научная статья по теме КРИТИЧЕСКАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ АЗОТА В ВЫСОКОАЗОТИСТЫХ СТАЛЯХ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩАЯ ПОЛУЧЕНИЕ ПЛОТНОГО СЛИТКА Металлургия

Текст научной статьи на тему «КРИТИЧЕСКАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ АЗОТА В ВЫСОКОАЗОТИСТЫХ СТАЛЯХ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩАЯ ПОЛУЧЕНИЕ ПЛОТНОГО СЛИТКА»

УДК 669.15'786-194

КРИТИЧЕСКАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ АЗОТА В ВЫСОКОАЗОТИСТЫХ СТАЛЯХ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩАЯ ПОЛУЧЕНИЕ ПЛОТНОГО СЛИТКА

© Свяжин Анатолий Григорьевич1, д-р техн. наук, e-mail: svyazhin@misis.ru; Баженов Вячеслав Евгеньевич1, канд. техн. наук, e-mail: V.E.Bagenov@gmail.com; Капуткина Людмила Михайловна1, д-р физ.-мат. наук, e-mail: kaputkina@mail.ru; Сивка Ежи2, д-р техн. наук, e-mail: siwka@wip.pcz.pl;

Киндоп Владимир Эдельбертович1, канд. техн. наук, e-mail: vk@misis.ru

1 Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС». Россия, Москва

2 Ченстоховский технический университет. Польша Статья поступила 16.06.2014 г.

Концентрацию азота в стали, при которой во время затвердевания концентрация азота в остаточной жидкости при каждой температуре не превышает свою растворимость в жидкости с таким составом под определенным давлением, целесообразно вычислить с использованием программы ТЬегшо-Са1с как критическую концентрацию. Рассчитанная величина критической концентрации должна быть затем уточнена на практике при определенных конкретных условиях затвердевания.

Ключевые слова: азотистые стали; затвердевание; газовые пузыри.

Азот является газообразным легирующим элементом. Растворимость азота в жидком металле, а- и у-фазах существенно различается. Поэтому одной из технологических проблем при легировании жидкой стали азотом являются выделение азота в газовую фазу при затвердевании расплава, образование азотных пузырей и пористости в слитке. Для получения требуемых структуры и свойств содержание азота в стали необходимо увеличивать, а для того чтобы получить плотный слиток, необходимо его уменьшать. В связи с этим полностью реализовать возможности азота как легирующего элемента не удается. Несмотря на широкое применение легированных азотом сталей, задача предсказания критической концентрации азота в Сг-М-Мп-сталях, превышение которой приводит к образованию пузырей и пор, не решена. При затвердевании составы жидкой фазы и выделяющихся твердых фаз непрерывно изменяются в зависимости от температуры и количества оставшейся жидкой фазы. При этом изменяется и локальная растворимость азота в жидкой фазе в зависимости от типа кристаллизации (аустенитная, ферритная или смешанная) и от соотношения количества фаз. Поэтому для каждого состава стали существует своя критическая концентрация азота.

В работах [1-3] изучено образование пузырей при затвердевании чистого железа, сталей Сг18М10 и С0,13Сг13 с различным содержанием поверхностно-активных элементов (ПАЭ), кисло-

рода и серы. Было установлено, что образование пузырей азота при затвердевании стали зависит от степени пересыщения азотом, от содержания в стали ПАЭ, от общего давления газа в системе при затвердевании и от скорости охлаждения расплава. Однако наиболее сильное влияние наряду с величиной пересыщения на образование азотных пузырей оказывает содержание ПАЭ в металле. Следовательно, количество пузырей в слитке определяется не скоростью образования зародышей газовой фазы, а скоростью выделения азота в образовавшийся зародыш, т.е. скоростью роста пузырей, которая сильно зависит от содержания ПАЭ и температуры. При малой скорости выделения азота зародыши либо исчезают, либо переходят в твердый металл и при последующей термодеформационной обработке металла завариваются. Сильное влияние ПАЭ показывает, что в данном случае рост пузырей азота лимитируется скоростью химической поверхностной реакции десорбции, а не массопереносом. Было также установлено, что в то время как при легировании из газовой фазы или путем присадки азотированных лигатур содержание азота в жидкой стали определяется парциальным давлением азота, то ^ при затвердевании стали рост пузыря определя- ™ ется не парциальным давлением азота, а общим ^ давлением газа в системе. ^

Прогнозирование критической концентра- ^

>

ции азота. Критическая концентрация азота Ц определяет и состав, и технологию выплавки ста- |

ли, поэтому величина ее должна быть определена с достаточной точностью.

Термодинамическое равновесие пузырька газа с окружающей жидкостью выражается уравнением

Р = Pg + Pgh + 2а/ r, (1)

где p, p, pgh, 2а/r - давление газа в пузырьке, давление газовой фазы над поверхностью жидкости, гидростатическое и капиллярное давление соответственно.

Это же уравнение обычно применяется для количественного определения критической концентрации азота Nk или критического давления азота pk при образовании пор [4, 5]. Однако для количественной оценки вероятности или условий образования пор уравнение (1) непригодно по следующим причинам. Во-первых, образование зародышей газовой фазы с границей раздела газ - жидкий металл - это задача кинетическая, из ее решения можно было бы получить оценку размеров зародышей, но в настоящее время решение этой задачи для жидких металлов невозможно, так как теория недостаточно разработана, а необходимые опытные данные отсутствуют. Во-вторых, поверхностное натяжение такого малого объекта может существенно отличаться от известных значений, полученных для макрообъектов с поверхностью большой кривизны, поэтому и выражение для капиллярного давления также может быть другим. Величину 2а/г можно трактовать как некий эмпирический параметр и определить его, используя измеренные значения Nk, pk, pg и pgh по уравнению (1). Анализ и обобщение значений 2а/r для различных сталей и различных условий затвердевания позволит получить информацию о порядке величин а и r и послужит базой для численных методов прогнозирования Nk и pk.

Определению критической концентрации азота Nk или критического давления азота pk при образовании пузырька посвящен ряд исследований [4-7]. Например, в работе [4] с использованием программы Thermo-Cale рассчитаны средний состав жидкой фазы при затвердевании нержавеющей стали и равновесное с ней давление азота. При этом pk определено из уравнения (1), но не указано, каким образом определены параметры зародыша газовой фазы а и r в уравнении (1). В работе [6] выполнено численное моделирование локального состава остаточной жидкости в процессе затвердевания с использованием теории фильтрации в пористой среде; pk оценено также с использо-

ванием уравнения (1). В работе [7] численным моделированием также с использованием теории фильтрации в пористой среде определены состав жидкой фазы между дендритами и давление азота в зарождающемся пузырьке (по теории гомогенного зарождения) с использованием уравнения (1). При этом г принимали равным величине дендритного параметра 42. Недостатком этих работ является расчет состава жидкой фазы при затвердевании стали с рядом допущений, из-за чего точность получаемых результатов невелика. Кроме того, уже отмечалось, что уравнение (1) для априорных количественных оценок непригодно. Для определения Ык нужна более определенная теоретическая основа. Наиболее точные результаты могут быть получены на основе термодинамики, так как для большого числа сплавов накоплена достаточно полная база экспериментальных данных и разработаны вычислительные процедуры решения систем термодинамических уравнений. Однако такие расчеты не учитывают обогащение диффузионного пограничного слоя в жидком металле азотом и другими элементами перед фронтом кристаллизации, а лишь позволяют определить изменение среднего состава жидкой и твердой фаз в процессе равновесной кристаллизации. Этот недостаток можно учесть эмпирическим коэффициентом. Во всяком случае, такой сравнительно простой способ позволит получить достаточно точную предварительную оценку величины Ык, которую затем можно уточнить экспериментально при соответствующих условиях затвердевания.

Основанием для определения Ык должно быть выполнение в течение всего времени затвердевания следующего условия:

Мит < Мда (2)

где [М]£т - содержание азота в остаточной жидкости при температуре Т; [Ы]ь рш - равновесное с общим давлением в системе содержание азота в жидком металле при той же температуре Т.

В данной работе с помощью программы Ther-то-Са1с была рассмотрена равновесная и неравновесная кристаллизация нескольких легированных азотом сталей (см. таблицу). Использовали термодинамическую базу ТСБЕб. Содержание азота, при котором в этих сталях экспериментально обнаружены азотные пузыри, в табл. 1 выделено жирным шрифтом.

В соответствии с диаграммой Шеффлера (рис. 1) эти стали относятся к аустенитному классу, однако кристаллизация происходит с образо-

Составы экспериментальных сталей, принятые для расчета, мас. %

Номер п/п Сталь Бе С Сг Мп N1 Мо 81 N

1 Сг18Мп18 [9]* Осн. 0,12 18,0 18,0 - - - 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8

2 Мп9Сг16№3 [4] Осн. 0,02 16,0 9,00 3,00 - 0,5 0,15; 0,19; 0,20; 0,21

3 Мп18Сг16Мо2 [8]** Осн. 0,02 16,0 18,0 0,02 2,00 0,2 0,68; 0,74; 0,9

4 Мп0,4Сг16Мо1 [8] Осн. 0,30 16,0 0,40 0,25 1,00 0,80 0,12; 0,14; 0,15

5 Мп11Сг16№2,8 [4] Осн. 0,02 16,0 11,00 2,80 - 0,5 0,19; 0,24; 0,25; 0,26

* Сталь Х18Г18.

** Значения получены при давлении 2 атм.

Сг эквивалент

Рис. 1. Структурные классы исследуемых сталей (см. таблицу) в соответствии с диаграммой Шеффлера

Рис. 2. Политермическое сечение диаграммы Ре-0,12С-18Сг-18Мп^

ванием 5-фазы. Эквиваленты по хрому и никелю вычисляли по уравнениям

Сг = %Сг+%Мо+1,5%Б1+0,5%,№+

экв

+0,9%ЫЬ+4%Л1+4%Т1+1,5%У+0,9%Та, (3)

N. мае. %

Рис. 3. Изменение содержания азота в фазах при равновесной кристаллизации стали Сг18Мп18 при рк = 1 атм

№ = %№+30%С+18%Ы+0,5%Мп+

экв

+ 0,3%Со+0,2%Си-0,2%Л1. (4)

На рис. 2 представлено политермическое сечение диаграммы Бе-0,12С-18Сг-18Мп-Ы. Эта сталь на диаграмме Шеффлера находится в аусте-нитной области. При начальном содержании азота 0,4% равновесная кристаллизация стали проходит в последовательности Ь + б ^ Ь + б + у. Стали, содержащие 0,5-0,6% Ы, попадают в области, где одновременно с кристаллизацией идет процесс выделения азота (Ы2 + Ь + б и Ы2 + Ь + б + у). В стали, содержащей 0,7-0,8% Ы, еще до начала кристаллизации происходит выделение газа - область (Ы2 + Ь), т.е. в этой стали при 1600 °С можно растворить не более 0,5% азота, а получить содержание N > 0,7% при равновесном процессе невозможно. На рис. 3 представлено измен

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.

Показать целиком