Организация и технология контроля и испытаний качества, химического состава, свойств марки стали 4X5MФС

Хром (Сr) повышает твердость, прочность, вязкость, износостойкость, повышает коррозионную стойкость, окалиноустойчивость, а также пластичность, но понижает теплопроводность.

К числу ограничений использования хрома в качестве легирующего элемента относится, прежде всего, резкое увеличение карбидной неоднородности при введении его в количествах, превышающих 4 - 5%. Следует отметить, что увеличение содержания хрома выше 5%, наряду с усилением карбидной неоднородности, вызывает также повышение чувствительности к перегреву.

В штамповых сталях для горячего деформирования необходимо жесткое регламентирование содержания хрома, так как он ускоряет их разупрочнение, начиная с 2 - 3%, что связано со значительным возрастанием скорости коалесценции карбидов [4].

Также хром даже при относительно невысоких концентрациях обладает значительной склонностью к дендритной ликвации, большей, чем вольфрам, марганец и кремний. Это может привести к неблагоприятным структурным изменениям - усилению карбидной полосчатости, неоднородности, отклонениям от равновесного фазового состава и др. Поэтому, учитывая данные факторы, содержание хрома в стали 4Х5МФС  ограничивают (4.5 – 5.5 %).

Ванадий (V) повышает твердость, прочность, вязкость, устойчивость против динамических напряжений и износа, уменьшает отпускную хрупкость, измельчает структуру и повышает устойчивость против перегрева при закалке. Ванадий, также как и хром, обладает сильно выраженной склонностью к дендритной ликвации, но в отличие от него ванадий благоприятно влияет на дисперсность и характер распределения первичных карбидов в высокоуглеродистых сталях.

Ванадий в штамповых сталях присутствует в карбиде VC и твердом растворе. Растворимость карбида типа MeC в аустените и, следовательно, степень насыщения ванадием твердого раствора зависят от содержания ванадия и углерода в стали, а также от количества других элементов: Cr, W, Mo.

Ванадий благоприятно влияет на чувствительность сталей к перегреву. Повышая температуру интенсивного роста аустенита, он значительно усиливает интенсивность дисперсионного твердения и повышает теплостойкость сталей. При содержании до 1.0 % ванадий повышает прочность и пластичность.

Роль молибдена заключается в дополнительном усилении дисперсионного твердения при отпуске, благоприятном влиянии на уменьшение склонности к отпускной хрупкости.

Кремний значительно упрочняет ферритную матрицу. Этот элемент, как некарбидообразующий, в основном находится в твердом растворе. Кремний влияет аналогично хрому на механические свойства стали и стойкость к окислению. Однако его содержание в штамповых сталях горячего деформирования ограничивается; повышенное содержание кремния приводит к смещению пика вторичной твердости в сторону более низких температур отпуска, что отрицательно сказывается на теплостойкости стали.

 

1.3 Контроль химического состава стали

 

Определение химического состава продуктов металлургического производства является одним из специфических направлений производственной деятельности современного металлургического предприятия, позволяющих обеспечить стабильность технологических процессов и требуемое качество продукции. Для определения состава применяют химические, физико-химические и физические 
методы анализа. При выборе метода анализа исходят из необходимой точности, чувствительности и скорости определения химического состава.

Контроль химического состава металла и шлака по ходу плавки осуществляют с использованием экспресс-анализа. Особенностью экспресс-анализа является его быстрота, своевременность получения результатов и точность, гарантирующая получение в заданный момент плавки металла и шлака требуемого состава. Для выполнения экспресс-анализов обычно вместо химических применяют более скоростные физико-химические и физические методы [5].

Для контроля химического состава материалов и продуктов производства, поступающих на завод и отправляемых заводом потребителю, применяют маркировочный анализ. По результатам маркировочного анализа определяют соответствие состава полупродуктов и готовой продукции установленным нормам (стандартам, поэтому определение содержания всех компонентов продукта осуществляют с высокой точностью, используя преимущественно химические и физико-химические методы анализа.

Контрольный анализ проводят в случае необходимости проверки или уточнения результатов маркировочного анализа или точного определения содержания некоторых компонентов продукта. Для контрольного анализа часто используют те же методы, что и для маркировочного, но выполняют его с еще большей тщательностью высококвалифицированные специалиста, нередко с одновременным выполнением анализа несколькими специалистами. Контрольный анализ рекомендуется проводить по стандартизированным методам.

Арбитражный анализ по своему характеру является контрольным, необходимость в проведении которого возникает при расхождении результатов анализа, полученных поставщиком и потребителем данной продукции. Арбитражный анализ выполняют с использованием трех или четырех навесок обычно теми же методами, что и маркировочный но определение проводят наиболее квалифицированные специалисты при соблюдении высоких требований к метрологическому обеспечению измерений химического состава. Арбитражный анализ проводят по стандартизованным методам.

Физические методы анализа.

Существенным недостатком химических и физико-химических способов анализа является значительная длительность их выполнения, связанная с необходимостью измельчения пробы, взятия навески, перевода пробы в раствор, отделения мешающих элементом и проведения ряда других операций. Для ускорения анализа продуктов металлургического производства,  повышения его чувствительности и точности широко используют физические методы анализа: спектральные, радиометрические (активационные), хроматографические, термоэлектрические методы.

Наибольшее применение в практике определения химического состава продуктов металлургического производства получили спектральные методы анализа.

Спектральный анализ - физический метод, основанный на исследовании спектров испускания и поглощения атомов и молекул. Эти спектры определяются свойствами электронных оболочек атомов и молекул, колебаниями атомных ядер в молекулах и вращением молекул, а также воздействием массы и структуры атомных ядер на положение энергетических уровней; кроме того они зависят от взаимодействия атомов и молекул с окружающей средой. В соответствии с этим спектральный анализ использует широкий интервал длин волн – от рентгеновских до микрорадиоволн.

По применяемым методам:

1. Эмиссионный - использующий спектры излучения, главным образом атомов;
2. Абсорбционный - использующий спектры поглощения, главным образом молекул и их структурных частей; возможен анализ по спектрам поглощения атомов;
3. Комбинационный - использующий спектры комбинационного рассеяния твердых, жидких и газообразных проб, возбуждаемые монохроматическим излучением, обычно – светом отдельных линий ртутной лампы;
4. Люминесцентный - использующий спектры люминесценции вещества, возбуждаемые главным образом ультрафиолетовым излучением или катодными лучами;
5. Рентгеновский - использующий рентгеновские спектры атомов или дифракцию рентгеновских лучей;
6. Радиоспектроскопический - использующий спектры поглощения молекул в микроволновом участке спектра с длинами волн больше 1 мм.

По способу регистрации спектров различают следующие методы:

1. Визуальные (при наблюдении в видимой области с помощью простых или специализированных спектроскопов);
2. Фотографические (использующие фотографическую пластинку или пленку для регистрации спектров с последующей обработкой);
3. Фотоэлектрические (для ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной областей, использующие фотоэлементы разных типов). Фотоэлектрические методы иногда называют методами прямого анализа, то есть анализа без посредства фотографической пластинки;
4. Термоэлектрические (для инфракрасной области, в том числе далекой, с использованием термоэлементов, болометров и других типов термоэлектрических приемников).

Рассмотрим подробно фотоэлектрический спектральный анализ (по ГОСТ 18895-97 «Сталь. Метод фотоэлектрического спектрального анализа») [6].

Фотоэлектрический спектральный метод – метод анализа, основанный на возбуждении атомов элементов стали электрическим разрядом, разложении излучения в спектр, измерении аналитических сигналов, пропорциональных интенсивности или логарифму интенсивности спектральных линий, и последующем определении массовых долей элементов с помощью градуировочных характеристик.

Фотоэлектрическая установка состоит из следующих частей:

1) генератора возбуждения  спектров;

2) монохроматора с фотоэлектрическим  приемником;

3) усилительного и измерительного  устройств;

4) стабилизированного блока питания;

5) отсчетно-регистрирующего устройства.

К каждому участку установки предъявляется ряд требований. Например, источник возбуждения спектров должен обеспечивать постоянство энергии, реализуемой в промежутке между электродами; высокие требования предъявляются к межэлектродному промежутку, который должен устанавливаться с точностью до 0.01 – 0.03 мм; с такой же точностью должна быть зачищена поверхность металлических электродов. Для возбуждения спектров используют генератор с электронным управлением ГЭУ-1, в котором обеспечивается необходимое значение фазы переменного тока. От спектрального прибора - монохроматора требуется значительная линейная дисперсия, чтобы можно было надежно выделить нужную аналитическую линию. Поэтому многоканальные приборы строят на базе дифракционных решеток. 

Отбор и подготовка проб осуществляется по ГОСТ 7565-81 с дополнением. На поверхности проб не допускаются раковины, шлаковые включения, цвета побежалости и другие дефекты.

 

 

 

 

1.4 Влияние газов на  свойства стали и методы их  определения

 

В процессе плавки жидкая сталь поглощает газы, часть которых выделяется из металла во время затвердевания. Газы, остающиеся в стали, оказывают большое влияние на ее механические и физические свойства; роль их в генезисе важнейших пороков стали значительна, и их следует рассмотреть наряду с другими элементами. Количество газов в  стали зависит главным образом от характера металлургического процесса выплавки стали и от способа производства проката.

Влияние газов на свойства металла зависит от формы присутствия газов. При высоких температурах газы в жидком металле находятся обычно в растворённом состоянии. Понижение температуры расплава вызывает значительное уменьшение растворимости газов, что приводит к выделению их из раствора. При кристаллизации слитка или отливки выделяющиеся газы могут образовывать газовые пузыри и поры, что нарушает сплошность металла, уменьшает его плотность и, следовательно, приводит к снижению его качества. Газы, растворённые в твёрдом металле, понижают показатели его механических свойств, ухудшают его магнитные характеристики, уменьшают коррозионную стойкость.

Даже небольшие концентрации газов оказывают резко отрицательное влияние на свойства, ухудшая пластические и вязкие характеристики стали. Поэтому вакуумирование является важной операцией для улучшения свойств стали.

 Наибольшее влияние на свойства стали оказывают азот, кислород и водород.

Газы (кислород, водород, азот), как правило, являются вредными примесями, присутствуют в любой стали в очень малых количествах, и их называют скрытыми примесями. Газы присутствуют в твердой стали в следующих формах: в газообразном состоянии (в порах, пустотах); в α–твердом растворе; в виде соединений, т.е. неметаллических включений (нитридов, оксидов).

1.4.1 Влияние азота, кислорода и водорода  на свойства стали 4Х5МФС

 

Кислород, азот и водород - вредные скрытые примеси. Их влияние наиболее сильно проявляется в снижении пластичности и повышении склонности стали к хрупкому разрушению.

Кислород и азот растворяются в феррите в ничтожно малом количестве и загрязняют сталь неметаллическими включениями (оксидами, нитридами). Кислородные включения вызывают красно- и хладноломкость, снижают прочность. Повышенное содержание азота вызывает деформационное старение. Последствия старения - разрывы при штамповке или образование на поверхности полос скольжения, затрудняющих ее отделку.

Водород находится в твердом растворе или скапливается в порах и на дислокациях. Хрупкость, обусловленная водородом, проявляется тем резче, чем выше прочность материала и меньше его растворимость в кристаллической решетке.

Повышенное содержание водорода в стали при ее выплавке может приводить к флокенам. Флокенами называют внутренние надрывы, образующиеся в результате высоких давлений, которые развивает водород, выделяющийся при охлаждении в поры вследствие понижения растворимости. Флокены в изломе имеют вид белых пятен, а на поверхности мелких трещин. Для его предупреждения стали после горячей деформации медленно охлаждают или длительно выдерживают при температуре 250 °С. При этих условиях водород, имеющий большую скорость диффузии, не скапливается в порах, а удаляется из стали. Сталь 4Х5МФС обладает низкой чувствительностью к образованию флокенов (внутренних трещин).

Наводороживание и охрупчивание стали возможны при травлении в кислотах, нанесении гальванических покрытий и работе в водородсодержащих газовых средах.

Изучение связи между свойствами металла и содержанием в нем газов с учетом формы их присутствия позволяет прогнозировать поведение металла в конкретных условиях эксплуатации.  Таким образом, влияние газов на свойства металлов и сплавов требует тщательного их анализа. Содержание газов нормировано ГОСТом на многие виды металлопродукции.