5 i.

Например, сплав состава: 0,12 % С; 14,0-16,0 % Сг; 34,0-38,0 % Ni; 1,1-1,5 % Ti; 2,8-3,5 % W; остальное Fe обозначается ХН35ВТ (ЭИ612), а сплав: <0,07 % С; 19,0-22,0 % Сг; 2,4-2,8 % Ti; 0,6-1,0 % Al; <4,0 % Fe; остальное -Ni обозначается ХН77ТЮР (ЭИ437).

Принятая в СССР система маркировки наглядна и проста. В других странах применяют другие принципы обозначения сталей.

Так, буквенно-цифровая система используется в ВНР, ВНР, ПНР, ГДР, ФРГ, Италии, Франции и других странах. В ряде стран применяют цифровое обозначение марок сталей. Ниже приведено обозначение одних и тех же по составу сталей в разных странах:

СкЮ 50CrV4 C85W2

В18 XlOCrlS Zl2CrNil8-8

Япония

S9CK SUP5 SK5 SKH2 SECI SEC7

- В капиталистических странах зачастую фирмы присваивают сталям рекламные обозначения [например, Welten 80 (свариваемая), Corten (стойкая к атмосферной коррозии) и др.].

Глава II

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЕ КАЧЕСТВО СТАЛЕЙ

Качество специальных сталей определяется технологией производства, содержанием примесей и неметаллических включений, макроструктурой и т. д. Не рассматривая технологические факторы выплавки, разливки и прокатки стали, рассмотрим наиболее значимые металловедческие факторы металлургического качества стали.

1. Неметаллические включения

К неметаллическим включениям относятся химические сое- динения, образовавшиеся в стали в процессе ее производства- выплавки и разливки. Неметаллические включения являются важнейшим фактором, характеризующим металлургическое качество стали. Они существенно влияют на качество и свойства стальных изделий, их эксплуатационные характеристики в зависимости от природы, количества, формы, размера и характера распределения.

Согласно классификации, предложенной А. А. Байковым, все неметаллические включения по природе их происхождения можно разделить на два вида:

1. Эндогенные неметаллические включения-соединения, образовавшиеся в стали в результате химических реакций, протекающих в процессе ее выплавки, раскисления и разливки, и вследствие изменения растворимости приме- сей в процессе кристаллизации слитка.

2. Экзогенные неметаллические включения - частицы различных соединений, попавшие в жидкую сталь или в слиток извне, т. е. из шихтовых материалов, огнеупорной футеровки сталеплавильных агрегатов и устройств и т. п.

Указанные неметаллические включения могут взаимодействовать между собой, образуя комплексные соединё- кия.

Количество включений и особенно их размер в различных сталях и отдельных плавках могут сильно колебаться: объемная доля их обычно находится в пределах 0,01-г-. 0,1 %, а размер от 10- до 10 мм и более. Однако основная масса неметаллических включений в стали имеет размер более 10-3 м. Экзогенные включения почти всегда значительно крупнее эндогенных и их размер практически неограничен.

Размеры неметаллических включений и их количество в стали должны соответствовать ГОСТ 1178-75 Металлографические методы определения неметаллических включений . Загрязненность стали неметаллическими включениями определяют путем сравнения с эталонными шкалами или подсчетом числа и объемной доли включений в деформированном и литом металле.

Автоматизированный подсчет числа и дисперсии распределения неметаллических включений по размерам осуществляют на количественных металлографических микроскопах типа Kwantimet или ЕрЬ Kwant . Фазовый состав их определяют металлографическим, петрографическим, реитгеиоструктурным и электронографическим методами, а химический состав - химическим анализом выделенного осадка и локальным рентгеноспектральным методом. Наиболее эффективны микроанализаторы типа СотеЬакз , позволяющие определить фазовый и химический состав неметаллических включений размером от 0,5-1,0 мкм

2* 19

Классификация неметаллических включений по соста-j ву условна, так как во многих случаях включения являют-; ся комплексными и состоят из нескольких типов химических соединений. В соответствии с ГОСТ 1778-75 неметаллические включения подразделяют на кислородные (оксиды и силикаты), сульфиды и нитриды.

Кислородные включения наиболее многочисленны. Большинство этих включений являются продуктами раскисления стали. Они могут быть и экзогенными (частицы огнеупоров). М. И. Виноград разделяет их на четыре вида:

1. Простые окислы: AlaOs-окись алюминия (корунд, глинозем); Si02 - двуокись кремния (кварц, кремнезем); FeO - закись железа: ЕсгОз - окись железа; Ti02- двуокись титана; СггОз -окись хрома и др.

2. Сложные окислы (шпинели): FeO-MnO - закись железа и марганца; ЕеО-СггОз-хромиты; FeO- V2O5-ванадиты; FeO-Ti205-ильменит; ЕеО-АЬОз - герцинит; MgO-Al203 - магнезиальная шпинель; СаО- AI2O3- алюминат кальция.

3. Силикаты и алюмосиликаты (кристаллические): 2FeO-Si02 - силикат железа (файялит); 2MnO-Si02-силикат марганца (тефроит): mCaO-nSi02- марганца; ЗА120з-2502-алюмосиликат муллит; АЬОз- Si02- алюмосиликат силлиманит.

4. Стекла. Не имеют кристаллического строения. Обычно в их составе содержится кремнезем. Наиболее часто встречаются кварцевое стекло, силикатные стекла с примесью окислов алюминия, марганца, хрома и др.

Различные типы кислородных неметаллических включений приведены на рис. 6.

Сульфидные включения образуются при затвердевании стали вследствие того, что растворимость серы в жидкой фазе значительно выше, чем в твердом растворе.

В сталях в основном образуются сульфиды железа и марганца - FeS и MnS. Сульфид железа FeS имеет температуру плавления 1188°С, однако в стали он образует легкоплавкую эвтектику (988 °С). Сульфид марганца MnS имеет температуру плавления 1620°С, т.е. выше температуры плавления стали.

Из-за того, что сера имеет большее сродство к марганцу, чем к железу, в сталях при наличии определенного содержания марганца предпочтительнее образуется сульфид марганца или комплексный сульфид (Мп, Fe)S, имеющий состав: 60-62 % Мп; 34-35 % S и 2-31% Fe.

Легирующие элементы также могут образовывать сульфиды в стали. Никель и кобальт образуют легкоплавкие нестойкие сульфиды, а сульфиды хрома, циркония, титана, ниобия, ванадия более тугоплавки.

Кристаллизация сульфидов в стали зачастую происходит на подложках окислов, при этом комплексные включения называются оксисульфцдами (например, FeO-MnS; FeO-5102-MnS). Некоторые сульфидные включения в горячекатаной стали показаны на рис. 6,д, е.

Рис 6, Кислородные (а-г) и сульфидные (д. е) неметаллические включения в деформированной стали:

з-глииозем, X100; б - силикаты пластичные, X100; в - силикаты хрупкие, Х500; г -сложные окислы, Х500; 5 - сульфиды, хЮО; е - оксисульфиды, xSOO

Нитриды можно отнести к неметаллическим включениям лишь условно, да и то в ограниченных случаях. Будем относить их к ним только в том случае, когда они являются продуктом соединения остаточного азота в стали (менее 0,008%) с нитридообразующими элементами (прежде всего с титаном и алюминием), попавшими в сталь случайной небольших количествах (до 0,02-0,03%) либо введенных; в сталь с раскислителями. Нитриды нельзя считать неметаллическими включениями в тех случаях, когда нитридо- образующие элементы (Ti, Zr, V, Nb, Al и др.) вводят в сталь как легирующие добавки, либо совместно с ними вводится в сталь повышенное, в сравнении с остаточным, содержание азота (более 0,01%), а образующиеся при этом нитриды и карбонитриды придают стали специальные свойства. Такие нитриды следует рассматривать как промежуточные соединения, являющиеся фазовыми составляющими стали, взаимодействующими с твердым раствором (а- и у-железа) при термической обработке.

Состав включений, нх фазовый состав определяют деформируемость включений прн горячей пластической деформации стали (рис. 7). Величина V характеризует степень деформации включений и представляет определенную долю от степени деформации слитка. Прн v=l включения деформируются в той же степени, как и сталь.

800 WOO ISOO С

Температура гарячейпро/гатшС

Проволока

Длина U.S.,мм

Рис. 7. Деформируемость (а) и изменение размеров (б) неметаллических включений (и.в.) при горячей пластической деформации (М. А. Штремель)

Из приведенных данных видно (рис. 7, а), что наиболее легко деформируются сульфиды MnS. Силикаты марганца начинают деформироваться прн более низкой температуре, чем силикаты железа и кальция. При температурах горячей прокатки (1000-1300 °С) эти силикатные включения пластичны и имеют степень деформации v=l в отличие от двуокиси кремния, включения которой практически не деформируются при этих температурах. Не деформируются при горячей прокатке также включения на основе окиси алюминия - AljOa- Однако такие недефор-мируемые включения при прокатке могут дробиться и. вытягиваются в строчки. Пластичные же включения при горячей прокатке удлиняются

6) и толщина их заметно уменьшается, по сравнению с литым яллом На рис 7, б приведена диаграмма, характеризующая измеие-!fp толшины и длины пластичных неметаллических включений (и.в) при г.пяцей поокатке слнтка на лист и проволоку. Стрелки на диаграмме vKfl4biBaroT примерное изменение размеров неметаллических включений от слитка до соответствующего проката.

Механизм воздействия неметаллических включении на свойства стали обоснован и обобщен в работах М. А. Штремеля, которые кратко излагаются ниже.

Различные виды разрушения обусловлены наличием включении разного размера. При хрупком разрушении неметаллические включения опасны лишь как первичный очаг, когда нх размер d>dKp= (я/2(/С1с/сгт), где Kic - критерий хрупкого разрушения, а, - предел текучести стали.

Проведенная оценка й показала, что даже для высокопрочных сталей Йкр=2 мм, т.е. хрупкое разрушение могут вызвать лишь крупные экзогенные включения. В отличие от хрупкого вязкое разрушение практически всегда контролируется включениями. На дне ямок, характеризующих вязкий излом стали, практически всегда имеются неметаллические включения (ими могут быть также карбиды, ннтрнды), )азмер которых не превышает ),05-0,5 мкм. Этн включения определяют работу распространения вязкого излома, тогда как более крупные включения (несколько мкм) обусловливают стадию зарождения вязкого излома. Неравномерность распределения неметаллических включений уменьшает энергоемкость вязкого разрушения, т. е- размер ямок увеличивается.

Неметаллические включения увеличивают анизотропию механических свойств деформированной стали, особенно показатели пластичности - относительное сужение и удлинение, Этн свойства в направлении поперек прокатки могут быть в 1,5-3,0 раза ниже, чем в направлении вдоль прокатки. На поперечных образцах неметаллические включения могут обусловливать появление так называемого шиферного (древовидного) излома. Особенно опасны неметаллические включения при испытании механических свойств по толщине листа - снижается не только пластичность стали, но и ее прочность. Необходимо отметить большую роль неметаллических включений в усталостной прочности стали. Неметаллические включения, выходящие на поверхность изделия или залегающие вблизи нее, могут стать очагом усталостной трещины. Поэтому решающее влияние неметаллические включения оказывают на контактную усталость, а именно выкрашивание трущихся поверхностей (шарикоподшипники, головкн рельсов, цементованные зубья шестерен др.). В то же время равноосные неметаллические включения, находящиеся в глубине изделия, не оказывают влияния на усталость стали,

Рис. 8. Ферритная полосчатость в горячекатаной стали, обусловленная строчками сульфидов, Х100