Роль тугоплавких и редкоземельных металлов в проблеме хладноломкости конструкционной стали

Повышение надежности и долговечности деталей машин, отдельных конструкций и целых сооружений является одним из главных эффективных направлений хозяйственного использования и экономии всех трудовых и энергетических ресурсов.

Из всех видов механических свойств металлов, определяющих надежность работы подавляющего большинства деталей машин, важнейшим является их способность сопротивляться хрупким разрушениям, а из всех видов механических свойств, характеризующих долговечность — способность противостоять циклическим нагружениям.

Повышение хладностойкости и хрупкой прочности стальных изделий может быть достигнуто за счет модифицирования и микролегирования стали малыми добавками редких и редкоземельных элементов.

В работе рассматривается влияние некоторых модифицирующих и микролегирующих добавок на структуру и склонность к хладноломкости литой и деформированной конструкционной стали.

Влияние различного рода элементов, присутствующих в малом количестве в стали — будь ли это остаточные содержания раскис-лителей, модификаторов или собственно микролегирующих добавок— следует рассматривать по их воздействию:

• на содержание в стали отдельных вредных примесей (например кислорода, водорода, серы и др);
• на состав, количество и геометрию образующихся в стали неметаллических включений;
• на состав и свойства образующихся в структуре стали карбидов, нитридов и карбонитридов;
• на состав и состояние зернограничных объемов.

С этих позиций особый интерес представляют такие элементы как титан, ванадий и редкоземельные металлы, общим для которых является высокая активность ко многим примесям, присутствующим в стали.

Несмотря на то, что практика раскисления и легирования стали титаном насчитывает около 30 лет, вопрос о рациональных областях его применения и оптимальных размерах вводимых добавок остается до конца не решенным и спорным.

Учитывая измельчение титаном вторичного аустенитного зерна и снижение склонности к деформационному старению, многие исследователи рекомендуют его широко внедрять в производство литых и деформированных сталей.

Однако мелкозернистость стали является не единственным условием обеспечения ее высоких пластических и вязких свойств, так как нередко при этом ухудшается состояние границ зерен, увеличивается количество избыточных фаз и хрупких включений.

Установлено сложное и неоднозначное влияние малых добавок титана на структуру и свойства конструкционной стали. При этом наряду с отдельными случаями улучшения титаном вязких свойств стали отмечены и многие случаи значительного их ухудшения.

Ухудшение значений ударной вязкости (возрастание хладноломкости) отмечалось у литой термически обработанной стали 20ХСНМД (рис. 1).

Установлено также, что микролегирование стали титаном в ряде случаев приводит к появлению анизотропии пластических и вязких свойств уже в литом состоянии, обнаруживаемой путем сравнения пластических и вязких свойств образцов, вырезанных вдоль и поперек вытянутых зерен первичной (а в случае б — у превращения — вторичной) кристаллизации. Электронномикроскопическим исследованием и фазовым анализом установлено, что механизм охрупчивания такого рода сталей связан с выделением в объеме и по границам кристаллитов дисперсных частиц часто пленочного характера (рис. 2, а).

Полученные электронограммы с такого рода включений позволили установить их принадлежность к нитридам и карбонитридам. Кроме того, в изломах стали с повышенным содержанием титана и серы методом электронной фрактографии обнаружены многочисленные включения сернистого титана (рис. 2, б) и комплексные соединения типа сульфокарбонитрида титана (рис. 2, в).

Горячая пластическая деформация титансодержащей стали, нарушая сплошность этих включений и вытягивая их в направлении течения металла, приводит к повышению уровня пластических и вязких свойств в продольном направлении, сохраняя пониженные значения у поперечно-вырезанных образцов.

Однако микролегирование стали титаном может и улучшать ее вязкие свойства и понижать температуру порога хладноломкости. Положительное влияние титана на конструктивную прочность 'закаленной среднеуглеродистой стали рассматривалось в работе. Как правило, улучшение свойств отмечается в двух случаях:

1. когда сталь содержит очень мало азота (≥0,004%), что затрудняет условия образования нитридов или карбонитридов титана;


2. когда малоуглеродистая, и особенно легированная марганцем или хромом (или ими обоими) сталь, содержит повышенное количество азота (≤0,010%), несвязанного в прочные нитриды, и потому крайне склонная к старению (рис. 3).

В последнем случае отрицательное влияние образующихся при раскислении такой стали нитридов или карбонитридов оказывается менее опасным, чем блокировка дислокаций атомами азота.

Возможность превращения азота из вредной примеси в микролегирующую добавку все больше используется металлургической промышленностью Советского Союза, Японии, Англии. При этом желательно в качестве нитридообразующей добавки применять все же не титан, а ванадий (≈ 0,1%), а содержание азота в стали выдерживать в пределах 0,015—0,025%.

Преимущество ванадия перед титаном состоит в значительно более легкой растворимости его карбидов и нитридов, в резком измельчении карбидами и нитридами ванадия аустенитного зерна, минимальной склонности ванадия к образованию собственных сульфидных включений, а также в большей дисперсности нитридов ванадия по сравнению с нитридами титана.

Как показали исследования, низколегированная сталь марок 17ГС, 18Г1С и др., микролегированная добавками ванадия (0,1%) и азота (0,015—0,020%), характеризуется не только более высокими (на 5—10 кГ/мм²) значениями прочностных свойств (σ_t и σ_b ), но и также высокими значениями ударной вязкости и более низким (≈ на 20°С) положением порога хладноломкости, чем сталь тех же марок, но исходного состава.

Редкоземельные металлы различно влияют на значения ударной вязкости и хладноломкость стали. Характерной особенностью РЗМ является высокая их активность ко многим вредным примесям, содержащимся в стали, кислороду, водороду, сере и случайным примесям цветных металлов.

В результате взаимодействия РЗМ с примесями расплава отмечается развитие процессов:

1. десульфурации стали, связанной с всплыванием образующихся в жидкой фазе тугоплавких сульфидов;
2. перераспределения серы в микрообъемах, заключающееся в сосредоточении сульфидов в осях дендритов, а не в междуосных пространствах, как это имеет место в обычной стали;
3. измельчения дендритов стали, вплоть до полного исчезновения рисунка дендритной кристаллизации;
4. уменьшения и даже полного устранения флокеночувстви-тельности стали;
5. перераспределения углерода в микрообъемах.

Интенсивность развития каждого из этих процессов определяется размером вводимой добавки и остаточным содержанием РЗМ в металле. Однако в ряде случаев, улучшая одни свойства стали, можно столкнуться с фактом ухудшения других ее свойств. Так, для придания стали иммунитета к образованию флокенов необходимо иметь остаточное содержание РЗМ порядка 0,1%. Вместе с тем, такое содержание РЗМ ухудшает пластические и вязкие свойства стали в связи с появлением на границах первичных зерен (кристаллитов) новой так называемой цериевой фазы. Энергичная пластическая деформация такой стали в значительной мере устраняет этот дефект.

Вот почему РЗМ, как и все другие модифицирующие и микролегирующие добавки, должны вводиться в строго определенных количествах, зависящих от исходного состава стали, метода введения, условий кристаллизации, последующего передела, а также окончательной термической обработки.

При этом, чем выше газонасыщенность стали, тем отчетливее становится положительный эффект обработки расплавов РЗМ. В применении к деталям стального литья эффективность микролегирования РЗМ становится особенно экономически оправданной, сближая их свойства со свойствами проката конструкционной стали (рис. 4).

Положительное влияние малых добавок РЗМ отмечается также при испытании свойств литой стали в состоянии после улучшения, а также при оценке ее хладностойкости. Анализ кривых хладноломкости сталей марок 25ЛК — 50ЛК показал, что обработка расплавов литой стали малыми добавками РЗМ в 80% всех опытных плавок понизила порог хладноломкости на 25—30° С.

В результате исследования свойств сложнолегированной стали марки КДЛВМ, подвергнутой закалке и низкому отпуску на твердость 2,9—3,0 D_Бp, установлено значительное повышение хладностойкости стали, обработанной РЗМ.

Положительное влияние малых добавок РЗМ сказывается также на горячей пластичности стали, на уровне пластических и вязких свойств поперечных образцов деформированной стали, особенно листовой, на снижение анизотропии этих свойств.

Необходимо отметить исключительно важное влияние, которое могут оказывать малые добавки РЗМ на склонность конструкционной стали к образованию первичного и устойчивого камневидного излома, образующегося в результате перегрева стали в процессе ее прокатки или ковки (штамповки). Исследования показали, что введение в сталь марки 18Х2Н4ВА 0,2% РЗМ (0,02—0,03% остаточного содержания) повышает минимальную температуру перегрева, приводящую к образованию устойчивого камневидного излома на 100—150° С.

Выводы

1. Модифицирующие и микролегирующие добавки могут оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на склонность стали к хладноломкости в зависимости от ее исходного состава, степени газонасыщенности и условий последующего передела и термической обработки.


2. Модифицирование литейной стали малыми добавками РЗМ (0,15—0,20%) совместно с силикокальцием (0,20—0,25%) значительно повышает уровень ее пластических и вязких свойств, сближая их с уровнем, характерным для катаной стали того же состава.


3. Учитывая характер образующихся продуктов взаимодействия титана с отдельными элементами стали (N, S, С), не рекомендуется применять титан в производстве ответственных фасонных отливок, выполняемых из углеродистой или низколегированной стали и особенно предназначенных для службы в условиях Севера.


4. Раскисление, модифицирование и микролегирование стали титаном допускается и рекомендуется в следующих случаях:
   • при производстве низкоуглеродистых сталей с повышенным содержанием азота и потому чрезвычайно склонных к старению. Однако в этом случае должна быть учтена возможность обработки такой стали алюминием и ванадием взамен титана;
   
   
   • при производстве стали, к которой предъявляются специальные требования,— высокая измельченность аустенитного зерна, устойчивость его к росту при нагревании и когда уровень вязких свойств материала не оказывает влияния на работоспособность детали;
   
   
   • при необходимости дополнительного упрочнения средне- и высокоуглеродистой стали, закаленной на мартенсит, и одновременного повышения ее вязкости.


5. Конструкционная сталь, микролегированная РЗМ, характеризуется резко сниженной склонностью к образованию камневидного излома (первичного и устойчивого) и потому допускает применение более высоких температур нагрева в процессе горячей пластической деформации на всех этапах ее передела: при прокате, ковке и штамповке.

Я. Е. Гольдштейн, М. П. Лазарева, Ю. Г. Разумов