CC BY
1006
УДК 621.771.252: 621.78: 669.01
В.В. Парусов, А.Б. Сычков, И.В. Деревянненко, М.А. Жигарев
НОВОЕ ПРИМЕНЕНИЕ БОРА В МЕТАЛЛУРГИИ
Использование бора (наряду с ванадием, титаном , ниобием, РЗМ и т.д.) открывает широкие возможности для получения экономно-легированных сталей, эксплуатационные характеристики которых во многих случаях не только не уступают, но и превосходят уровень свойств сталей, получаемых с применением традиционной системы легирования [1—4].
Для большинства легирующих элементов положительное влияние на свойства стали про -порционально количеству вводимой добавки. Бор же существенно повышает качество металла уже при введении его в количестве 10"4-10"3%. При таких содержаниях влияние бора на прока -ливаемость и вязкость низко- и среднелегированных сталей соответствует эффекту легирования хромом, марганцем, молибденом или нике -лем с содержанием их в 100-300 раз большем добавок бора. Отмечается [1] также положительное влияние бора на кристаллизацию стали
Как уже указывалось, бор традиционно оказывает исключительно сильше влияние на закаливаемость стали Эффект стабилизации переохла-жденшго аустенига достигается при значительно меньших концентрациях бора, чем углерода, и меньших скоростях охлаждения от температур под закалку [1, 5-7]. Кроме того, бор в большей степени, чем углерод, влияет на фазовые превращения , протекающие на границах зерен.
При рассмотрении влияния бора на прокали-ваемость стали имеет значение "химически растворимый" бор, соответствующий бору, растворимому в матрице и связанному в соединения типа Ме23(В,С)6 и Бе3(В,С), т.е. карбоборвды металла, в частности железа. Если карбвдные выделения достаточно дисперсны для сохранения когерентности с матрицей, они тормозят зарождение феррита на границах зерен Этот эффект прекращается лишь при образовании грубых выделений карбоборвдов, что возможно при превышении концентрации бора выше оптимальной. При этом прокаливаемость стали понижается вследствие нарушения когерентности с матрицей феррита грубых карбвдов и борвдов и искажения кристаллической решетки, т.е. улучшения условий образования ферригной фазы. Кроме того, в этом случае возможно появление легкоплавкой эвтектики БеВ (1пл=1175°С) и увеличение склонности стали к красноломкости. На основании вышеизложенного
предельное содержание свободного или "химически растворимого" бора, как правило, ограничивают на уровне не более 0.005%. Наиболее значимо влияние бора на прокаливаемость выражено на низкоуглеродистых сталях. С ростом содержания углерода это влияние снижается и на прокаливаемость эвтектовдных сталей бор не влияет.
При содержании в стали азота и отсутствии других нигридообразующих элементов образуется нитрид бора - ВК, что снижает положительное влияние на прокаливаемость стали микродобавок бора. Как правило, ВК располагается вдоль рекристаллизованных зерен аустенига, для предотвращения образования нитрида бора ис -пользуют добавки титана, алюминия, циркония. В то же время в результате микролегирования стали бором наблюдается повышение ударной вязкости, которое связано с образованием мелкодисперсной фазы - нерастворимого в кислотах нигрвда бора, и это наблюдается только в том случае, когда азот (полностью или частично) не входит в соединение с другими нигридообразу-ющими элементами [1]. На этом положении ос -новывается новое применение бора в сталях, а именно использование его микродобавок для пластификации металла, а не на его упрочнение (увеличение прокаливаемости и т. п.).
В процессе исследований, проведенных в условиях СЗАО ММЗ, были изучены особенности воздействия микродобавок бора на свойства катанки из низкоуглеродистой нелегированной ста -ли марок типа 1005-1008 по АБТМ А 510, низкоуглеродистой легированной сварочного назначе-ния стали марок типа Св-08Г1С, Св-08Г2С, БО-1, БО-2, БО-3 и высокоуглеродистой стали марок типа 45-90, т.е. охвачен диапазон углерода от 0.01 до 0.92%. При этом содержание бора в стали ва-рьировалось от 0.003 до 0.014%.
Доказано, что при наличии в стали только "химически нерастворимого" бора в ввде ВК, т.е. бора, полностью расходуемого на связыва-ние азота, достигается высокая степень пластификации стали исследованных марок по сравнению с аналогичными сталями без добавок бора: наблюдаются снижение предела прочности на 30-55 Н/мм2 при вводе в низкоуглеродистую сталь бора в количествах 0.003-0.014%, увеличение размера действительного зерна ~ на 1.5-2 номера по ГОСТ 5639, уменьшение количества и
МЕТАЛЛУРГИЯ ЧЕРНЫХ, ЦВЕТНЫХ И РЕДКИХ МЕТАЛЛОВ
размеров структурно-свободного цементита (ССЦ). Прочностные характеристики борсодержащей высокоуглеродистой стали-катанки также снижаются (ств - на 65 Н/мм2), а пластические увеличиваются (5ю - на 1.9%; у - на 3.8% абс.) Происходит также рост пластичности катанки из электростали в течение 1-3 сут за счет релаксации напряжений и выделения диффузионно подвижного водорода. Эффект повышения пла -стичности после вылеживания более заметно выражен в катанке из высокоуглеродистых сталей, для которых характерен подъем, например, относительного сужения на 15-20% абс. При этом разбег значений показателей пластичности существенно снижается [8-11].
В борсодержащей стали микроликвация упрочняющих элементов (Мп, Б1, Сг, N1) выраже -на в меньшей степени, чем в стали без бора. В результате связывания бором азота мартенсигно-бейнигные структуры в стали типа Св-08Г2С имеют меньшую твердость и благодаря этому более склонны к пластической деформации Аналогично катанка из низко- и высокоуглеродистой борсодержащей стали имеет меньшую микротвердость структурных составляющих. Так, микротвердость перлита 1 балла в высокоуглеродистой борсодержащей стали-катанке составляет НЦ(20)=3177 Н/мм2, а в безбористой - 4207 Н/мм2.
Микроренггеноструктурным анализом уста -новлено, что общее повышение пластичности борсодержащей стали определяется тонким строением микроструктуры катанки Относительная микродеформация (МКД) решетки феррита и плотность дислокаций в стали с бором ниже, чем в стали без бора как после двустадийного охлаждения, так и после патенгирования, т.е. в катанке с бором кристаллическая решетка искажается меньше и также меньше уровень деформационного упрочнения структуры. Это связано с тем, что микродобавка бора (0.0021%) в стали перлитного класса (сталь 70) повышает соответствие (аккомодацию сопряжения) решеток феррита и цементита в перлите, в результате чего снижаются общий уровень МКД и плотность дислокаций в феррите. При дальнейшем повышении содержания бора наблюдается эффект передозировки - происходит снижение пластичности и повышение прочности металла. Это обусловлено образованием на границах зерен сегрегаций, пленочных и объемных вы -делений некогеренгных фаз, а по объему зерна -большого количества мелкодисперсных частиц (борвдов), что способствует торможению дислокаций, возникновению пор и разрушению стали при приложении нагрузки. Эти выделения сни-
жают степень переохлаждения аустенига при эв-тектовдном превращении. Поэтому при повышении содержания бора количество мелкодисперсного сорбигообразного перлита 1 балла образует -ся меньше, чем в стали без бора. В связи с этим предельное содержание бора для высокоуглеродистой катанки ограничено уровнем < 0.0025% при В/^0.4. В низкоуглеродистой стали-катанке оптимальное содержание бора определяется выражением В^=0.8 или В=0.8^
Деазотирующий (применительно к ферриту) эффект микродобавок бора доказывается снижением деформационного старения по сравнению с металлом без бора:
- низкоуглеродистая электросталь ("остари-вающая" обработка: растяжение до остаточного удлинения 10% и отпуск при 200°С в течение 1 ч): Дств= -21.5 Н/мм2;
ДСТТ 36.3 Н/ММ ; ДНц(20)В/ЛНц(20) без бора =
=0.44-0.19;
- высокоуглеродистая сталь ("остариваю-
щая" обработка: растяжение до остаточного удлинения 6% и отпуск при 200°С в течение 1 ч): Дств= -51.7 Н/мм2; Дстт=
10.5 Н/ММ ; ДНц(20)В/ДНц(20) без бора=°.56.
Увеличение времени квазиизотермической выдержки на длинном Б1е1шюг существенно повышает пластифицирующий эффект бора в низ -коуглеродистой катанке. Для высокоуглеродистой катанки интенсификация воздушного охла-ждения увеличивает степень дисперсности перлита и, следовательно, повышает пластические характеристики
Установлено [12-14], что в микролегированной бором электростали ответственного назна-чения (например, для металлокорда) содержание цветных примесей (хрома, никеля и меди) может быть существенно повышено (Сг < 0.15%,
N1 < 0.25%, Си < 0.25%) без снижения качественных характеристик стали, что обусловлено уве-личением растворимости меди в железе и компенсацией ее упрочняющего влияния за счет микродобавок бора, атомы которого располагаются в ОЦК решетке а-железа (т.е. в феррите стали) в позициях замещения. Показано, что совместное действие хрома и никеля, образующих с железом непрерывный ряд твердых растворов в вышеуказанных концентрациях, не ока -зывает упрочняющего влияния на сталь. Кроме того, все три элемента в указанных количествах несущественно влияют на скорость распада аустенига, например при патенгировании (в плане образования закалочных структур).
Таким образом, разработаны научно-техио- Обосновано пластифицирующее влияние бора на
логические основы нового в металлургической катанку из углеродистой стали
практике подхода к поведению бора в стали
Библиографический список
1. Лякишев Н.П., Плинер Ю.Л., ЛаппоС.И. Борсодержащие стали и сплавы. ММеталлургия, 1986. 192 с.
2. Гольдштейн Я.Е., Мизин В.Г. Использование железоуглеродистых сплавов. М.: Металлургия, 1993. 416 с.
3. Полиморфные модификации углерода и нитрида бора: справочное издание / А.В. Курдюмов, В.Г. Малоголовец, И.В. Новиков идр. М.: Металлургия, 1994. 318 с.
4. Сибата К. Поведение бора в стали и его влияние на структуру и свойства / Институт черной металлургии Японии. 2000.
5. Бор, кальций и цирконий в чугуне и стали / Под ред. С.М. Винарова. М.: Металлугиздат, 1961. 324 с.
6. Литвиненко Д.А. Бор в малоуглеродистой стали для глубокой штамповки // Сталь. 1964. № 4. С. 357-361.
7. Узлов И.Г., Парусов О.В., Нестеренко А.М. Зависимость процессов рекристаллизации аустенита в бористой стали 20Г2Р от технологической схемы температурно-деформационной обработки // Металловедение и термическая обра-боткаметаллов. 1998. № 2. С. 12-13.
8. Влияние микродобавок бора на механические и технологическиесвойства катанки / А.В.Кутаков, А.Б.Сычков, В.В.Парусов и др. // Сталь. 2000. № 1. С. 66-67.
9. Разупрочняющая термомеханическая обработка проката из углеродистой стали / В.В.Парусов, А.Б.Сычков, ВАЛуценко, Э.В.Парусов // Металлургическая и горнорудная промышленность. 2003. № 6. С. 54-57.
10. Металлургические факторы, определяющие технологическую пластичность при волочении катанки из кремнемарганцевых сталей/ В.В.Парусов, А.Б.Сычков, С.Ю.Жукова, А.И.Сивак // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: Сб. науч. трудов. Вып. 7. Днепропетровск: Візіон, 2004. С. 322-330.
11. Разработка научных основ и освоение сквозной технологии производства катанки из углеродистой стали на Молдав-ском металлургическом заводе / В.В.Парусов, А.М.Нестеренко, А.Б.Сычков, О.В.Парусов // Металлургическая и горнорудная промышленность. 2002. № 8, 9.
12. О целесообразности ограничения содержания примесей цветных металлов в углеродистой катанке / В.В.Парусов,
А.Б.Сычков, А.М .Нестеренко и др. // Сталь. 2000. N° 1. С. 67-69.
13. Парусов В.В., Вилипп А.И., Сычков А.Б. Влияние примесных элементов на качество углеродистой стали // Сталь. 2002. № 12. С. 53-55.
14. Нестеренко А.М., Сычков А.Б. Размерно-геометрические аспекты легирования стали бором и медью // Фундаменталь-ныеи прикладныепроблемы черной металлургии: Сб. науч. трудов. Вып. 7. Днепропетровск: Візіон, 2004. С. 181-183.
УДК 621.746.628.001.57
В.Н. Селиванов, Э.В. Дюльдина
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ СТАЛИ В СИСТЕМЕ ЕЕ-С-0-М]\-8-Р*
В настоящее время теория сталеплавильного производства позволяет составить математические модели всех получивших широкое рас простране -ние процессов выплавки и ковшевой обработки стали и на их основе с достаточной для практики точностью прогнозировать конечный результат процесса - химический состав металла и шлака, их массу, температуру. Совершенно иное положе-ние сложилось в области теории разливки стали и затвердевания слитков. На основе известных теоретических разработок пока не удается получить расчетом информацию о строении слитка в объеме, соответствующем данным, получаемым при проведении экспериментальных исследова-
* Работа выполненапри поддержке гранта губернатора Челябинской области Урчел 04-03-960-70.
ний (макроструктура, картина зональной химиче-с кой неоднородности металла и загрязненности его неметаллическими включениями).
Такая задача может быть решена на основе математического описания затвердевания стали с использованием диаграмм состояний много -компонентных систем.
Исследований по использованию диаграмм состояний многокомпонентных систем для анализа строения стальных слитков относительно немного. Первую такую попытку, по-видимому, предприняли А.Хультгрен и Г.Фрагмен, которые еще в 30-е годы прошлого столетия на качественном уровне рассматривали образование газовых пузырей в слитках кипящей стали с использованием диаграммы состояний системы Бе-С-О. Значительно позднее диаграмму состояний четверной
