Термическая обработка

2. Термическая обработка.

Известно, что природно мелкозернистые стали более хладностойки, чем крупнозернистые. Мелкое зерно аустенита, получаемое после присадки алюминия, существенно повышает показательной ударной вязкости при низких температурах. Поэтому опасным является перегрев стали, вызывающий рост аустенитных зерен. На хладноломкость влияет и размер ферритного зерна. Между величиной размера зерна феррита и критической температурой хрупкости для низкоуглеродистых сталей установлена однозначная прямолинейная зависимость.

Также известно благоприятное влияние на хладностойкость мелкодисперсных сфероидальных карбидов и отрицательное влияние пластичных карбидов в перлите, по мере роста размеров которых повышается критическая температура хрупкости.

Правильно выбранный режим термической обработки позволяет получить оптимальную структуру стали, обеспечивающую наивыгоднейшее сочетание механических показателей и в том числе наивысшую хладностойкость.

Улучшение является наилучшим видом термической обработки с точки зрения получения комплекса свойств и наиболее низкой критической температуры хладностойкости. Влияет и температура отпуска. С повышением температуры отпуска улучшаются пластические стали и хладностойкость.

Нормализация – наиболее часто применяемый вид термической обработки для хладностойких сталей. Высокий отпуск после нормализации значительно снижает склонность стали к хрупкости, т. е. существенно повышает хладностойкость.

Отжиг – наиболее неподходящая для хладностойких сталей термическая обработка. Отрицательное влияние отжига проявляется в образовании грубой блочной дифференцирования структуры вследствие медленного охлаждения. Режимы отжига обуславливают самые низкие показатели хладностойкости.

Для деталей, работающих при низких температурах, применяют высокий отпуск, обеспечивающий наиболее низкие критические температуры хладноломкости. На практике в условиях производства для крупных или сложных форм отливок процессы закалки е всегда технологичны и целесообразны. Для большинства отливок рекомендуются процессы нормализации, обеспечивающие удовлетворительные дисперсность структуры и уровень свойств. А последующий отпуск существенно улучшает хладностойкость. На производстве часто применяют отжиг, а исследования показали, что значениям ГОСТа по ударной вязкости при -40, соответствует только режим улучшения (на примере стали 35Л), поэтому важно менять технологии производства сталей для отливок.

Термическая обработка является важнейшим процессом при получении качественной стали.

3. Раскисление.

Кислород в стали.

 

При окислительных процессах металлическая ванная обогащается кислородом, при восстановительных – обедняется. При этом из растворимых в стали активных форм кислород переходит в пассивные нерастворимые формы, образуя комплексы эндогенных оксидных включений. Часть включений удается удалять из ванной, но некоторые остаются в виде шлаковой фазы. Применение алюминия позволяет эффективно снижать содержание кислорода в начале восстановительного периода электроплавки.

Опыт показывает, что образующиеся в этот период оксидные включения практически полностью всплывают в шлак.

Современная технология электроплавки стали в дуговых электропечах предусматривает метод комбинированного раскисления – осадочного и диффузного. В мартеновских печах и конвертерах применяют только осадочное раскисление.

Степень понижения концентрации кислорода в стали при раскислении способности элемента-раскислителя. При сравнении эффективности раскислителей следует считать, что большей раскислительной способностью, обладает тот раскислитель, которому при данной температуре и одинаковой концентрации в расплаве соответствует более низкая концентрация кислорода. Наиболее распространенные раскислители – марганец, кремний, алюминий.

Влияние кислорода на хладноломкость промышленных сталей сложно. В зависимости от применяемых раскислителей изменяются типы включений и гранулярность структуры, и поэтому свойства стали могут быть различными при одинаковом содержании кислорода.

Влияние алюминия.

 

В современной металлургии стали конечное раскисление осуществляют присадками алюминия. Обычно количество присаживаемого алюминия рассчитывают так, чтобы в жидкой стали присутствовал остаточный алюминий. Это обеспечивает получение стали с мелким зерном аустенита.

 Модифицирующий эффект алюминия в значительной степени объяснятся образованием мельчайших включений нитридов алюминия, располагающихся по границам зерен аустенита и препятствующих их росту.

Изменяя природу включений, алюминий существенно влияет на хладноломкость и другие свойства стали. Наивысшая хладностойкость и наилучший комплекс свойств были получены при содержании от 0,03 – 0,06% Al. При этом сочетались максимальная плотность, наивысшая пластичность и вязкость, минимальная газонасыщенность. Установлено, что свойства стали не зависят от метода присадки, а определяются лишь фактическим содержанием алюминия в стали.

Влияние других раскислителей.

 

Титан – более слабый раскислитель чем алюминий. Промышленный ферротитан содержит до 7% Al, вследствие чего основным видом оксидных включений в титаносодержащих сталях остается корунд и алюминиевая шпинель. Присадки титана в следствие образования эвтектических сульфидов приводит к существенному снижению хладностойкости феррито-перлитных сталей. Однако применение титана как модификатора при низком содержании серы в стали оказывается рациональным. Присадки титана в перлитные стали повышают трещиноустойчивость; в аустенитных сталях нитриды титана существенно измельчают структуру слитков и отливок. В этом случае титан способен повышать хладностойкость стали. Подобное влияние оказывают и присадки циркония.

Редкоземельные металлы оказывают положительное влияние на природу неметаллических включений, способствуя глобуляризации сложных комплексных образований. Присадки этих метало улучшают пластичность и вязкость стали и снижают критическую температуру хладноломкости.

Кальций и редкоземельные металлы получают все большее распространение при производстве хладостойких сталей.

Неметаллические включения.

 

Неметаллические включения являются основной плавочной характеристикой стали, в значительной степени определяющей ее свойства и, в частности, хладностойкости. Степень загрязненности включениями, их природа и характер распределения оказывают однозначное влияние на процессы охрупчивания стали при низких температурах. Включения, являясь концентраторами напряжений, способствуют зарождению трещин и предопределяют температуры перехода сталей из вязкого в хрупкое состояние. Повышение общей частоты стали и получении благоприятной формы включений существенно снижают критические температуры хладноломкости стали.

Требования к частоте стали непрерывно возрастают. Особенно велико влияние сталей на хладноломкость стали.

 

Хладностойкие стали.

 

В сортаменте стального литья первое место занимают углеродистые стали, преимущественно среднеуглеродистых марок 25-45Л, однако эти сорта сталей мало подходят для работы при низких температурах.

Постепенный перевод сортамента хладностойких отливок с углеродистых на легированные стали является важной проблемой машиностроения. Особенно перспективным является создание новых экономно-легированных хладностойких сталей. Однако, как уже было показано улучшение свойств может достигаться за счет повышения частоты стали и улучшения формы включений.

Углеродистые стали могут быть улучшены путем неметаллических включений, а также в результате конечного раскисления. Эффект глобуляризации включений существенно улучшает комплекс свойств и хладностойкость, приближая свойства углеродистой стали к свойствам легированной.

В легированных сталях сочетание высоких показателей прочности и сопротивляемости охрупчиванию наиболее благоприятны. Применение легированных сталей позволяет существенно улучшить хладностойкость деталей машин при одновременном снижении их веса. При этом дополнительные затраты на ферросплавы обычно незначительны, что увеличивает экономическую эффективность легирования,

Особенно перспективны экономно-легированные Хладностойкие стали повышенной прочности, не содержащих дорогостоящих и дефицитных никеля, молибдена и вольфрама. К таким маркам следует прежде всего отнести марганцевые, кремнемарганцевые, хромокремнемарганцевые литейные стали (типа 20ГЛ, 20ГСЛ, 20ХГСЛ и др.). Влияние легирования и модифицирования в полной мере проявилось при испытании хладноломкости – с повышением степени легирования критическая температура хладноломкости прогрессивно снижалась. Раскисленные только алюминием стали типа 15Л и 15ГЛ охрупчивались при температурах соответственно -40 и -60 град. С; при дополнительном раскислении силикокальцием эти стали при указанных температурах имели удовлетворительную вязкость. Сталь типа 15Л и при втором варианте раскисления охрупчивались при -80 град. С. В стали типа 15ХГСЛ наблюдалось хорошее сочетание прочности и хладностойкости. Дополнительное легирование молибденом может быть целесообразным только при производстве крупных отливок.

На ряде заводов, производящих отливки для работы при низких температурах применяют сталь 35ГЛ. По сравнению со сталью 35Л эта сталь отличается лучшим сочетанием прочности, пластичности и вязкости (предел текучести выше на 20-30%, критическая температура хладноломкости ниже на 15-20 град.). Комплексное раскисление еще в большей степени улучшает показатели хладноломкости.

Из всех элементов химического состава после серы и фосфора углерод оказывает наиболее сильное влияние на хладноломкость. Каждая 0,01% С повышает критическую температуру хладноломкости 1-1,5 град. Включение цементита, препятствующее пластическому течению металла при низких температурах, являются концентраторами напряжений и местами зарождения трещин. Поэтому для повышения хладноломкости большой интерес представляют низкоуглеродистые стали.

Среди многочисленных сталей, применяемых для производства фасонного литья, особое место занимает высокомарганцевая аустенитная, являющаяся самой распространенной высоколегированной сталью для отливок. Сочетание высокой вязкости и способности к наклепу с хорошей износостойкостью обеспечивает широкое применение оливок из этой стали в машиностроении, горной, металлургической, химической и строительной промышленности. Сортамент изделий из этой стали исключительно многообразен; из нее изготавливают конусы и щеки дробилок, детали ковшей экскаваторов и землечерпалок, гусеничные тракторы, железнодорожные рельсы, стрелки, крестовины и др. детали. В зимнее время, особенно в северных и восточных районах, когда температура понижается до -14 град. С, наблюдаются массовые поломки оборудования – отливки высокомарганцевой стали охрупчиваются и разрушаются. Поэтому изучение природы и механизма охрупчивания имеет большое практическое значение.

Для эффективного модифицирования высокомарганцевой стали были применены титан и цирконий. По технологическим и экономическим соображениям, более целесообразно применение титана. Измельчение структуры положительно влияет на хладностойкость отливок, износостойкость отливок из модифицированного титаном стали возрастает в 1,5 раза.

В настоящее время высокомарганцевую сталь, модифицированную титаном, широко применяют для износостойких отливок металлургического и горнообогатительного оборудования.

Заключение.

 

Учитывая географические особенности территории нашей страны, сооружения и конструкции, возводимые в районах восточнее изотермы –30 град. С (>85% территории), следует изготавливать из хладностойких строительных сталей. Однако до настоящего времени применялись хладноломкие углеродистые стали, при этом увеличивали запас прочности за счет металлоемкости, что приводит к перерасходу металла и не всегда достигает цели.  

В связи с развитием на Крайнем Севере и Востоке газовой и нефтяной промышленности и строительством магистральных трубопроводов большого диаметра особенно увеличилась потребность в хладностойких листовых сталях.

В еще большей степени необходимы хладностойкие сортовые конструкционные стали для машин строительной, дорожной и горнодобывающей техники, работающей при низких температурах. В соответствии с этим производство хладностойких сталей постоянно растет.

Список литературы.

 

Шульте Ю. А. Хладностойкие стали – М.: Металлургия, 1970.

Ассонов А. Д. Технология термообработки деталей машин. – М.: Машиностроение 1969.