Основные свойства конструкционных материалов

«Основные свойства конструкционных материалов»

Сталь – это сплав железа с углеродом и другими химическими элементами. В этом сплаве железо является основой (растворителем), а другие элементы – примесями, растворенными в железе. Примеси могут оказывать на свойства стали как положительное, так и отрицательное влияние, поэтому их делят на полезные и вредные. Полезные примеси в основном влияют на свойства кристаллов (зерен), а вредные примеси ухудшают межкристаллические (межзеренные) связи. В сталях большинства марок главной полезной примесью является углерод. Такие стали называют углеродистыми. Содержание углерода в углеродистых сталях чаще всего составляет  0,05 – 0,50 %, но может достигать ≥ 1 % (теоретически до 2,14 %). В углеродистых сталях в качестве полезной примеси также могут содержаться марганец (0,3 – 0,6 %) и кремний (0,15 – 0,3 %). Содержание вредных примесей, которыми обычно являются сера, фосфор, кислород и азот, ограничивают сотыми и тысячными долями процента.

Рис.1  Химический состав углеродистой ( нелигированной ) стали

В отличие  от углеродистой( нелигированной ), легированная сталь обладает более высокими механическими свойствами (после термической обработки ).

Легирование стали – процесс введения в  ее состав химических элементов (Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Ti и др.) с целью придания ей определенных химических и механических свойств.

По  применяемому основному сырью или  технологической схеме сталеплавильное  производство имеет два основных этапа развития:

1.) прямое получение стали из железных руд так называемым сыродутным процессом, т.е. одноступенчатое производство по схеме железная руда – сталь;

2.) получение стали путем рафинирования чугуна, т.е. двухступенчатое производство по схеме железная руда – чугун – сталь.

Рис.2 Структура сталеплавильного производства (принципиальная схема)

Для целого ряда изделий авиационной, космической  техники, конструкций, работающих на крайнем  Севере, требуется сталь, содержащая ничтожно малое количество газов, серы, неметаллических включений, микропор и других дефектов. В некоторых  случаях удовлетворять этим требованиям  при традиционной технологии невозможно. Поэтому во всех промышленно развитых странах всё большее развитие получают специальные способы изготовления металла ответственного назначения. Условно их можно разбить на две  группы: внепечная обработка стали  и переплавные процессы

Качество  металла повышается в результате обработки стали, выпущенной из печи или конвертора, в ковше или  во вспомогательном агрегате. К этим способам относятся: обработка металла  синтетическим шлаком и в вакууме; продувка металла инертным газом; введение в металл шлакообразующих, десульфирующих или раскисляющих смесей.

Перемешивание жидкого металла со специально приготовленным синтетическим шлаком позволяет  интенсифицировать переход в  шлак серы, фосфора и неметаллических  включений, которые удаляются в  шлаковую фазу. Этот способ рафинирования  используют, прежде всего, для удаления серы, поэтому основой синтетического шлака является СаО. Поскольку в таком шлаке практически нет оксидов железа, он является одновременно хорошим раскислителем.

Синтетическим (от английского synthetic – искусственный) называют предназначенный для обработки стали в ковше шлак, который получают вне сталеплавильного агрегата.

Синтетические шлаки выплавляют в электропечах, циклонных плавиль-ных установках и других агрегатах. Жидкий шлак в необходимом количестве сливают в сталеразливочный ковш, который подают под выпуск. В процессе выпуска струя падающего в ковш металла эмульгирует шлак и металл с последующим разделением фаз . В результате эмульгирования резко увеличивается площадь поверхности раздела шлак-металл и скорость протекающих реакций. Результаты обработки определяются высотой падения струи металла, массой металла и шлака, физическими характеристиками и составом шлака и др. Обычно при расходах синтетического шлака 30 – 50 кг/т такая обработка позволяет в ходе выпуска плавки получать степень десульфурации стали равную 30 – 70%. Наиболее эффективная десульфурация металла наблюдается при выпуске плавки из крупнотоннажных агрегатов.

Первоначально для внепечной десульфурации стали были разработаны известково-глиноземистые шлаки состава, % масс.: 50 – 55 CaO, 37 – 43 Al2O3, < 7 SiO2, < 7 MgO, < 0,5 FeO. Для выплавки синтетических шлаков такого состава требовались дефицитные материалы с низким содержанием кремнезема.

Впоследствии  была показана возможность эффективной  десульфурации стали известково-шамотными шлаками состава, % масс.: 48 – 56 CaO, 6 – 10 MgO, 18 – 22 SiO2, 12 – 16 Al2O3, 0,5 CaF2, < 0,5 FeO.

Широкое использование синтетических шлаков сдерживалось отсутствием возможности  размещения в существующих сталеплавильных  цехах обору-дования для их выплавки. В связи с этим была разработана технология десульфурации стали в ковше самоплавкими шлаковыми смесями состава, % масс.: 12 – 14 алюминиевый порошок или алюминиевая стружка; 21 – 24 натриевая селитра; 20 флюоритовый концентрат; известь – остальное. Необходимое количество самоплавкой шлаковой смеси загружали в чугуновозный ковш и поджигали. Полученный таким способом жидкий шлак переливали из чугуновозного ковша в сталеразливочный и подавали под выпуск.

Использование самоплавких шлаковых смесей существенно  упростило технологию получения  синтетических шлаков. Однако, после нескольких крупных пожаров в отделениях подготовки смесей металлургические предприятия СССР от их использования отказались.

В настоящее  время для внепечной десульфурации стали успешно используют твердые шлакообразующие смеси из 10 – 30% плавикового шпата и извести. По ходу выпуска плавки смесь вместе с раскислителями и легирующими загружают в ковш, при этом плавление смеси обычно завершается в течение 1 – 2 минут.

Особенность этой технологии заключается в том, что однородный шлак получается при  наполнении второй половины ковша, когда  мощность перемешивания стали и  шлака падающей в ковш струей металла значительно уменьшается. В связи с этим десульфурирующая способность шлака используется не полностью. Поэтому после выпуска плавки целесообразно проводить дополнительное перемешивание шлака и металла продувкой в ковше аргоном.

Для повышения эффективности десульфурации стали на выпуске из сталеплавильного агрегата применяются предварительно переплавленные легкоплавкие шлаковые смеси. Примером может служить рафинирующая смесь ИРС-2 производства ОАО «НПП «Техмет» (г. Донецк) состава, % масс.: < 3 C, 53 – 60 CaOобщ, < 6 MgO, < 16 SiO2, 4 – 8 F, 4 – 6 (Na2O + K2O), 10 – 18 Al2O3, < 0,5 S, < 1,5 P2O5, < 2 MnO, < 3 FeO. Основность смеси, рассчитанная как отношение концентраций CaO и SiO2, обычно составляет не менее 3,5. Температура плавления смеси не превышает 1320 – 1350^оС.

Широко  используемые промышленностью способы  вакуумной дегазации стали можно  разделить на три основные группы:

1.   вакуумирование в ковше (в вакуумной камере, в вакуумном ковше);

2. вакуумирование порций металла (порционное и циркуляционное вакуумирование);

3.   вакуумирование при технологических переливах (при переливе из ковша в ковш, при      разливке в изложницы, на выпуске из сталеплавильного агрегата, при переливе из сталеразливочного ковша в промежуточный ковш МНЛЗ и др.).

Рис.3 Схема процесса вакуумной обработки стали в ковше: 1 – вакуумная камера; 2 – вакуум-провод к вакуумным насосам; 3 – крышка вакуумной камеры; 4 – бункер для ввода раскислителей и легирующих; 5 – устройство для отбора проб металла и замера температуры; 6 – гляделка; 7 – защитный экран; 8 – сталеразливочный ковш; 9 – подача аргона

На  рисунке 4 приведена схема процесса порционного вакуумирования стали (DH процесс – от названия фирмы «Dortmund-Horder Huttennunion», ФРГ).

Рис.4  Схема процесса порционного вакуумирования стали: а – камера в нижнем положении; б – камера в верхнем положении; 1 – ковш; 2 – вакуумная камера; 3 – бункер для ввода раскислителей и легирующих; 4 – графитовый электрод для нагрева футеровки камеры.

Схема процесса циркуляционного вакуумирования стали (RH процесс – от названий фирм «Ruhrstahl AG» и «Heraeus», ФРГ) показана на рисунке 5

Рис.5  Схема процесса циркуляционного вакуумирования стали: 1 – тележка; 2 – подача транспортирующего газа; 3 – трансформатор; 4 – вакуумпровод к вакуумным насосам; 5 – бункер для раскислителей и легирующих

Схема процесса вакуумной обработки стали  при технологических переливах  приведена на рисунке 6.

Рис.6 Схема процесса вакуумирования стали при переливе: а – из ковша в ковш; б – при отливке слитков; 1 – первый сталеразливочный ковш; 2 – защитный экран; 3 – крышка вакуумной камеры; 4 – вакуумпровод к вакуумным насосам; 5 – второй сталеразливочный ковш; 6 – бункер для раскислителей и легирующих; 7 – вакуумная камера; 8 – изложница; 9 - гляделка

Технология  вакуумной дегазации стали должна учитывать возможное влияние  на результаты обработки поверхностно-активных примесей металла (ПАВ). Высокой поверхностной  активностью в расплавах железа обладают кислород, сера и ряд других примесей. В качестве примера на рисунке 7 показаны результаты оценки доли адсорбционных мест, которые занимают на межфазной поверхности атомы серы, кислорода и селена при различной концентрации их в расплаве.

Рис.7  Зависимость доли адсорбционных мест, занятых ПАВ на поверхности раздела фаз, от концентрации примесей в металле.

Установлено, что присутствие в расплаве ПАВ  не оказывает сильного влияния на скорость удаления из металла водорода. В этих условиях повышение скорости дегазации может быть достигнуто, в первую очередь, путем увеличения площади поверхности границы  раздела металл-газ. По этой причине, когда главной задачей обработки  является удаление из металла водорода, целесообразно вакуумировать слабо раскисленный металл. При этом в результате протекания реакции вакуумно-углеродного раскисления в стали образуется большое количество пузырей оксида углерода и поверхность раздела фаз резко увеличивается. Примером могут служить показанные на рисунке 8 результаты обработки стали различной степени окисленности в камере порционного вакуумирования. Из рисунка видно, что эффективность удаления водорода увеличивается, когда направляемая на вакуумирование сталь не обрабатывается сильными раскислителями и характеризуется более высоким содержанием растворенного в металле кислорода.

В промышленных условиях при вакуумировании слабо раскисленного металла удаление водорода протекает достаточно эффективно. Степень дегазации стали при этом обычно составляет 50 – 80%.

При обработке расплавов промышленной чистоты эффективность удаления азота значительно меньше, чем  водорода. Степень дегазации стали  обычно не превышает 15 – 30%. При этом анализ влияния состава металла  на результаты обработки дает основания  предполагать, что уменьшение эффективности  дегазации связано с наличием в расплаве ПАВ.

Рис.8  Зависимость эффективности удаления водорода при порционном вакуумировании от химического состава стали, %: 1 – 0,1 C, 0,2 – Si, 0,5 Mn; 2 – 0,7 C, 0,25 Si, 1,0 Mn; 3 – 0,25 C, 1,3 Si, 0,5 Mn; 4 – 0,7 C, 0,25 Si, 1,0 Mn, 0,01 – 0,02 Al

Подтверждением  этому могут служить результаты исследования дегазации стали, выплавленной в 220-т кислородном конвертере. В  ходе исследования содержание серы в  металле перед выпуском плавки составляло в среднем 0,019%. Во время выпуска  сталь обрабатывали в ковше кремнием, алюминием и твердой шлакообразующей  смесью. В результате этого содержание серы в стали понижалось до 0,013%. После  выпуска ковш транспортировали к  вакуумной камере, где проводили  вакуумирование с одновременной продувкой расплава аргоном. Во время вакуумной обработки имела место дополнительная десульфурация металла ковшевым шлаком. Результаты проведенного исследования показаны на рисунке 9 в виде зависимости между концентрациями азота и серы в стали по окончанию обработки.

Рис.9  Влияние остаточного содержания серы в стали на эффективность удаления азота при вакуумировании: 1 – до вакуумирования; 2 – после обработки

Из  приведенных данных видно, что эффективность  дегазации стали существенно  увеличивалась, когда остаточное содержание серы в металле было получено менее 0,004%. В одном из опытов исходное содержание азота в стали было повышено до 0,01% присадкой азотированных ферросплавов. Однако, в условиях глубокой десульфурации металла это не вызвало увеличения концентрации азота в стали после вакуумирования.

Таким образом, если главной задачей вакуумирования является удаление из металла азота, следует стремиться к получению в расплаве минимального содержания ПАВ. С этой целью сталь перед вакуумированием должна быть глубоко раскислена. Желательно также наличие в металле минимально возможного количества серы. Для обеспечения большой площади поверхности раздела взаимодействующих фаз вакуумную обработку целесообразно совмещать с продувкой стали инертным газом.

Вакуумно-дуговой  переплав ( ВДП) применяют в целях удаления из металла газов и неметаллических включений. В зависимости от требований, предъявляемых к получаемому металлу, расходуемый электрод изготовляют механической обработкой слитка, выплавленного в электропечах или установках ЭШП.

Вакуумно-дуговой  переплав относится к новым способам получения высококачественных сталей / Отличительной чертой вакуумно-дуговых  печей ( ВДП) является отсутствие источников загрязнения металла ( атмосферы, шлака и футеровки), хорошие условия удаления неме-т aллиqecкиx включений газов и примесей цветных металлов, а также направленная кристаллизация, обеспечивающая получение плотного слитка.

Вакуумно-дуговой  переплав хорошо очищает металл от газов и неметаллических включений. Повышение свойств металла достигается  благодаря вакуумной обработке металла и вследствие направленной снизу вверх последовательной кристаллизации.

  Вакуумно-дуговой переплав осуществляется  под вакуумом, поэтому нельзя  забывать о возможных потерях  элементов с высокой упругостью  пара. Но опасность потерь в  таких летучих элементах, как  марганец и медь в сплавах,  где их содержание строго определено, требует некоторых изменений  в практике вакуумно-дугового  переплава. В этих случаях плавку, ведут под некоторым парциальным  давлением азота или аргона, либо  заблаговременно оптимизируют исходный  химический состав электрода.  Важно понимать, что вакуумно-дуговой  переплав не был предназначен  для удаления летучих элементов.  Следует помнить и то, что эти  элементы, даже если они полезны  в том или ином отношении,  понижают стабильность дуги. Когда  же они образуют мощный конденсат  на стенках изложницы, происходит  серьезное ухудшение качества  поверхности слитков.

                            Рис.10  Схема вакуумно-дугового переплава.

Вакуумно-дуговой  переплав ( ВДП) применяют в целях удаления из металла газов и неметаллических включений. В зависимости от требований, предъявляемых к получаемому металлу, расходуемый электрод изготовляют механической обработкой слитка, выплавленного в электропечах или установках ЭШП.

Вакуумно-дуговой  переплав применяется для улучшения  качества стали путем обработки  ее вакуумом. При этом из стали удаляются  газы и неметаллические включения. По оси камеры перемещается водоохлаждае-мый шток 2, к которому крепится расходуемый - электрод 3, изготовленный из слитка переплавляемой стали. При подаче напряжения между электродом и затравкой 8 возникает электрическая дуга.

Применение  вакуумно-дугового переплава или  другого метода рафинирования стали  значительно уменьшает загрязненность стали неметаллическими включениями, снижает эффект водородной коррозии.

Процесс вакуумно-дугового переплава изначально был разработан с целью улучшить структуру и свести к минимуму ликвационные явления в слитках суперсплавов, чтобы таким образом обеспечить сплавам максимально возможные свойства уже на стадии их выплавки. Следовательно, в процессе плавки необходимо как можно тщательнее регулировать температурные градиенты и скорость кристаллизации. Подвод тепла с электрической дугой уравновешивается его отводом через слиток к стенкам тигля и базовой плите, а также излучением от поверхности жидкой ванны с ее хорошо знакомой полусферической формой. Достоинство процесса вакуумно-дугового переплава заключается в том, что он позволяет управлять этими возможностями ванны в заранее заданных пределах, особенно при использовании гелия для охлаждения поверхности раздела слитка и изложницы. Однако с увеличением размера слитков становится все труднее поддерживать оптимальные размер и глубину ванны, в конечном счете это ставит пределы размеру слитка, которому в рамках вакуумно-дугового переплава еще можно придать удовлетворительные свойства.

Сталь вакуумно-дугового переплава ( ВДП) изготовляют в виде круглых слитков, которые подвергаются ковке на заготовку и сутунку, что ограничивает ее сортамент и число заводов - изготовителей проката из этой стали.

Рис.11  Схема дуговой вакуумной электропечи с кристаллизатором: : 1 — расходуемый электрод; 2 — затравка; 3 — поддон; 4 — охлаждаемый кристаллизатор; 5 — слиток; 6 — механизм перемещения электродов.

Рис.12  Схема дуговой вакуумной электропечи для плавки в гарнисаже: 1 — механизм перемещения электрода; 2 — электрод; 3 — горнисаж; 4 — графитовый тигель; 5 — охлаждаемая обойма; 6 — смотровое окно; 7 — форма; 8 — центробежная машина.

При вакуумно-дуговом переплаве металл хорошо очищается от газов и неметаллических  загрязнений. В результате направленной снизу вверх кристаллизации слиток не имеет усадочной раковины и  других дефектов.

Стали, полученные вакуумно-дуговым переплавом, имеют значительно лучшую макроструктуру.

Дефекты стальных слитков подразделяют на естественные или неизбежные, которые возникают  при затвердевании и охлаждении слитка, и технологические, которые  возникают из-за несовершенства технологии выплавки и разливки металла.

К естественным дефектам относятся: усадочная раковина, осевая рыхлость, химическая и структурная  неоднородность, сотовые пузыри, эндогенные неметаллические включения.

К технологическим  дефектам – трещины, плены, завороты корки, подкорковые пузыри в слитках  спокойной стали, голенища или рослость слитков кипящей стали, малая  толщина плотной корки слитка и др.