей, легированных алюминием, в значительной мере определяются образованием в них специфических дефектов. К ним относят пятнистую ликвацию, грубое шиферное строение излома, повышенное загрязнение неметаллическими включениями и волосо­ винами. Хромоалюмиииевым сталям свойственно и низкое качество поверхности слитков и заготовок, что объясняется повышенной вяз­ костью их в жидком состоянии и плохими литейными свойствами. При разливке зеркало поднимающегося металла бывает покрыто пленками окислов и корками, ухудшающими поверхность слитков.

Установлено, что пятнистая ликвация и шиферный излом в зна­ чительной степени вызываются образованием при кристаллизации стали нитридов алюминия и ванадия. Поэтому технология выплавки этих сталей строится таким образом, чтобы обеспечивалась высокая степень рафинирования от образующихся при введении алюминия окисных включений и ограничивалась возможность выделения ни­ тридов при охлаждении стали в изложницах.

Стали этой группы выплавляют преимущественно с полным оки­ слением. Окислительный период проводят без существенных измене­ ний обычной технологии. Окисление заканчивают при содержании углерода 0,17—0,20%, фосфора не более 0,015%.

Вначале восстановительного периода шлак обрабатывают коксом

ипорошком ферросилиция. Феррохром присаживают в раскислен­ ный металл. Легирование алюминием проводят в печи после полного удаления шлака. Если шлак не удалять, то алюминий восстанавли­ вает кремнезем шлака, в связи с чем возникает трудность в получе­ нии металла необходимого состава.

Чушковый алюминий вводят на поверхность металла, и ванну выдерживают при выключенном токе до полного расплавления алю­ миния. После чего из извести и плавикового шпата заводят шлак. Для расплавления шлака и подогрева металла печь включают на 15—20 мин, после чего металл сливают.

Если в металле должен содержаться и ванадий, то феррованадий присаживают после легирования алюминием.

Образующийся после этого печной шлак (25—30% А120 3, 50—

60% СаО, 8—10% MgO, 0,05—1,0% FeO и 1,5—2,0 S i02) по своим физико-химическим свойствам приближается к известково-глино­ земистому синтетическому шлаку и обладает высокой рафинирую­ щей способностью. Выдержка металла в печи под таким шлаком и обработка им жидкого металла в ковше во время выпуска плавки обеспечивает снижение в 2—3 раза содержания серы и удаление большей части неметаллических включений.

Пораженность легированной алюминием стали дефектом, носящим название «пятнистой ликвации», уменьшается, если в металле со­

247

Глава 16

ВЫПЛАВКА ШАРИКОПОДШИПНИКОВОЙ СТАЛИ

СВОЙСТВА И ДЕФЕКТЫ ШАРИКОПОДШИПНИКОВОЙ СТАЛИ

Шарикоподшипниковую сталь применяют главным образом для изготовления шариков, роликов и колец подшипников.

В процессе работы эти элементы подшипника находятся под воз­ действием высоких знакопеременных напряжений. Каждый участок рабочей поверхности шарика или ролика и дорожки колец испыты­ вает многократное нагружение, распределяющееся в пределах очень небольшой опорной поверхности. В результате в каждом участке поверхности возникают местные контактные знакопеременные на­ пряжения порядка 3—5 Ми/м2 (300—500 кгс/см2) — сжимающие на поверхности контакта и растягивающие у ее контура. Напряжения вызывают упругую и незначительную остаточную деформации эле­ ментов подшипника. Многократное повторение деформации приво­ дит к появлению усталостных трещин, выкрашиванию поверхности подшипника, в результате чего при качении возникают удары, под действием которых разрушения усиливаются и подшипник выходит из строя.

Помимо усталостного разрушения, дорожки колец подшипника и сами тела качения (шарики и ролики) подвергаются истиранию. Причиной механического разрушения — истирания являются тан­ генциальные напряжения, вызываемые силами трения при скольже­ нии контактирующих поверхностей. В результате истирания от поверхности металла отделяются тонкие чешуйки, что вызывает увеличение зазора между кольцами и телами качения и усиление абразивного износа.

Величина истирания зависит от точности изготовления и сборки подшипника, условий его нагружения, смазки, наличия абразивных частиц, химически активной среды и от ряда других причин. При интенсивном истирании поверхностные слои металла могут изнаши­ ваться настолько быстро, что в них не успевают появиться усталост­ ные трещины. В этом случае подшипник выходит из строя еще до усталостного разрушения.

Внекоторых случаях детали подшипников подвергаются совме­ щенным раздавливающим и изгибающим нагрузкам, нагрузкам дина­ мического характера (ударным).

Всоответствии с этим шарикоподшипниковая сталь должна обла­ дать высокими упругими свойствами и высоким сопротивлением усталости при малой хрупкости, отличаться высокой износостой­ костью и прочностью. Так как детали подшипников работают, соприкасаясь отдельными точками рабочих поверхностей, особое значение для шарикоподшипниковой стали приобретает ее физико­

химическая однородность и чистота по неметаллическим включе­ ниям. Присутствие в стали скоплений твердых карбидов, неметалли­ ческих включений, волосовин, трещин и других концентраторов

Н9

напряжений вызывает быстрый износ отдельных участков поверх­ ности и преждевременный выход из строя подшипника.

В качестве материала для изготовления деталей подшипников наиболее широко используется разработанная еще в 1901 г. высоко­ углеродистая (0,95—1,15% С) хромистая (0,40—1,65% Сг) сталь (например, сталь ШХ15, содержащая 0,95—1,10% С; 1,30—1,65% Сг; 0,20—0,40% Мп; 0,15—0,35% Si; не более 0,027% Р; 0,02% S; 0,25%

Си и 0,30 Ni, нлп сталь ШХ15СГ, в которой больше Мп —• 0,90—1,20% п Si — 0,40—0,65%). По своему составу и свойствам эта сталь при­ мыкает к группе инструментальных сталей (см. гл. 19), по по приме­ нению она является конструкционной специального назначения.

Высокое содержание в подшипниковых сталях углерода сообш,ает нм после термической обработки высокую прочность и стойкость против истирания. Высокая поверхностная твердость рассматривае­ мой стали определяется концентрацией углерода в мартенсите, и по­ этому она одинакова для всех подшипниковых сталей. Твердость внутренних слоев зависит от глубины прокалнваемости, зависящей в свою очередь от содержания хрома.

Хром замедляет превращение аустенита в перлит и тем самым увеличивает прокаливаемость стали. Поэтому чем крупнее детали подшипников, тем с большим содержанием хрома применяют сталь для их изготовления.

В системе железо—хром—углерод образуется сложный карбид (Fe, Сг)3С п твердый раствор хрома в железе. Высокая твердость карбидов хрома повышает износостойкость стали. Кроме того, хром увеличивает стойкость мартенсита против отпуска, уменьшает склон­ ность стали к перегреву, придает ей мелкозернистую структуру. Но при высоком содержании хрома (более 1,65%) трудно получить однородную структуру, поэтому в шарикоподшипниковых сталях обычно содержится не более 1,65 96 Сг.

Марганец, как и хром, увеличивает твердость и сопротивляемость стали истиранию и одновременно способствует росту зерна при нагреве, в результате чего при термической обработке может образо­ ваться крупнозернистая структура перегретой стали. Отрицательное влияние на вязкость шарикоподшипниковой стали оказывает крем­ ний.

Но марганец и кремний являются раскислителями, и чем выше их содержание, тем полнее бывает раскислена сталь. Поэтому при-, сутствие этих элементов во всех марках шарикоподшипниковой стали желательно, но не более 0,35% Si и 0,40% Мп. Исключение соста­ вляет сталь марки ШХ15СГ, применяемая для изготовления крупных деталей. Повышенное содержание марганца и кремния в этой стали объясняется тем, что эти элементы уменьшают критическую скорость закалки, снижая тем самым склонность стали к короблению и трещинообразованню при закалке.

Вредными примесями для шарикоподшипниковой стали являются фосфор, медь и никель.

Фосфор увеличивает склонность стали к образованию крупно­ зернистой структуры при нагреве, повышаетхрупкость стали и умень­

250