CC BY
256
/ N
Features formation of cracks in steel 18XÎT are investigated. It is established that in the course of crystallization the peritectic transformation goes on phase reactions: formation ofprimary ferrite from liquid and formation ofper-itectic austenite from this ferrite and residual liquid.
V__J
С. М. БОРЩОВ, ОАО «БМЗ», В. А. ЛУЦЕНКО, Т. Н. ГОЛУБЕНКО, ИЧМНАН Украины, И. А. КОВАЛЕВА, А. В. ВЕНГУРА, А. Н. ХОДОСОВСКАЯ, В. И. ГРИЦАЕНКО, ОАО «БМЗ»
УДК 669.14.018.29:621.771.2:620.191.33
СНИЖЕНИЕ ТРЕЩИН00БРА30ВАНИЯ
в НИЗКОУГЛЕРОДИСТОМ конструкционном сортовом прокате из непрерывнолитой заготовки
На качественные показатели сортового проката влияют такие металлургические аспекты производства, как исходное сырье, технология производства стали, условия разливки, кристаллизации стали, последующий нагрев и прокатка заготовок. В процессе производства в прокате могут образоваться различного рода дефекты, связанные с физической и химической неоднородностью.
Уменьшение поверхностных дефектов и неоднородности конструкционного проката достигается технологией непрерывного литья заготовок на МНЛЗ. После образования твердого внешнего слоя и жидкого «ядра» максимальная скорость охлаждения заготовки в поверхностных слоях около 400°С/мин, а в центре - до 100°С/мин. В таких условиях трещино-стойкость металла может зависеть от скорости вытягивания [1]. Наиболее подвержены образованию трещин непрерывнолитые заготовки, при затвердевании которых происходит перитектическое превращение.
Производство готового проката на ОАО «БМЗ» является завершающей стадией металлургического цикла и оказывает большое влияние на качество выпускаемой продукции.
Природу образования трещин изучали в конструкционном сортовом прокате из сталей 18ХГТ и S355J2 (см. таблицу) производства ОАО «БМЗ». Материалом для исследований были пробы из не-прерывнолитого блюма сечением 300х400 мм и горячекатаного проката.
Повышенная склонность к образованию трещин доэвтектоидных сталей, к которым относятся стали марки 18ГТ и S355J2, обусловлена особенностями кристаллизации и структурными превращениями в твердом состоянии. Высокая скорость затвердевания таких сталей способствует образованию кристаллитов значительных размеров. Росту кристаллитов способствует также значительное количество тепла, выделяющееся при перитек-тическом превращении, которое отсутствует при кристаллизации сталей с более высоким содержанием углерода. Чем меньше содержание углерода в стали, тем выше температура начала кристаллизации и тем уже интервал кристаллизации. Кристаллизационные трещины образуются в конце затвердевания, при участии остаточной межкристал-литной жидкости.
Кристаллизацию стали 18ХГТ моделировали при выплавке проб, охлаждаемых в тигле или в клиновидном кокиле со скоростью 1-10 °С/с до 1200 °С и закаленных по ходу охлаждения.
Результатами исследований1 был подтвержден двухстадийный ход перитектического превращения по фазовым реакциям: образование первичного феррита (5) из жидкости и образование перитекти-ческого аустенита (у) из этого феррита и остаточной жидкости. Наблюдали также дополнительную стадию - затвердевание ликвационной межкри-
1 При участии А. И. Яценко.
Химический состав исследуемых сталей 18ХГТ и S355J2
Марка стали Содержание химических элементов, %
С Si Mn Cr Ti p S
18ХГТ 0,18 0,28 1,10 1,20 0,07 <0,035 <0,035
S355J2 [3] 0,22 0,55 1,60 - - <0,035 <0,035
а б
Рис. 1. Структура непрерывнолитой заготовки из стали 18ХГТ: а, б - общий вид; в - по месту дефекта; а - травление щелочным раствором пикрата натрия; б, в - ниталем. а, б - *63; в - х320
сталлитной жидкости. Первичная структура после затвердевания показана на рис. 1, а. Ниже 950 °С образуется феррит по реакции у^-а+уост
Конечная структура литого металла содержит феррит и дендритно упорядоченные участки перлита (рис. 1, б). От поверхности к центру встречаются «светловины» - ферритные участки в бывших междендритных пространствах, содержащие скопления неметаллических включений, в основном сульфидов. Эти скопления состоят из мелких (около 1 мкм) глобулярных зерен (рис. 1, в). Появление в ферритной матрице сульфидных глобулей можно предположительно объяснить следующими явлениями:
• нарушением непрерывности сульфидных прожилок в ликвационных участках с сульфидной эвтектикой (фазового типа Fe-FeS), коалесценцией и сфероидизацией их при нагреве блюма, с переходом фазы FeS (пирит) в FeS2 (пирротин);
• влиянием марганца в растворе на конечный период процесса кристаллизации.
Добавка марганца изменяет форму и распределение сульфидных включений, способствуя изменению положения сплава относительно границ фазовых областей в системе Fe-S-Mn. После кристаллизации аустенитных дендритов возможно появление капель новой высокосернистой жидкости (расслоение остаточной жидкости) либо изменение фазового механизма образования сернистой эвтектики. Вместо эвтектической реакции ж ^ у + FeS с образованием сульфидных пленок при температурах около 1000 °С произойдет реакция ж ^ у + MnS при температуре около 1240 °С согласно равновесиям в сплаве Fe-Mn-FeS-MnS [4].
Специальное травление подтвердило, что участки аномальной структуры соответствуют пограничным зонам между крупными дендритами -бывшей ликвационной жидкости в изолированных каплях или капиллярных каналах. Легкоплавкая жидкость способствует зарождению и росту микротрещин, проникающих в наружный слой (рис. 2).
Если жидкость проходит сквозь поры в корочке, возможно окисление внутренних полостей, следы которых не ликвидируются последующим нагревом и прокаткой.
Структура исследованного горячекатаного проката феррито-перлитная, с полосчатостью 2-3-го балла (рис. 3, а). После зачистки наблюдаются трещины (0,5-1,2мм) искривленной или клиновидной формы (рис. 3, б-г), заполненные оксидами (в основном магнетитом FeзO4 и гематитом а^е20з слоистого или «кружевного» строения). Матрица вокруг них обезуглерожена, обеднена кремнием и содержит дисперсные оксидные включения, особенно в зонах бывших аустенитных зерен. Глубина внутреннего окисления больше трещин и соответствует положению ферритных «светловин» в литой структуре.
Очевидно, зарождение этих трещин происходит при нагреве до прокатки и сопровождается окислением при росте окалины и твердорастворным выделением дисперсных комплексных оксидов [5]. Характерная структурная особенность - образование вокруг и в окисленной трещине шлейфа мельчайших «сателлитов». Кроме описанных дефектов, во внутренних зонах структуры каких-либо междендритных или флокеноподобных трещин нет. Твердофазные (зернограничные) трещины исключаются по условиям структурообразования.
Устойчивость к трещинообразованию может увеличиваться при рекристаллизации феррита, уменьшении количества водородных ловушек - де-
Рис. 2. Ликвационные междендритные зоны по месту дефекта в непрерывнолитой заготовке из стали 18ХГТ. *50
Рис. 3. Структура горячекатаной заготовки диаметром 80 мм из стали 18ХГТ: а — общий вид; б—г — по месту трещин:
а, б, г — х100; в — х200
фектов решетки, выделений при оптимальных режимах охлаждения. Поэтому улучшение качества не-прерывнолитой продукции текущего производства непосредственно зависит от управления высокотемпературными процессами структурообразования.
Технологический процесс прокатного производства на различных стадиях обработки металла (нагрев, прокатка, охлаждение и др.) связан с неравномерностью деформации отдельных частей объема металла, что вызывает в последнем различные напряжения. Неоднородность структуры не-прерывнолитого металла, расположение и свойства различных кристаллов, наличие поверхностных и внутренних дефектов усугубляют неравномерность распределения напряжений в процессе обработки металла давлением.
Различные дефекты (поверхностные, подповерхностные) непрерывнолитой заготовки, являясь местами повышенной концентрации напряжений и подвергаясь растягивающим напряжениям в процессе прокатки, могут привести к образованию
местных хрупких разрушений до того, как среднее напряжение достигнет предела текучести. В большинстве случаев причиной получения несоответствующей продукции является не только качество исходной (непрерывнолитой) заготовки, но и вид посада металла перед деформацией.
На ОАО «БМЗ» используются следующие технологические схемы по передаче непрерывнолитой заготовки для дальнейшего проката на стане 850:
1. Машина непрерывного литья заготовки № 3 (далее МЛНЗ-3) ^ нагревательная печь стана 850 («горячий» посад).
2. МЛНЗ-3 ^ печь предварительного нагрева ^ нагревательная печь стана 850 («теплый» посад).
3. МЛНЗ-3 ^ охлаждение непрерывнолитой заготовки под колпаками ^ печь предварительного нагрева ^ нагревательная печь стана 850 («холодный» посад).
Технология нагрева металла в сочетании с правильно выбранным видом посада способствует в значительной степени локализации отдельных
Рис. 4. Трещины в непрерывнолитой заготовке из стали S355J2 сечением 300x400 мм: а — наружная поверхность; б — корковая зона макротемплета (поперечное сечение)
а б
Рис. 5. Поперечное сечение горячекатаной заготовки диаметром 140 мм из стали S355J2: а - серный отпечаток; б - макроструктура
дефектов непрерывнолитой заготовки (рис. 5), улучшению некоторых характеристик готового сорта.
Определение влияния на образование трещин вида посада производили на непрерывнолитой (рис. 4) и горячекатаной (рис. 5) заготовке из стали S355J21, запороченной поверхностными дефектами, которые представляли собой взаимно пересекающиеся небольшие извилистые трещины, в некоторых местах сопровождающиеся рваниной [6].
При макроструктурном анализе выявлены трещины, вышедшие и не вышедшие на поверхность (рис. 5, а), при этом в месте расположения дефектов ликвации серы не наблюдается (рис. 5, б).
Поверхностные трещины расположены под прямым углом, извилисты, малой ширины, с наличием ответвлений и незначительного обезуглероживания (рис. 6, а). Вокруг полости трещины характерных участков с ликвацией легкоплавких компонентов не обнаружено (рис. 6, б).
Поверхностные дефекты могут наследоваться с непрерывнолитых заготовок и трансформироваться с образованием грубых нарушений сплошности наружных и подповерхностных слоев металла. Известно [7], что с увеличением продолжительности выдержки непрерывнолитых заготовок под колпаками после разливки перед посадом в нагревательную печь снижается вероятность появления поверхностных дефектов в прокате.
При остывании низкоуглеродистая сталь претерпевает фазовые превращения: в точке Аг3 из ау-стенита начинается выделение феррита, а ниже точки АГ1 происходит превращение в перлит. Из-за разницы кристаллических решеток аустенита и феррита эти превращения сопровождаются значительными объемными изменениями. Поэтому если посадка непрерывнолитой заготовки в нагреватель-
1 При участии В. В. Гордиенко.
а б
Рис. 6. Трещины в поперечном сечении микрошлифа стали S355J2 (х50): а - травленый в 4%-ном спиртовом растворе азотной кислоты; б - травленый в реактиве Обергоффера
ную печь происходит до начала выделения феррита (при температурах выше точки АГ3), то при нагреве в металле объемные изменения не происходят.
При посадке заготовок в температурном интервале АГ3-АГ1 (или несколько ниже АГ1) в процессе нагрева происходит аустенитизация, приводящая к уменьшению удельного объема и появлению на поверхности блюмов растягивающих напряжений. Наиболее опасными с точки зрения возникновения трещин являются слои, близкие к внешней границе, на которых действуют максимальные растягивающие напряжения. При низкой пластичности и прочности подкоркового слоя такие напряжения будут вызывать разрывы металла. При нагреве холодных непрерывнолитых заготовок напряжения, вызванные полиморфными превращениями, компенсируются тепловыми напряжениями [8] и возникновение значительных поверхностных напряжений не происходит.
С точки зрения снижения энергозатрат (удельного расхода газа) на подогрев заготовки и увеличения производительности наиболее предпочтительным является «горячий» посад. Однако при наличии на непрерывнолитой заготовке поверхностных дефектов (трещин) использование такой схемы не исключает возможность дальнейшего развития и трансформации дефектов в готовом сорте. В этом случае целесообразно применение «теплого» или «холодного» посадов, что обеспечивает удовлетворительное качество горячекатаной заготовки.
Выводы
1. Установлено, что в непрерывнолитой заготовке из низкоуглеродистой конструкционной стали образование поверхностных и подповерхностных дефектов (трещин) происходит вследствие
70/
г: гшшгггта
2 (65), 2012-
ликвационной неоднородности первичной струк- образно использование схемы «теплого» или
туры. «холодного» посада непрерывнолитой заготовки
2. Во избежание появления температурных в нагревательную печь перед прокаткой, что по-
трещин при производстве низкоуглеродистого зволит повысить качество готовой металлопро-
конструкционного сортового проката целесо- дукции.
Литература
1. О температурно-деформационном состоянии крупногабаритных слитков / З. Н. Гецелев, В. А. Калашников, Б. Ф. Трах-тенберг и др. // Цветные металлы. 1974. № 4. С. 54-56.
2. ГОСТ 4543. Прокат из легированной конструкционной стали.
3. DIN EN 10025-2:2004. Изделия горячекатаные из конструкционных сталей.
4. Ж у р а в л е в Л. Н., К о л а ч е в Б. А., Ч у ч у р ю ч и н А. Д. Фазовый состав и склонность сплавов Ti-Mo к водородной хрупкости I рода // Изв. АН СССР. Металлы. 1976. № 4. С. 184-189.
5. Образование высокотемпературных трещин в крупносортовом прокате из непрерывнолитой заготовки / А. И. Яценко, В. А. Луценко, Т. Н. Панфилова и др. // Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб. науч. тр. Днепропетровск: ПГАСА. 2008. Вып. 42. Ч. 2. C. 69-74.
6. Н о в о к щ е н о в а С. М., В и н о г р а д М. И. Дефекты стали: Справ. М.: Металлургия, 1984.
7. Ж а д а н В. Т., О с а д ч и й А. Н., С т е ц е н к о Н. В. Отделка и термическая обработка сортового проката. М.: Металлургия, 1978.
8. Г у л я е в А. П. Металловедение. М.: Металлургия, 1986.
