Оптимальные технологические условия для микролегирования бором литой низколегированной стали

Успех микролегирования стали PM РЗМ в значительной степени зависит от технологических особенностей ее предварительного раскисления и деазотирования.

Общепринятое применение таких сильных раскислителей и деазотизаторов как алюминий и титан хотя и решило проблему изготовления в массовом количестве нестареющей и хладностойкой стали, тем не менее ухудшило качество литой стали по сравнению с тигельным процессом, в котором сталь более высокого качества выплавлялась без применения алюминия и титана.

К числу дефектов структуры стали, вызванных применением сильных раскислителей и деазотизаторов и ухудшающих ее ударную вязкость, относятся:

1. Устойчивая макро- и микронеоднородность стали, наблюдаемая как ее дендритное строение и сохраняющаяся после обычной термической обработки.


2. Загрязненность стали нитридными и карбонитридными включениями, располагающимися как по границам зерен, так и внутри их.


3. Загрязненность стали, особенно кислой, субмикроскопическими включениями высококремнистых силикатов, являющихся поверхностно-активными примесями.

Общеизвестная методика микролегирования стали бором, предусматривающая ее предварительное раскисление и деазотирование сначала алюминием, а затем титаном, является типичным примером некритического использования сильных раскислителей и деазотизаторов. Поэтому микролегирование стали бором, позволяя добиться резкого увеличения ее прокаливаемости, не оказывает существенного влияния на ударную вязкость стали в закаленном состоянии и ухудшает в нормализованном состоянии.

В результате проведенных исследований и испытаний была разработана технология изготовления литой бористой стали, обеспечивающая резкое повышение ее ударной вязкости в закаленном и в нормализованном состоянии.

Основные особенности этой технологии заключаются в предварительном раскислении и деазотировании стали бором перед вводом в нее титана, в полном исключении алюминия как самостоятельного раскислителя и деазотизатора стали и в высокотемпературной закалке (≈ 1050º С), сопровождающейся резким укрупнением действительного аустенитного зерна.

Сталь выплавляли в кислой дуговой электропечи. Боро- и титаносодержащие материалы присаживали в печь за несколько минут до выпуска плавки. Сначала сталь раскисляли марганцем, а затем кремнием под известково-кремнеземистым шлаком.

По данной технологии сталь 35ГТР выплавляли с химическим составом, %: 0,30—0,40 С; 0,9—1,4 Мn; 0,3—0,9 Si; 0,001—0,003 В; 0,01—0,03 Ti; P≤0,006; S≤0,05.

Проведенные электронномикроскопические исследования стали 35ГТР показали, что применение новой методики раскисления и деазотирования литой стали без алюминия резко снижает ее загрязненность субмикроскопическими окислами и нитридами алюминия, а также загрязненность субмикроскопическими окислами, нитридами и карбонитрид.ами титана, так как присадка титана производится в уже раскисленную и деазотированную бором сталь. Одновременно создаются условия для резкого снижения загрязненности стали и субмикроскопическими включениями высококремнистых силикатов как за счет отказа от применения алюминия, способствующего насыщению стали моноокисью кремния при неполном восстановлении Si из Si0₂, так и за счет офлюсовывания уже имеющихся в стали включений SiO окислами бора, образующимися при раскислении стали.

Следует учесть, что именно наличие горофильных высококремнистых окислов и нитридов в сталях, выплавленных по известным способам, мешает использовать при закалке высокие температуры нагрева.

Уменьшение суммарной поверхности аустенитных зерен, происходящее при высоких температурах, приводит к охрупчиванию стали, так как создает благоприятные условия для недопустимого обогащения граничных слоев горофильными примесями, что в итоге может вызвать выпадение на границах зерен избыточных металлоидных фаз, например нитридов алюминия.

Отсутствие в стали 35ГТР субмикроскопических нитридов и высококремнистых силикатов позволило применить при ее закалке значительно более высокие температуры, чем применяемые в настоящее время, и достигнуть более высокой гомогенизации внутри-зеренного строения стали.

Специальным травлением установлено, что закалка уже с 1050° С практически устраняла дендритную структуру стали 35ГТР при ее выплавке по новой технологии.

В то же время сталь 35ГТР, дополнительно раскисленная алюминием сохраняла отчетливое дендритное строение даже после закалки с 1100° С (рис. 1).

Максимальную ударную вязкость стали 35ГТР достигли после закалки с 1050° С. При этом, несмотря на резкое укрупнение размеров действительного аустенитного зерна с № 6—7 до № 3—4, изломы ударных образцов имели большую утяжку, а поверхность излома имела тонкое «бархатистое» строение, свидетельствующее о вязком внутризеренном характере разрушения стали (рис. 2).

Заслуживает исключительного внимания то обстоятельство, что сталь 35ГТР, раскисленная по новой методике, имеет грубый камневидный излом в случае ее закалки с 950° С после подстуживания от 1050° С. Разрушение ударных образцов происходит по границам вторичных аустенитных зерен, что свидетельствует об их резком охрупчивании.

Вероятной причиной этого является обогащение бором граничных слоев за счет процессов внутрикристаллитной адсорбции, зависящей от температуры аустенизации. Резкое уменьшение суммарной поверхности аустенитных зерен, достигнутое предварительным нагревом до 1050° С, и резкое уменьшение растворимости бора при снижении температуры от 1050 до 950° С, очевидно, способствуют более отчетливому проявлению этого же процесса.

Результаты механических испытаний показали, что сталь 35ГТР, раскисленная по новой методике, после высокотемпературной закалки с 1050°С и низкотемпературного отпуска при 180— 200° С, имеет высокие механические свойства. При временном сопротивлении разрыву 140—180 кГ/мм², твердости 400—520 НВ сталь 35ГТР имеет ударную вязкость более 3,0 кГм/см² при содержании в ней до 0,4% С. Температурный порог хладноломкости стали 35ГТР, определенный по сериальным кривым, лежит в интервале 60—70° С, что говорит о ее высокой хлаДностойкости.

Полученные значения ударной вязкости в 2—3 раза превосходят результаты, достигнутые для литых сталей, выплавленных по общеизвестным методикам, и позволили применить сталь 35ГТР в закаленном состоянии как конструкционный материал для звеньев гусениц тракторов. В настоящее время сталь 35ГТР внедрена в массовое производство для изготовления звеньев гусениц трактора Т-4. Срок службы гусеницы трактора Т-4, изготовленной из стали 35ГТР, на черноземных почвах при однократной замене пальцев равен 4000—5000 ч, что не уступает долговечности гусеницы с механически обработанными шарнирами.

Экономический эффект от внедрения стали 35ГТР для изготовления звеньев гусениц трактора Т-4 составил более 2 млн. раблей.

Результаты механических испытаний показали, что сталь 35ГТР в нормализованном состоянии при σ_b=60÷75 кГ/мм² имела ударную вязкость в пределах 5—7 кГм/см², что значительно выше требуемой ГОСТом для стали 35Л-Ш. Таким образом, высокая чистота стали 35ГТР от субмикроскопических включений нитридов и высококремнистых силикатов обеспечила, несмотря на присутствие бора, высокую ударную вязкость стали в нормализованном состоянии, что исключило препятствие для широкого внедрения бористых сталей и для деталей, имеющих феррито-перлитную структуру.

В настоящее время сталь 35ГТР внедрена в массовое производство с большим экономическим эффектом на АТЗ и РЗЗ и для изготовления ведущих колес и опорных катков тракторов ДТ-54А, ДТ—55А и ТДТ-75, т. е. для отливок, имеющих местную закалку рабочих поверхностей с сохранением основной массы тела деталей в нормализованном состоянии.

Выводы

1. Применение бора в качестве раскислителя и деазотизатора стали перед вводом в нее титана при полном исключении алюминия обеспечивает получение нестареющей и хладностойкой стали без загрязнения ее субмикроскопическими включениями нитридов и высококремнистых силикатов.


2. Отказ от алюминия как окончательного раскислителя стали и предварительное раскисление и деазотирование стали бором перед вводом в нее титана обеспечивают устранение дендритной структуры стали при относительно низких температурах аустенизации (≈ 1050° С).


3. Максимальная однородность распределения бора в микрообъемах стали достигается при нагреве стали до 1050° С. Дальнейшее повышение температуры закалки нарушает однородность распределения бора в микрообъемах стали, увеличивает искажения в кристаллическом строении решетки железа на границах зерен и блоков, что и вызывает, в частности, известное уменьшение прокаливаемости бористых сталей при их закалке с высоких температур.


4. Максимальная ударная вязкость литой стали в закаленном состоянии достигается при закалке с высоких температур за счет увеличения однородности внутри и по границам зерен. Что же касается увеличения размеров действительного аустенитного зерна, то при определенных условиях раскисления стали оно является второстепенным фактором и не определяет величину ударной вязкости закаленной стали.


5. Необходимым условием для применения высоких температур нагрева под закалку является использование специальной методики раскисления и деазотирования, обеспечивающей литой стали высокую чистоту от субмикроскопических нитридов и высококремнистых силикатов.