Влияние редких металлов и серы на образование камневидного излома стали

Несмотря на значительное число исследований, посвященных изучению природы камневидного излома стали, многое в этой проблеме остается неясным и спорным. Спорными и противоречащими друг другу являются не только предложенные К. А. Малышевым и В. Д. Садовским, В. И. Архаровым, М. П. Брауном и Е. И. Брайниным теории образования камневидного излома, но и оценка обстоятельств, благоприятствующих развитию этого дефекта.

В работах впервые была развита теория образования камневидного излома, связывающая появление этого дефекта с «...выделением из аустенита при охлаждении после перегрева примесей неметаллического характера — сульфидов — вследствие изменения их растворимости с температурой». Сульфидная теория хотя и получила признание и подтверждение в последующих работах, однако она не смогла удовлетворительно объяснить механизм образования устойчивого камневидного излома в случае быстрого охлаждения высокоперегретой стали.

В последние годы с расширением производства и потребления конструкционной стали повышенной чистоты вопрос о роли и ответственности сульфидной фазы за образование камневидного излома резко обострился. Нередко образование этого дефекта начали приписывать низкому содержанию в металле серы, базируясь на утверждении Э. Гудремона о том, что «...очень чистые электростали более чувствительны к повреждению границ зерен, чем мартеновские стали с нормальным содержанием серы».

Исследование влияния сульфидной фазы на склонность стали к камневидному излому проводили на стали 50, выплавленной с очень низким содержанием марганца (0,07—0,08%) *. Плавку разливали фракционно, причем все фракции отличались друг от друга или по составу, или по количеству вводившихся раскислителей: алюминия, титана, марганца, редкоземельных металлов (РЗМ). Опытные слитки прокатывали на квадратные заготовки 32X32 мм, которые подвергались перегревам при температурах 1250—1400° С и различным вариантам последующего охлаждения.

Из рис. 1, на котором приводится вид излома образцов после их перегрева при 1400° С и охлаждения в масле, видно, что наибольшей склонностью к росту аустенитного зерна и образованию первичного камневидного излома имеет фракция стали, раскисленная и по существу легированная марганцем (0,95%), а также сталь, раскисленная алюминием. Совершенно иная картина обнаруживается при рассмотрении вида излома тех же образцов, но подвергнутых после перегрева улучшению. В этом случае полное отсутствие склонности к образованию камневидного излома оказалось свойственно стали, содержащей около 1 % Мп, а также стали, микролегированной РЗМ. Сталь всех других фракций и в том числе раскисленная одним титаном (0,04% остаточного содержания), выявила отчетливую способность к образованию устойчивого камневидного излома.

В структуре стали, склонной к образованию устойчивого камневидного излома, металлографическим анализом были обнаружены сульфиды железа, в то время как в структуре стали, не склонной к образованию устойчивого камневидного излома, были зафиксированы сульфиды марганца или сульфиды РЗМ.

При высокотемпературном нагреве и последующем охлаждении сульфиды разного состава ведут себя различно. Так, если сульфиды марганца и сульфиды РЗМ практически сохраняют свою ориентированность вдоль направления деформации, то сульфиды железа резко перестраиваются в микрообъемах, располагаясь по границам бывших аустенитных зерен.

В отличие от мнения К. А. Малышева о том, что медленное охлаждение после перегрева приводит к камневидному излому, а быстрое охлаждение (закалка) предупреждает его получение, в этом и во многих других наших опытах была подтверждена точка зрения М. П. Брауна о возможности образования камневидного излома и при высоких скоростях охлаждения. Более того, при охлаждении перегретых образцов низкомарганцевой стали в масле, сетка сульфидов железа получается более четко сформированной и более сплошной, чем после охлаждения таких же образцов с печью (рис. 2).

Очевидно, что при очень замедленном охлаждении успевает в большей мере, чем при быстром, произойти коагуляция неметаллической оболочки (пленки сульфидов), ранее выделившейся по границам бывшего аустенитного зерна.

Контрольные опыты, выполненные со сталью марок 20Г2, 45Г2 и 60Г промышленной выплавки подтвердили отсутствие склонности марганцевой стали к образованию устойчивого камневидного излома, независимо от температуры перегрева (1200—1400° С) и условий последующего охлаждения. Совершенно иные результаты получены при определении минимальной температуры перегрева, приводящей к получению устойчивого камневидного излома у образцов стали 18Х2Н4ВА промышленного производства (см. таблицу), выплавленной с пониженным содержанием марганца (0,28%). При выплавке этой стали различные раскислители вводили не в ковш, а в изложницы, что не только обеспечивало полную тождественность основного состава стали, но и исключало возможность влияния на ее склонность к образованию камневидного излома каких бы то ни было биографических особенностей ее выплавки и разливки, кроме условий раскисления.

Из таблицы видно, что в данном случае раскисление и микролегирование стали РЗМ, а также титаном резко снижает склонность стали к образованию камневидного излома. Эти и ряд других опытов приводят нас к выводу об определяющей роли условий раскисления и природы сульфидной фазы в их влиянии на склонность стали к образованию устойчивого камневидного излома. Только сера, связанная в легко диссоциирующие низкотемпературные соединения, способствует образованию камневидного излома, в отличие от серы, связанной в соединения, нерастворимые в аустените.

Температура начала появления камневидного излома у стали 18Х2Н4ВА в зависимости от природы и остаточного содержания элементов — раскислителей, °С: 0,18% С; 0,28% Мn; 0,19% Si; 1,49% Сг; 4,17% Ni; 0,90% W; 0,016% S; 0,025% Р; 0,01% N.

Образование камневидного излома в стали 50, раскисленной одним титаном, объясняется тем, что введенного и остаточного 0,035—0,04% в низкомарганцевой (Мn≤0,10%) стали, не раскисленной алюминием, оказалось недостаточно для образования сульфидов титана. В этом случае титан расходовался в основном на образование соответствующих окислов и нитридов, а сера оказалась связанной в сульфиды железа.

Если же титан вводить в несколько больших количествах или вводить его в сталь, предварительно раскисленную алюминием, то положительное влияние малых его добавок оказывается отчетливым и бесспорным.

Исследование влияния количества серы и условий выплавки стали на ее склонность к образованию камневидного излома изучали на стали 40Г2 и 18Х2Н4ВА. Сталь 40Г2 отливали с переменным содержанием серы в отдельных фракциях для исследования поведения стали 18Х2Н4ВА отбирали образцы от 10-и промышленных плавок разных условий выплавки.

При изучении вида изломов перегретых (1200—1375° С) образцов стали 40Г2 ни в одном случае, ни для любой ее фракции не была выявлена склонность к образованию устойчивого камневидного излома. Вид излома всех перегретых образцов (1250—1375° С) после их улучшения (закалка с 860° в масле и отпуск при 600°) характеризовался однородным и вязким строением без наличия фасеток и сколов. Установлено, что повышение содержания в стали 40Г2 серы сопровождается снижением ее склонности к росту зерна аустенита при высоких температурах, и вследствие этого снижается ее склонность к образованию первичного камневидного излома. Полученные данные совпадают с результатами работы Эммингера.

Для удобства рассмотрения изломы перегретых образцов стали 18Х2Н4ВА были сгруппированы не только по содержанию в стали серы, но и титану. Установлено, что сталь 18Х2Н4ВА всех исследуемых плавок (при Мn≤0,4% и 0,025—0,04% Ti) не склонна к образованию камневидного излома (первичного и вторичного) независимо от содержания в ней серы (0,004—0,015%).

Сталь 18Х2Н4ВА, выплавленная без титана (Ti≤0,008%), оказалась не только склонной к образованию камневидного излома, но и весьма чувствительной к содержанию в стали серы, независимо от условий выплавки металла: со снижением содержания серы заметно возрастала камневидность излома (рис. 3), обнаруживавшегося в образцах после перегрева при 1300—1400° С и после всех вариантов охлаждения (печь, воздух, масло).

Последующая термическая обработка — улучшение — исправляет вид излома образцов, подвергавшихся после перегрева быстрому охлаждению (в масле), и сказывается недостаточной для ликвидации камневидности в изломе образцов, охлаждавшихся замедленно (с печью). Особенно резко выраженную склонность к образованию камневидного излома проявила сталь плавки 76 с низким содержанием серы (0,004%), а титана (0,005%) и одновременно повышенным содержанием азота (0,016%).

При изучении изломов методом электронной микрофрактографии на сколах (фасетках) изломов образцов от плавок, показавших повышенную склонность к образованию устойчивого камневидного излома, и особенно в образцах плавки 76, обнаружены крупные частицы нитридов алюминия характерных форм (рис. 4).

Будучи высокотемпературными и хрупкими, а также труднорастворимыми при обычных температурах нагрева под закалку, крупные частицы нитридов алюминия не только фиксируют собой границы бывшего аустенитного зерна, но и резко ослабляют прочность поликристаллического агрегата, становясь самостоятельной причиной образования устойчивого камневидного излома.

Таким образом, положительное влияние малых добавок титана состоит не только в возможности образования им собственных тугоплавких сульфидов, но прежде всего в резком измельчении карбидами титана аустенитного зерна и торможении его роста при нагревании, а также в связывании титаном части азота в относительно компактные нитриды титана, что резко уменьшает возможность образования нитридов алюминия развитых форм выделяющихся на поверхности аустенитных зерен.

Выводы

1. Установлена определяющая роль природы сульфидной фазы в ее влиянии на склонность стали к образованию камневидного излома.


2. Наличие в структуре стали низкотемпературных, легкодиссоциирующих сульфидов (типа сульфидов железа и комплексных железо—марганец—алюминиевых сульфидов) благоприятствует образованию устойчивого камневидного излома, возникающего вследствие высокотемпературного перегрева стали.


3. Создание в структуре стали тугоплавких сульфидов марганца, титана, и особенно редкоземельных элементов, является важным условием резкого снижения склонности конструкционной стали к образованию камневидного излома.


4. С повышением серы в стали — тугоплавких сульфидов — снижается ее склонность к росту зерен при высоких температурах нагрева и вследствие этого ее склонность к образованию первичного камневидного излома.


5. С повышением чистоты стали по сере и азоту возрастает ее склонность к образованию при перегреве первичного камневидного излома и одновременно снижается ее способность к сохранению устойчивого камневидного излома.


6. Образование камневидного излома нельзя связывать только с влиянием сульфидных или в общем случае неметаллических фаз.

Причины образования этого дефекта множественны, и общим для ряда из них является присутствие в стали ограниченно растворимых в γ-растворе элементов или их соединений — фаз, преимущественно концентрирующихся в зернограничных объемах бывших аустенитных зерен.

Я. Е. Гольдштейн, М. П. Лазарева