CC BY
3
УДК 669.17: 669.131: 54.03 Б01 10.25960/то.2020.5-6.40
Влияние химических элементов, режимов термообработки и деформации на плотность стали
А. А. Сидоров1, С. А. Ульянов2, А. Б. Иванцов1,2, С. Г. Шишкова2
1 Уральский Пружинный Завод, Белорецк, Республика Башкортостан, Россия
2 Магнитогорский государственный технический университет им . Г. И . Носова, Белорецк, Республика Башкортостан, Россия
Приведена и проанализирована информация из различных источников по плотности стали. Показано, что приводимые значения плотности идентичных марок существенно различаются, соответствуют различной истории обработки металла и в большинстве случаев наблюдается непоследовательность тенденций изменения плотности при вариации содержания элементов. Вследствие этого была предложена интерпретация данных, по отдельным работам приведено обобщение результатов предшествовавших исследований. На основе актуальных источников произведен синтез модели расчета плотности задаваемой марки стали в зависимости от химического состава, термической обработки и деформации металла. Произведено сопоставление формул с известными результатами. Последующее применение полученной методики происходило в промышленных условиях для уточненного расчета массы ответственных пружин.
Ключевые слова: плотность стали, химический состав, закалка, отпуск, отжиг, деформация.
Плотность — одно из фундаментальных физических свойств материала, от точности определения которого зависит адекватность расчета массы объекта, что значимо при проектировании ответственных изделий, со всеми вытекающими из этого решениями об экономической целесообразности производства, эффективности эксплуатации и безопасности использования изделия. Нахождение плотности отдельной марки стали, составляющей целый комплекс химических элементов с определенными видами взаимной химической связи в заданном состоянии поставки, представляет собой нетривиальную задачу.
С увеличением содержания углерода плотность стали снижается [1, с. 134]. Это происходит из-за изменения соотношения объемов фаз феррита и цементита, так как доля последнего повышается (плотность цементита составляет 7662 кг/м3 [2], феррита — не более 7864 кг/м3). Наиболее значимое изменение плотности (вплоть до 12 % для кипящих
сталей) на макроуровне происходит на первых четырех-пяти проходах горячей деформации по причине ликвидации крупных не-сплошностей литой заготовки. Существенное влияние на плотность также оказывает изменение степени искажения решетки в зависимости от вида термической обработки [3] или накопленной деформации, разрыхления структуры, нарастающего с увеличением доли растягивающих напряжений в заключительном переделе холодной деформации [4, с. 76].
Приводимые в источниках изменения плотности углеродистой стали в зависимости от вариации содержания углерода обыкновенно составляют менее 2,4 %. Так, в справочнике [5, с. 105] плотность углеродистой стали линейно уменьшается от 7880 до 7700 кг/м3 при возрастании содержания углерода от минимума до 1,7 %. Подобная тенденция рассмотрена в книге [4, с. 163]. Влияние температуры при нормальных условиях дает отклонение в плотности 0,24-0,34 кг/м3 на 1 °С для
МЕТАИ(РАШК)1
случаев высоко- и низкоуглеродистои стали, соответственно [6, с. 75].
Влияние углерода на плотность стали более подробно представим на примере общедоступных российских и иностранных источников (рис.). Отметим, что кривая 1, построенная по данным центрального металлического портала РФ [7], фактически полностью повторяет данные марочника [8] (кривая 2), приводимые, в частности, в справочной базе программы КОМПАС-ЭБ у17. Обе линии (кривая 1 и 2) состоят из двух участков, в которых представлены стали качественные, с содержанием углерода не более 0,7 % по ГОСТ 1050-2013, и стали инструментальные, с содержанием углерода не менее 0,7 % по ГОСТ 1435-99. Состояние поставки в обоих случаях соот-
ветствует горячекатаной продукции с дополнительной отделкой поверхности и без нее.
Последовательное монотонное изменение плотности стали с дискретностью 10 кг/м3, согласно данным европейской металлургической компании [9], представлено для немецкой классификации по DIN (рис., кривая 3), включающей стали, поставляемые в состоянии под закалку.
Согласно [10] плотности сталей для американского стандарта AISI (рис., кривая 4), поставляемых в том числе под закалку, в целом имеют повышенные значения в сравнении с плотностями сталей, представленными в прочих источниках.
Отметим, что, по данным работы [11], особое влияние на падение плотности углеродистых
о
10
20 30
40
50 60 70 80 90 100
Содержание углерода, % X 102
110 120 130 140
Рис. Зависимость плотности углеродистых сталей от содержания углерода:
1 — Центральный металлический портал РФ (классификация марок сталей, ГОСТ 1050—2013, ГОСТ 1435—99); 2 — Марочник сталей и сплавов, Зубченко, Колосков [8, с. 604]; 3 — Сайт европейской металлургической компании (классификация марок DIN, EN 10083-2:2006, EN 10025-2:2004); 4 — www.azom.com (классификация марок AISI, ASTM A510M-20); 5 — горячека-танная сталь [11, с. 463]; 6 — закаленная сталь [11, с. 463]
Fig. Density of carbon steels:
1 — Central metal portal of the Russian Federation (classification of steel grades, GOST 1050-2013, GOST 1435-99);
2 — Steels and alloys brand, Zubchenko, Koloskov [8, p. 604]; 3 — Website an European metallurgical company (classification of steel grades DIN, EN 10083-2:2006, EN 10025-2:2004); 4 — www.azom.com (classification of steel grades AISI, ASTM A510M-20);
5 — Hot rolled steel [11, p. 463]; 6 — Hardened steel [11, p. 463]
4
сталей из присутствующих в них элементов оказывают атомы внедрения углерода и, в 2/з его влияния, атомы замещения кремния, что интерпретируется в работе [12].
Для углеродистых сталей стандарта AISI содержание кремния менее 0,6 %, с четырьмя вариантами диапазонов его концентрации (согласно единой системе нумерации UNS). Для аналогичных сталей в ГОСТах и DIN значения содержания кремния почти идентичны друг другу и не выходят за диапазон 0,150,40 %. Согласно проведенным расчетам понижение до минимума содержания кремния в сталях AISI увеличивает ее плотность на 13 кг/м3, что в целом объясняет заявленную повышенную плотность сталей AISI в случае выбора марки стали с минимальным содержанием кремния (рис.). Содержание другого значимого по концентрации химического элемента в стали, атома замещения марганца, практически идентично (различия в допусках DIN, AISI и ГОСТах составляют 0,1 % содержания Mn и менее). Марганец не оказывает значимого влияния на плотность по причине близкого к железу размера атомного радиуса, и, согласно [11], его влияние в 30 раз слабее влияния углерода.
Вопрос плотности углеродистой стали был глубоко проработан в экспериментальном исследовании американских ученых [11], где представлены кривые 5 и 6 плотности углеродистой стали обыкновенного качества заявленного химического состава после отжига горячекатаной стали и закалки, соответственно. Охватываемый кривыми диапазон определяет максимально возможное влияние на плотность искажения элементарной ячейки при термообработке. Расхождение кривых при увеличении содержания углерода связано с понижением уровня нижней кривой закалки 6 из-за интенсивного роста закаливаемости стали с содержанием углерода выше 0,25-0,30 %.
Анализируя приведенные данные, можно объяснить разброс значений плотности по длине кривых, прежде всего, фиксацией плотности стали в разном состоянии поставки (отжиг, наклеп при холодной деформации, закалка для отдельных случаев) и во вторую очередь вариантом с неноминальным содержанием углерода и кремния. Это подтверждается
при анализе приводимых в работе [11] данных, где в замерах плотности отожженной углеродистой и низкоуглеродистой стали тремя независимыми исследователями разброс значений плотности от среднего в каждом опыте составлял менее 4-6 кг/м3, диапазон разброса значений всех исследований не превышал 10-15 кг/м3.
Таким образом, представленные тенденции кривых интерпретируются: по DIN как последовательные, соответствующие номинальному содержанию химических элементов, для стали в наклепанном состоянии; по AISI соответствуют отожженной стали с минимальным содержанием кремния и в некоторых случаях (AISI 1045, W1) углерода; по ГОСТам — отожженной или наклепанной стали (закалка для сталей 25 и У9) при преимущественно номинальном содержании химических элементов.
На основе описанных выше факторов и с дополнительным учетом влияния не рассмотренных выше легирующих элементов и искажения ячейки нами была синтезирована модель расчета плотности марки стали в зависимости от ее химического состава, термообработки или завершающей обработки в виде холодной деформации:
Р = 7864 - 32,32СйоТп&корйнакл -
- 20,6981&отп£кор - 1,056Mn - 65V - 16Cr,
где С — содержание углерода, %; Mn — содержание марганца, %; Si — содержание кремния, %; Сг — содержание хрома, %; котп — коэффициент отпуска (при отжиге и наклепе — 1,00; при отпуске 600 °С — 1,25; 375 °С — 1,40; 300 °С — 1,70; 100-200 °С — 2,50; 25 °С [закалка] — 3,10); &кор — поправочный коэффициент при отпуске и закалке для сталей с содержанием углерода ниже 0,30 % и выше 0,85 % — 0,85; £накл — коэффициент наклепа по схеме с напряжениями растяжения (если наклепанный — 1,8, если нет — 1,0).
Основная цель синтеза модели — отражение заявленного и обоснованного выше принципа, определяющего корректность учета комплексного влияния факторов (примесных атомов и искажения решетки при обработке) на плотность стали. Условием эффективности
E ТАЛ Л О ОБРА Б0 T Ki
работы формулы ставилась непротиворечивость получаемых результатов основной массе заявляемых в литературе значений (в том числе приведенных на рисунке) в виде дифференцирования их на вариации по виду обработки и допустимому химическому составу. Очевидные выбросы были исключены из учета в формуле и отнесены к ошибкам набора текста авторами (не приведены на рисунке).
Основным конструктом модели являлась линейная зависимость снижения плотности от 7864 (0 % углерода) до 7662 кг/м3 (6,67 % углерода) при увеличении в стали доли цементита. При вырождении модели, т. е. с отсутствием примесных элементов, плотность поднимается до известных значений плотности технически чистого железа. Влияние атомов, увеличивающих плотность стали, учтено не было по причине малой употребимости данных сталей. Увеличение содержания основных элементов приводит в модели к расширению диапазона между отожженной и закаленной сталями (подобно кривым 5 и 6, рис.) согласно общеизвестной нелинейной зависимости увеличения закаливаемости стали от роста содержания значимых для процесса элементов.
Значительную роль при формировании модели сыграли коэффициенты, заявляемые в приводимых источниках, а также дополнительный анализ влияния примесных элементов на отклонение в плотности низколегированных сталей. Коэффициенты формулы были подобраны опытным путем, на основе проверки на актуальных углеродистых и низколегированных сталях.
Отклонение формулы от основных тенденций кривых (3, 5 и 6 на рисунке) для сталей номинального химического состава по ГОСТам, кривой наклепа 3 для DIN и отожженной стали 4 по AISI (с минимальным содержанием кремния в диапазоне AISI 1025 до AISI 1090) составляет менее 4-6 кг/м3. Так, по формуле для актуальной пружинной стали 60 (марка Б2 для диаметра проволоки более 3,5 мм) в наклепанном состоянии плотность составила 7820 кг/м3, в отожженном состоянии — 7836 кг/м3, закалка — 7783 кг/м3.
Таким образом, модель по рассмотренным выше и иным основным типам марок не образует выходов за представленные варианты
значений и производит смещение значений для заявленного химического состава согласно следующей схеме понижения плотности: отжиг—наклеп—закалка, с вариациями обратного подъема плотностей при отпуске от уровня предшествующей закалки вплоть до уровня отжига.
Это уравнение принято научно-исследовательским отделом ООО «Уральский Пружинный Завод» (г. Белорецк) за основу уточненного расчета массы ответственных пружин с последующими корректировками влияния на плотность стали диаметром прутка, дробе-обработки поверхности и закаливаемости пружинной стали. В частности, уравнение является базой при расчете проектируемых автомобильных пружин, где актуальна точность фиксации и тенденция к снижению массы порядка 10 г, также при расчете массы железнодорожных пружин из пружинных марок стали, зачастую выделяющихся из легированных сталей значительным содержанием понижающего плотность кремния.
Выводы
1. Колебание плотности углеродистой стали идентичного состава объясняется, прежде всего, фиксацией плотности металла в разных состояниях, сформированных в результате определенного вида термической обработки или действием деформационного разрыхления структуры, и во вторую очередь — фиксацией плотности стали с неноминальным содержанием углерода и кремния.
2. Представленные данные по DIN интерпретированы как последовательные, с номинальным химическим составом, при поставке в наклепанном состоянии; по AISI — как отожженная сталь с минимальным содержанием кремния и в некоторых случаях углерода; по ГОСТам — как отожженная или наклепанная заготовка (закалка для отдельных случаев), при преимущественно номинальном химическом составе.
3. Получено используемое на практике уравнение расчета плотности стали с учетом влияния значимых для свойств химических элементов, итоговой термообработки или завершающего передела по типу холодной деформации.
Литература
1. Лахтин Ю. M., Леонтьева В. П. Материаловедение: учеб. для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1990. 528 с.
2. Cementite. H. K. D. H. Bhadeshia. International materials reviews. 2020, vol. 65, pp. 1-27.
3. Новиков И. И. Теория термической обработки металлов: учеб. 4-е изд., испр. и доп. М.: Металлургия, 1986. 480 с.
4. Гуляев А. П. Металловедение: учеб. для вузов. 6-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1986. 544 с.
5. Третьяков А. В., Зюзин В. И. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением: справ. 2-е изд. М.: Металлургия, 1973. 224 с.
6. Казанцев Е. И. Промышленные печи: справ. руководство для расчетов и проектирования. 2-е изд., доп. и перераб. М.: Металлургия, 1975. 368 с.
7. Центральный металлический портал РФ : официальный сайт. URL: http://metallicheckiy-portal.ru
8. Марочник сталей и сплавов. 2-е изд., доп. и испр. / А. С. Зубченко, М. М. Колосков [и др.]; под общ. ред. А. С. Зубченко. М.: Машиностроение, 2003. 784 с.
9. Европейская металлургическая компания: официальный сайт. URL: https://emk24.ru
10. AZo Materials: официальный сайт. URL: https:// www.azom.com
11. Cross H. C., Hill E. E. Density of Hot-rolled and Heat-treated Carbon steels [Reprint]. Scientific Papers of the Bureau of Standards. 1927, vol. 22, pp. 451-466. Scientific Paper 562 (S562).
12. Протопопов Е. А., Добрых С. С., Протопопов А. А. Расчетная оценка плотности, удельной теплоемкости и коэффициента теплопроводности наплавленного металла. Технология машиностроения. 2018. № 12. С. 551-556.
Reference
1. Lakhtin Y. M., Leontyeva V. P. Materials Science: Textbook for higher technical educational institutions. third edition, rev. and add. Moscow: Mashinostroenie, 1990. 528 p. (In Russ.)
2. Cementite. H. K. D. H. Bhadeshia. International materials reviews. 2020, vol. 65, pp. 1-27.
3. Novikov I. I. Theory of heat metals treatment. Textbook. fourth edition, rev. and add. Moscow: Metallurgija, 1986. 480 p. (In Russ.)
4. Gulyaev A. P. Metallurgy. Textbook for universities. 6th ed., Rev. and add. Moscow: Metallurgija, 1986. 544 p. (In Russ.)
5. Tretyakov A.V., Zyuzin V.I. Mechanical properties of metals and alloys during pressure processing. Directory. 2nd ed. Moscow: Metallurgija, 1973. 224 p. (In Russ.)
6. Kazantsev E. I. Industrial furnaces. Reference guide for calculations and design. 2nd edition, supplemented and revised. Moscow: Metallurgija, 1975. 368 p. (In Russ.)
7. Central metal portal of the Russian Federation: official site. URL: http://metallicheckiy-portal.ru
8. Zubchenko A. S., Koloskov M. M. et al. Steels and alloys brand. 2nd ed. Ed. A. S. Zubchenko. Moscow: Mashinostroenie, 2003. 784 p. (In Russ.)
9. European Metallurgical Company: official website. URL: https://emk24.ru
10. AZo Materials: official site. URL: https://www. azom.com
11. Cross H. C., Hill E. E. Density of Hot-rolled and Heat-treated Carbon steels [Reprint]. Scientific Papers of the Bureau of Standards, 1927, vol. 22, pp. 451-466. Scientific Paper 562 (S562).
12. Protopopov E. A., Dobrykh S. S., Protopopov A. A. Calculated density estimate, specific heat capacity and thermal conductivity coefficient of the deposited metal. Protopopov. Tehnologija mashinostroenija, 2018, no. 12, pp. 551-556. (In Russ.)
Сведения об авторах
Сидоров Артем Анатольевич — инженер-конструктор научно-исследовательского отдела, ООО «Уральский Пружинный Завод», Башкортостан, Белорецк, ул. Станция Нура, д. 14/7, е-таП: bel.saa95@gmail.com
Ульянов Сергей Александрович — студент кафедры «Металлургия и стандартизация», филиал Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова, 453500, Башкортостан, Белорецк, ул. Ко-соротова, д. 6, е-таП: uljanov1998@yandex.ru
Иванцов Артем Борисович — кандидат технических наук, доцент кафедры «Металлургия и стандартизация», филиал Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова, 453500, Башкортостан, Белорецк, ул. Косоротова, д. 6; начальник научно-исследовательского отдела, ООО «Уральский Пружинный Завод», Башкортостан, Белорецк, ул. Станция Нура, д. 14/7, е-mail: art.belor@yandex.ru
Шишкова Софья Григорьевна — старший преподаватель кафедры «Металлургия и стандартизация», филиал Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова, 453500, Башкортостан, Белорецк, ул. Косоротова, д. 6, е-mail: sg1822@yandex.ru
Для цитирования: Сидоров А. А., Ульянов С. А., Иванцов А. Б., Шишкова С. Г. Влияние химических элементов, режимов термообработки и деформации на плотность стали. Металлообработка, 2020, № 5-6, с. 40-45. Б01 10.25960Zmo.2020.5-6.40
UDK 669.17: 669.131: 54.03
DOI 10.25960/mo.2020.5-6.40
Influence the chemical elements, heat treatment regimes and deformation on the density of steel
Sidorov A. A.1, Ulyanov S. A.2, Ivantsov A. B.1,2, Shishkova S. G.2
1 Ural Spring Plant, Beloretsk, Repablik Bashkortostan, Russia
2 Magnitogorsk State Technical University by G . I . Nosov, Repablik Bashkortostan, Russia
The paper presents and analyzes information from various sources on the density of steel. It is shown that the given density values the identical grades differ significantly, correspond to different history metal processing and, in most cases, there is an inconsistency in the trends in density changes with variations in the elements content. As a consequence, an interpretation the data was proposed, and a generalization the results of previous studies was given for individual works. Based on current sources, the article synthesizes a model for calculating the density of a given steel grade, depending on the parameters: chemical composition, heat treatment and metal deformation. The formula is compared with known results. The subsequent application the obtained technique took place in an industrial environment for a more accurate mass calculation the responsible springs.
Keywords: steel density, chemical composition, quenching, tempering, annealing, deformation. Information about the authors
Artyom A. Sidorov — Design Engineer of the Research Department, LLC „Ural Spring Plant", 14/7, str. Nura station, Beloretsk, Republic of Bashkortostan, 453503, Russia, e-mail: bel.saa95@gmail.com
Sergey A. Ulyanov — Student at the Department of Metallurgy and Standardization, Branch of Magnitogorsk State Technical University by G. I. Nosov, 6, str. Kosorotova, Beloretsk, Republic of Bashkortostan, 453500, Russia, e-mail: uljanov1998@yandex.ru
Artyom B. Ivantsov — Candidate of Engeneering Sciences, Associate Professor, Branch of Magnitogorsk State Technical University by G. I. Nosov, 6, str. Kosorotova, Beloretsk, Republic of Bashkortostan, 453500, Russia; Head of Research Department, LLC „Ural Spring Plant", 14/7, str. Nura station, Beloretsk, Republic of Bashkortostan, 453503, Russia, e-mail: art.belor@yandex.ru
Sophia G. Shishkova — Senior Lecturer at the Department of Metallurgy and Standardization, Branch of Magnitogorsk State Technical University by G. I. Nosov, 6, str. Kosorotova, Beloretsk, Republic of Bashkortostan, 453500, Russia, e-mail: sg1822@yandex.ru
For citation: Sidorov A. A., Ulyanov S. A., Ivantsov A. B., Shishkova S. G. Influence the chemical elements, heat treatment regimes and deformation on the density of steel. Metalloobrabotka, 2020, no 5-6, pp. 40-45. DOI 10.25960/ mo.2020.5-6.40
