К 60-летию ННИИчермета им. И.П.Бардина
УДК 669.14.01 8.8:669.788
СНИЖЕНИЕ ФЛОКЕНОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ КОНСТРУКЦИОННОЙ СТАЛИ, МИКРОЛЕГИРОВАННОЙ ЦЕРИЕМ
© Б.Ф. Белов, А.И. Троцан, И.Л. Бродецкий, Ф.С. Крейденко, Институт проблем материаловедения НАН Украины
В.Д. Александров, С.А. Фролова, Донбасская государственная академия строительства и архитектуры В.П. Харчевников, ЦНИИчермет им. И.П. Бардина
П.С. Харлашин, Ю.В. Рассказова, Приазовский государственный технический университет
Редкоземельные металлы (РЗМ) образуют с водородом термодинамически прочные ме-таллоподобные гидриды [1], существующие при температурах жидкой стали. При ее обработке РЗМ последовательно вступают в химическое взаимодействие с примесными элементами (в первую очередь с кислородом), образуя оксидные фазы переменного состава в зависимости от окисленности металла [2]. Химические реакции с водородом протекают в последнюю очередь, лишь при достижении необходимого концентрационного пересыщения (РЗМ > 0,15-0,20%), которое на порядок выше, чем для реакций раскисления. При этом возникает опасность цериевой неоднородности, вызывающей развитие расслоя в осевой зоне слябов. Влияние гидридообразующих элементов на флокеночувствительность стали обусловлено совместной внутренней адсорбцией водорода и горофильных микролегирующих элементов в решетке твердого раствора. При этом подавляется диффузионная подвижность водорода и при определенной степени концентрационного пересыщения снижается вероятность образования флокенов [3].
Таким образом, для снижения флокеночувстви-тельности стали при внепечной обработке РЗМ-моди-фикаторами основной технологической задачей является определение оптимальной концентрации церия.
Промышленные сплавы РЗМ получают сплавлением ферроцерия с ферросилицием [4], при этом реализуются химические реакции (в скобках - содержание компонентов, масс. %, - железа, кремния и церия соответственно):
FeCe + FeSi6 -> Fe2Si6Ce (26,7/40,0/33,3), (1)
FeCe + 3FeSi6 -> Fe4Si18Ce (25,9/58,0/16,1). (2)
Сплавлением ферроцерия ФЦ-70 и ферросилиция ФС-70 в соотношении 1:1 по реакции (1) получают сплав Ф25С40РЭМ30, в соотношении 3:1 по реакции (2) - сплав Ф25С55РЗМ15. При этом необходимо учитывать, что общее содержание церия в РЗМ составляет не менее 50%.
Для исследования выбрали флокеночувствитель-ную мартеновскую сталь 40ХН (0,40% С; 0,34% Si;
0,66% Мп; 0,56% Сг; 0,5% М; 0,03% А1; 0,019% Б; 0,013% Р) промышленной выплавки. Концентрационную зависимость флокеночувствительности стали определяли по методике [5], свободный водород - эвди-ометрически. Лигатуру получали сплавлением карбонильного железа, восстановленного водородом, и металлического церия (99,9%).
В соответствии с полигональной диаграммой состояния железо-церий [6] был выбран оптимальный состав ферроцерия, отвечающий интерметаллиду РеСе с конгруэнтной точкой плавления при 1100 °С.
Опытные образцы в виде слитков, фракционно легированных церием при 1590-1600 °С, получали переплавом в печи Таммана в корундовых тиглях в атмосфере осушенного аргона. Слитки проковывали на прутки, из которых изготовляли цилиндрические образцы диамм. 20 и 7 мм длиной 60-70 мм (сравнительные образцы - из стали обычной выплавки).
Образцы насыщали водородом при 1100 °С в течение 5,0 ч и закаливали в воду. После вылеживания в течение 3-5 сут и отпуска при 650 °С цилиндры диам. 20 мм разрезали на три части и из них изготовляли торцевые шлифы, в которых после глубокого травления 10%-ным раствором азотной кислоты металлографически оценивали общую протяженность трещин {1-, мм).
[Се], %
Рис. 1. Зависимость флокеночувствительности стали 40ХН от содержания церия (Т - общая протяженность трещин)
■ .ЛЯЯИЖ
40
20
0
Рис. 2. Кинетические кривые выделения "свободного" водорода в стали 40ХН, микролегированной церием: 1 - 0,0% Се; 2-0,001% Се; 3 - 0,005% Се; 4 - 0,010% Се
Результаты исследований показали, что флокено-чувствительность стали 40ХН зависит от содержания церия (рис. 1) и имеет минимальное значение при 0,004-0,006% Се. Зависимость имеет экстремальный характер. При повышении концентрации церия до 0,010% флокеночувствительность стали повышается на полтора порядка по сравнению с экстремальной точкой.
Следует отметить, что для этой же марки стали ранее [1] была получена концентрация церия в экстремальной точке на порядок больше, что объясняется отсутствием в то время методик количественного определения содержания РЗМ в стали, которое рассчитывалось по массе шихты.
Исследовали процесс выделения "свободного" водорода в зависимости от концентрации церия (рис. 2). Эвдиометрический анализ проводили на образцах размерами 7x77 мм, насыщенных водородом при 1100 °С в течение 2,0 ч и закаленных в масло. Общее содержание водорода составляло 5,0 ррт, доля "свободного" водорода (5) изменялась от 55-60% в обычной стали до 6,0-10,0% для оптимально легированной, содержащей 0,005% Се (рис. 2, кривая 3). Установлено, что скорость выделения водорода максимальна для исходной стали и минимальна для микролегированной, а продолжительность десорбции водорода не превышает 200 ч.
Результаты металлографического контроля неме-
таллических включений в образцах до и после вылеживания в течение 500 ч не показали наличия гидридных фаз и цериевой неоднородности в исследованном интервале концентраций церия.
Таким образом, при оптимальном микролегировании РЗМ (0,004-0,006% Се) конструкционная сталь 40ХН становится флокеностойкой, исключается концентрационное пересыщение церием, а водород находится в химически связанном состоянии как в твердом растворе, так и в неметаллических включениях типа ок-сигидридных фаз.
Предложенный механизм распределения водорода одновременно в твердом матричном растворе и неметаллических включениях позволяет повысить механические свойства стали благодаря водородофазному наклепу [7] и дегидрогенизации жидкого металла при флотации и ассимиляции неметаллических включений покровными шлаками. Это является научной базой новых технологических разработок при решении проблемы водородной деградации железоуглеродистых материалов.
Библиографический список
1. Водород в процессах электрошлакового переплава сталей / И.А. Новохатский, В.Я. Кожухарь, О.Н. Романов, В.В. Брем. - Одесса: Астропринт, 1997. - 212 с.
2. Николаев Е.И., Кряковский Ю.В., Тюрин Е.И. Химическая неоднородность и неметаллические включения в слитках стали с редкоземельными металлами / Черная металлургия: Изв. вузов. 1965. № 7. С. 37-42.
3. Белов Б.Ф., Кожухарь В.Я., Новохатский И.А. К механизму влияния добавок гидридообразующих элементов на флокеночувствительность конструкционных сталей. /ОПИ. Одесса, 1982. 18 с. Деп. В УкрНИИНТИ 30.08.82, № 3783 Ук-Д 82.
4. Рысс М.А. Производство ферросплавов. - М.: Металлургия, 1985. - 344 с.
5. Левченко В.П., Гольцов В.А. Лабораторная методика определения относительной флокеночувствительности стали / Физические свойства сплавов. 1968. Вып. 167. С. 31-34.
6. Структурно-химическое состояние жидких и твердых сплавов железо-церий и оптимизация их составов для микро-легированния специальных сталей / Б.Ф. Белов, А.И. Тро-цан, П.С. Харлашин, Ю.В. Рассказова, И.Л. Бродецкий, Ф.С. Крейденко / Благородные и редкие металлы: Тр. IV Межд. конф. "БРМ-2003" (Донецк, 22-26 сентября 2003 г.). -Донецк, Изд-во ДонГТУ, 2003. С. 459-461.
7. Гольцов В.А. Явление управляемого водородофазово-го наклепа металлов и сплавов / Свойства конструкционных материалов при воздействии рабочих сред. - Киев: Наук, думка, 1980. С. 151-165.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.