книги из ГПНТБ / Хан Б.Х. Раскисление, дегазация и легирование стали

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:

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-

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

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

Таблица 33-

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*

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