Производство стали и методы исследования ее свойств

Физико-химические методы исследования свойств стали

Влияние продувки металла  на физические свойства расплава

Внепечная обработка стали повышает свойства стали, улучшаются показатели пластичности, уменьшается анизотропия физико-механических характеристик слитка и проката, поскольку при (такой обработке в стали снижается содержание нежелательных примесей, газов, неметаллических включений. Однако отмечено достаточно большое число случаев, когда после внепечной обработки наблюдается улучшение свойств твердого металла без заметного изменения его состава, содержания в нем газов и неметаллических включений что явилось основанием для ряда проведенных в последние годы исследований.

Во всех методах внепечной обработки  расплавленный металл подвергается интенсивному и длительному перемешиванию, как это обычно принято считать, приводит к увеличению макрооднородности расплава по составу и температуре. Однако есть предположения, что длительное перемешивание должно способствовать достижению также и микроравновесного состояния расплавленной стали. Не исключено приближение к равновесию микроскопических состояний расплава (это эквивалентно повышению однородности его структуры ближнего порядка) вызовет изменение физических структурно-чувствительных свойств и улучшит качественные характеристики рафинированного металла. По определению физических свойств металлических расплавов до и после внепечной обработки выполнено мало исследований.

Подробные исследования по данному вопросу  выполнены коллективом специалистов под руководством Б.А. Баума. Высоколегированные стали и сплавы выплавляли в электродуговых печах и продували в ковше аргоном, подаваемым через пористые трубки. Общим для всех обработанных сталей и сплавов оказалось увеличение кинематической вязкости расплава на 10-20, плотности на 3-5 и поверхностного натяжения на 7-10%. Продувка сплава ЭИ602 аргоном привела к уменьшению параметра кристаллической решетки твердого раствора с 0,35664 до 0,35653 нм и возрастанию плотности с 8,3469 до 8,3595 г/см3, хотя концентрация газов и неметаллических включений после продувки практически не изменялась. Во всех случаях после продувки возрастает ударная вязкость и пластические свойства металла. Общим для всех обработанных сталей является не только повышение их вязкости, но и увеличение удельной работы деформации, характеризующей вязкость материала твердых образцов. Удельная работа деформации в области пластической деформации связана с трением взаимоперемещающихся плоскостей, т.е. с сопротивлением течению. Авторы исследования заключают, что обнаруженная корреляция в изменении вязкости расплава и твердого металла при его пластической деформации связана с общностью механизмов рассеяния энергии. По мере повышения однородности расплава и соответственно уменьшения дефектности кристаллической структуры твердого образца условия для равномерного рассеяния механической энергии, сообщаемой системе, оказываются более благоприятными. Локализация энергии в отдельных микросхемах затрудняется. Пластичность и устойчивость металла по отношению к разрушающим нагрузкам возрастает.

Итак, в  них случаях установлено снижение вязкости стали после продувки, в  других ее возрастание. Возможно, одной из причин этого является существенное различие состава исследованных сталей. Не исключено, что в сталях более простого состава, выплавленных без присадки значительного количества легирующих элементов и находящихся почти в микроравновесном состоянии, преобладает эффект снижения вязкости в результате удаления неметаллических включений и газов. Для сложнолегированных сталей определяющим может явиться приближение к микроравновесному состоянию и изменение структуры ближнего порядка расплава под воздействием перемещения и образования развитой поверхности раздела, металл - газ.

Проведено исследование с участием автора влияния  продувки аргоном в ковше на изменение физических свойств стали 18Х2Н4МА. Сталь выплавляли в 10-т электродуговых печах Златоустовского металлургического завода (ЗлМЗ) по технологии с окислением. Аргон подавали в металл через пористую пробку в днище ковша под давлением при расходе 0,45-0,50 м3/мин в течение 3-12 мин. Образцы всех плавок до продувки металла аргоном имели практически одинаковые (в пределах точности измерения) исследованных физических свойств. Это позволяет сделать заключение о слабом влиянии изменений химического состава (в пределах марочного) на свойства стали в жидком состоянии и сходстве структур ближнего порядка расплавов различных плавок до продувки. Химический анализ проб металла, отобранных из ковша до и после продувки, показал, что при продувке аргоном химический состав стали практически не изменяется. Содержание кислорода в исходном металле всех плавок колебалось в пределах 0,0049-0,0078, азота 0,0071-0,00193%. После продувки содержание кислорода снизилось до 0,0034-0,0067, а азота - до 0,0049-0,0175%. Степень удаления кислорода составила 5-50, азота 6-30%. Явной зависимости степени. Удаления кислорода и азота из металла от продолжительности продувки не обнаружено, хотя газонасыщенность металла снижалась во всех случаях в большей или меньшей степени. Отмечено также закономерное снижение загрязненности стали неметаллическими включениями.

Таким образом, физические свойства расплавов всех плавок до продувки были примерно одинаковы, химический состав металла после продувки почти не изменился, а уменьшение газонасыщенности и загрязненности металла должно, казалось бы, привести к снижению, а не к увеличению вязкости. Значит, только различием газонасыщенности и загрязненности металла нельзя объяснить различие физические свойства металла до и после продувки. Это позволило сделать заключение о возможном изменении структуры, порядка расплава в результате внешнего воздействия.

Для объяснения полученных результатов можно исходить, из представлений Б.А. Баума о  микронеравновесных состояниях металлических расплавов. Интенсивное перемешивание расплава при продувке улучшает условия диффузии и способствует частичному разрушению существующих в расплаве не равновесных долгоживущих группировок сильно взаимодействующих частиц. Часть прочных внутренних связей в комплексах освобождается и принимает участие во взаимодействии с окружающими комплекс структурными единицами расплава. Это приводит к увеличению средней энергии межчастичного взаимодействия, что проявляется в повышении поверхностного натяжения расплава и энергии активации вязкого течения. Следствием этого является рост кинематической вязкости расплава. Повышение средней энергии взаимодействия и увеличение степени однородности расплава сопровождается ростом плотности и магнитной восприимчивости.

Как уже  отмечалось, магнитные свойства переходных металлов и сплавов на их основе определяются, в основном, характером ближнего порядка, дальний порядок здесь несуществен. Следовательно, продувка металла инертным газом, оказывая определенное влияние на структуру ближнего порядка расплава, влияет и на структуру ближнего порядка твердого металла: магнитная восприимчивость как жидкого, так и твердого металла изменяется практически одинаково при продувке. Можно считать, что степень влияния продувки на структуру ближнего порядка твердого металла пропорциональна степени воздействия на расплав, т.е. степени приближения его к микроравновесному состоянию.

Качество  металла также закономерно изменяется в зависимости от продолжительности  продувки. Макроструктура с увеличением длительности продувки становится более плотной и однородной, уменьшается реальная пористость и усадочная рыхлость. Загрязненность стали неметаллическими включениями снижается, включения становятся более мелкими. Анализ изломов поперечных продольных образцов на электронных микроскопах "Tsl BS540" и "Stereoscan S4-10" показал, что на плавках наряду с вязким наблюдаются значительные участки хрупкого разрушения, ответственными за которые являются остаточно крупные включения. После продувки металла аргоном в ковше количество включений и их размеры значительно уменьшаются. Излом становится преимущественно вязким, доля участков хрупкого разрушения снижается. В результате возрастает ударная вязкость металла. Однако заметных различий вида излома образцов металла после продувки в течение 5 и 10 мин не наблюдается.

Таким образом, продувка металла газом в ковше  приводит к изменению структуры  ближнего порядка расплава и его  физических свойств. Эти изменения  в значительной степени обусловливают повышение качества стали после продувки. Закономерное (затухающее) изменение физических свойств в зависимости от продолжительности обработки позволяет выбрать оптимальное ее значение по наибольшему увеличению плотности, поверхностного натяжения или вязкости расплава.

Химико-термическая  обработка стали

Химико-термическая  обработка стали заключается  в изменении химического состава  стали на поверхности изделия  и последующем проведении термообработки. Цель ее — упрочнение поверхностных слоев стали (повышение твердости, усталостной прочности, износостойкости и т. п.), изменение физико-химических и других свойств (коррозионных, фракционных и т.д.). От поверхностной закалки данный вид обработки отличается тем, что предварительно производят насыщение поверхности обрабатываемых изделий различными элементами (С, N, Al, Si, Cr и др.). Проникая в основную решетку металла, атомы элемента образуют твердый раствор внедрения или замещения, либо химическое соединение. 

Цементация — поверхностное насыщение малоуглеродистой стали (С<0,3 %) углеродом с последующими закалкой и отпуском с целью получения детали с твердой поверхностью и вязкой сердцевиной. Цементацию можно проводить в твердой, жидкой или газообразной среде (карбюризаторе).

Изделия, подвергаемые цементации в твердом карбюризаторе, помещают в огнеупорный ящпк и засыпают цементационной смесью, состоящей из активированного угля и углекислой соли (К2СО3, Na2CO3 или ВаСОз). Ящик ставят в печь и выдерживают при 900... ...950 °С в течение 5...G ч. При этом углекислая соль диссоциирует с выделением СОг> который реагирует с раскаленным углем и образует оксид углерода (L+COa^^CO). При соприкосновении с поверхностью стали оксид углерода разлагается (2СО-)-СО2+С) и углерод в атомарно-активном состоянии диффундирует в кристаллическую решетку y:Fe, образуя твердый раствор (аустенит). При дальнейшей выдержке в иечи изделие науглероживается на некоторую глубину (1...2 мм).

После цементации изделия  подвергают закалке на мартенсит  с последующим низким отпуском. При такой закалке сердцевина цементированных изделий будет мягкой    и    вязкой,   а   поверхностный   слой — твердым и прочным (твердость по Бринеллю повышается до 660...650 единиц).

При газовой  цементации над обрабатываемыми изделиями пропускают газы (природный и смеси метана, этила и иных газов, получаемых при пиролизе керосина и других жидких нефтепродуктов), которые при нагревании до высоких температур (900...950°С) выделяют атомарный углерод. Газовая цементация обеспечивает повышение производительности труда и более точное регулирование процесса цементации, но требует более сложного оборудования.  

Азотирование — процесс поверхностного насыщения стали азотом путем выдержки стали, нагретой до 500...650°С, в атмосфере аммиака NH3. Аммиак диссоциирует по реакции:

2NH₃→2N + 3H₂

с выделением атомарного азота, который диффундирует в сталь и образует нитриды, обладающие высокой твердостью. Особенно хорошие результаты получаются при азотировании легированных сталей с небольшим содержанием легирующих элементов (Al, Ti, V, Mo, Сг), которые образуют с азотом высокодисперсные стойкие нитриды. Азотирование стали значительно повышает ее поверхностную твердость (в 1,5...2 раза по сравнению с цементацией), увеличивает износоустойчивость и предел усталости стали, повышает сопротивление коррозии. 

Цианирование — одновременное насыщение поверхности стального изделия азотом и углеродом, производится для повышения твердости, износоустойчивости и усталостной прочности мелких и средних деталей. 

Диффузионная металлизация — процесс поверхностного насыщения стали алюминием (алитированне), хромом (хромирование), кремнием (силицирование), бором (борирование) и другими элементами. Его осуществляют путем нагрева и выдержки стальных изделий в контакте с одним или несколькими из указанных элементов, которые могут находиться в твердом, жидком и газообразном состояниях. Такая обработка изделия придает поверхностным слоям стали жаростойкость, износоустойчивость, сопротивление коррозии и создает возможность замены легированных сталей.

Наклеп, возврат  и старение стали

Механизм разрушения стали зависит   от структуры сплава. Под влиянием нагрузки искажается форма отдельных кристаллов и в особенности наиболее слабых— феррита. Если нагрузка не перешла определенного предела и будет снята, то форма кристалла примет свой первоначальный вид (упругость). Если нагрузка привела к межкристаллическим сдвигам, то наступает предел пропорциональности — перлитовые прослойки начинают разрушаться, а энергия в зернах феррита обеспечивает общий сдвиг (текучесть). Площадка текучести характерна для малоуглеродистых сталей (до 0,3 % С), в которых перлита еще мало и его сдерживающее влияние не сказывается.

При последующем увеличении нагрузки зерна феррита взаимно  смещаются, пронизываются кристаллами  перлита, в результате чего возрастает сопротивление нагрузкам (упругопластическое состояние).

Разрушение  металла наступает, когда связь между атомами отдельных кристаллов нарушается. Разрушение стали может быть пластичным в результате внутрикри-сталлических сдвигов и хрупким в результате преодоления сцепления между атомами.

Большое значение в решении вопроса о прочности металлов принадлежит теории «дислокации», выражающейся в том, что в кристаллах металла имеются дефекты особого рода, а именно: строгое положение атомов в узлах кристаллической решетки оказывается нарушенным. Благодаря этому сдвиг в кристаллах происходит не одновременно по всей плоскости, а в результате постепенного перемещения дислокаций. Таким образом, пластическая деформация кристалла, содержащего дефекты, происходит под действием силы, значительно меньшей, чем это необходимо для одновременного сдвига по всей плоскости. В лабораториях выращены «усы» из монокристаллов (d=l...2 мкм), где дислокаций нет, а потому прочность их достигает 10 000 МПа и более.

Наклепом называют упрочнение металла и изменение его свойств под влиянием пластической деформации в холодном состоянии. Основные изменения свойств металла происходят из-за искажения кристаллической решетки, в результате вытягивания в направлении деформации (волочения проволоки, штамповки листов, изгиба, деформации арматуры и т. п.). В строительстве для повышения предела текучести арматуры железобетонных конструкций пользуются наклепом, для чего ее скручивают или вытягивают в холодном состоянии. Наряду с повышением прочности наклепанного металла происходит снижение пластических свойств (уменьшаются Относительное удлинение и ударная вязкость).