CC BY
107
ГРНТИ 53.31.23; 61.31.51; 53.47.29 Бекенов Данияр Касымович
магистрант, кафедра «Химия и химические технологии»,
Торайгыров университет,
г. Павлодар, 140008, Республика Казахстан,
e-mail: bekenov.d91@mail.ru.
Масакбаева Софья Руслановна
научysq руководитель, к.х.н., профессор, кафедра «Химия и химические технологии», Торайгыров университет, г. Павлодар, 140008, Республика Казахстан, e-mail: sofochka184@mail.ru
ВЛИЯНИЕ ВВОДИМОГО ВАНАДИЯ НА СВОЙСТВА СТАЛИ
В данной статье авторы изучают влияние, которое может оказать ванадий, как легирующий элемент, для достижения определенных физико-химических свойств стали для трубной продукции. Микролегирование ванадием является одним из перспективных направлений повышения эксплуатационных и механических свойств, экономии дефицитных легирующих элементов, снижению энергозатрат.
Цель данного исследования заключается в том, чтобы с помощью легирования стали ванадием добиться результатов термообработанных труб, без термической обработки.
Ключевые слова: микролегирование, ванадий, сталь, химический состав, механические свойства, нормализация.
ВВЕДЕНИЕ
Введение в сталь в определенных количествах элементов, называемых легирующими, позволяет устранить недостатки углеродистой стали, улучшить ее механические свойства, а также получить те или иные особые физико-химические свойства, которыми углеродистая сталь не обладает.
Анализ использования ванадия для улучшения свойств стальных металлоизделий (сортового проката) показал, что его использование наиболее эффективно для улучшения свойств стали [1].
Микролегирование ванадием является одним из перспективных направлений повышения эксплуатационных и механических свойств, экономии дефицитных легирующих элементов.
На основе обобщенных данных [2] предполагается, что ванадий более сильный раскислитель, чем кремний, но более слабый, чем алюминий. Экспериментально было найдено, что ванадий по раскислительной способности приближается к кремнию [3].
Для исследования процессов структурообразования литой стали микролегированной ванадием с целью улучшения свойств трубных марок стали, должна быть выбрана сталь для исследования.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Микролегирование ванадием является одним из перспективных направлений повышения эксплуатационных и механических свойств, экономии (по расходу, примерно на два порядка) дефицитных легирующих элементов. Вследствие получения высокой прокаливаемости, прочности и пластичности в катаном и нормализованном состоянии, а также хорошей свариваемости ванадий широко применяется при производстве низколегированной стали.
Ванадий адсорбируется на поверхности образовавшихся включений и препятствует их коагуляции. Кроме того, наличие ванадия на поверхности снижает межфазное натяжение и улучшает смачиваемость включений жидким металлом. Всё это затрудняет их всплывание и приводит, в конечном счёте, к увеличению степени загрязнённости металла. Общая загрязнённость при введении ванадия увеличивается на 30-40 %. Однако более 90 % всех включений имеют размер до 10 мкм и практически не влияют на хладостойкость стали.
Инокулирующее влияние ванадия связано с образованием тугоплавких и малорастворимых частиц ванадиевой фазы (диванадиев), измельчающих литую структуру стали. Возможность повышения ударной вязкости методом микролегирования стали ванадием связана с образованием мелкодисперсной фазы нерастворимого в кислотах ванадия. Следовательно, этот эффект может наблюдаться лишь в том случае, когда присутствующий в стали азот (или его часть) не входит в соединения с другими нитроидообразующими элементами. Ванадий имеет невысокую раскислительную способность, но образует стойкие нитриды. Оптимальные содержания ванадия в стали составляют, как правило, 0,05-0,1 %. При более высоких содержаниях он образует легкоплавкую эвтектику, располагающуюся по границам зёрен, что снижает прочностные свойства стали при нагреве. Поэтому содержание ванадия в стали ограничивается [4].
Для исследования процессов структурообразования литой стали микролегированной ванадием с целью улучшения свойств трубных марок стали, выбрана сталь Т-1.
Нормируемый химический состав стали Т-1 приведен в таблице 1.
Таблица 1 - Химический состав стали, %
Хим. элементы C Si Мп Р S Сг № Мо А1
Требуемый состав min 0,34 0,15 1,25 - - 0,25 - - 0,01 -
mах 0,37 0,35 1,50 0,020 0,020 - 0,25 0,08 0,05 0,25
Ванадий добавляется в сталь в чрезвычайно малых количествах. Добавки ванадия должны ограничиваться, так как чрезмерно малые дозы могут оказаться неэффективными, а слишком большие добавки могут привести к хрупкости и красноломкости стали. При температурах жидкой стали ванадий легко связывается с кислородом и азотом, содержание которых в стали часто превосходит требуемую концентрацию ванадия.
Малые добавки ванадия могут вводиться в полностью раскисленную сталь из окислов ванадия, содержащихся в шлаке, используемом при рафинировке. При изучении равновесия между ванадием и кислородом в жидком железе было подтверждено, что этот метод осуществим.
Ванадий присаживают в сталь в конце плавки после всех добавок, хотя часто вместе с ним дополнительно вводят также алюминий и небольшие количества других элементов.
Слишком высокие содержания ванадия могут обусловить красноломкость стали и затруднить ее прокатку или ковку. Максимальное содержание ванадия, которое может быть допустимо в стали, не вызывая указанных затруднений, не имеет определенной величины, но обычно оно выше в сталях с весьма низким содержанием углерода и может изменяться в зависимости от вида, в каком ванадий присутствует в той или иной стали; возможно, что неэффективная часть ванадия, получающаяся в результате, соединения с кислородом и азотом, не является причиной красноломкости стали [6-8].
Микролегирование стали ванадием производится обычно введением в ковш феррованадия, содержащего 6-25 % V, 0,5-15 % Si, 6-12 % А1. Феррованадий с 10-24 % V, 1-4 % Si, до 3 % А1 имеет температуру плавления в пределах 1500-1550 °С и плотность от 5,4 до 6,5 г/см. При этом установлено, что температура плавления феррованадия повышается, а плотность снижается при увеличении содержания ванадия в сплаве. Усвоение ванадия при микролегировании в ковше спокойной стали после введения алюминия и титана составляет 40-70 %.
Высокое содержание в металле азота (в среднем 0,010-0,012 %) обуславливает низкую (достигающую уровня 20-40 %) долю «эффективного» ванадия в стали. Этот факт объясняет наблюдаемую в ряде случаев нестабильность свойств ванадийсодержащих сталей отечественного производства. Для ванадийсодержащих сталей такой традиционный фактор, как общее содержание легирующих элементов, отступает на второй план, уступая место другому - форме присутствия элементов в стали, без учёта которой возможна нестабильность свойств.
Основы качества ванадийсодержащих сталей закладываются уже на стадии выплавки, что требует точного соблюдения рациональных режимов раскисления и микролегирования стали (в противном случае её свойства могут варьироваться от ожидаемого уровня свойств ванадийсодержащей стали до свойств безванадиевой стали).
Высокая химическая активность ванадия при температурах сталеплавильных процессов в сочетании с малым количеством вводимых легирующих материалов требует использования сложных методов раскисления перед вводом в расплав ванадия, обеспечивающих эффективность его влияния на свойства металла. Азот, всегда содержащийся в металле в отсутствии других нитридообразующих элементов связывается преимущественно в нитрид ванадия, что снижает положительное влияние на прокаливаемость стали микродобавок ванадия, для предотвращения образования нитрида ванадия используют добавки других элементов, способных образовывать карбонитриды - титан, цирконий и снижать концентрацию азота в кристаллизующемся металле.
Таким образом, важным резервом повышения уровня прокаливаемости микролегированных ванадием сталей является измельчение размера зерна аустенита, что на практике достигается микролегированием сильными карбонитридообразующими элементами: Al, Ti, Zr, Nb др. Их введение в сталь с добавками ванадия обеспечивает связывание азота и углерода в стабильные мелкодисперсные карбонитриды типа Me(CxNl-x), которые способствуют торможению миграции границ и, следовательно, сохранению мелкодисперсной зёрен той структуры до достаточно высоких температур. Кроме того, имея более высокое по сравнению с ванадием сродство к азоту и кислороду, такие элементы образуют нитриды и оксиды, обеспечивая тем самым защиту ванадия, что позволяет увеличить концентрацию «эффективного» ванадия и, как следствие, повысить прокаливаемость стали.
Для эффективной защиты ванадия (обеспечения его содержания в твёрдом растворе на уровне 0,001 %) и повышения коэффициента усвоения ванадия до 50 % в традиционно применяемых в автомобилестроении ванадийсодержащих сталях как минимум необходимо иметь содержание титана до 0,025-0,030 % и алюминия до 0,050-0,060 % или снизить количество азота до 0,005-0,008 %.
При этом введение ванадия до 0,1 % значительно повышает пластичность и ударную вязкость сталей в нормализованном состоянии и немного улучшает их прочностные характеристики, что позволяет сократить технологический процесс (отсутствует стадия закалки и отпуска), и как следствие снизить энергозатраты. Так например, при содержании в стали Т-1 0,05 % ванадия ударная вязкость повышается на 45 %, относительное удлинение на 15% [5, 9-11]. При содержании в стали 0,1 % ванадия эти характеристики повышаются в среднем на 20 %. Введение 0,15 % ванадия значительно повышает пределы прочности, практически не изменяя пластичности и ударной вязкости. После литья и нормализации ванадий в исследуемых количествах намного повышает в стали Т-1 условный предел текучести при содержании до 0,1%, немного увеличивает предел прочности. Так, при содержании его 0,07 % предел прочности повышается до 780 МПа (на 14 %), условный предел текучести до 627 МПа (на 35 %).
Результаты химического состава и механических испытаний стали Т-1, в условиях ТОО «KSP Steel» после нормализации, приведены в таблицах 2 и 3. Но для получения нормируемых прочностных характеристик, требуется дальнейшая термообработка стали - закалка с последующим отпуском (таблица 4).
Таблица 2 - Химический состав стали Т-1
Марка стали C Si Мп Р S Сг Ni Мо А1 Cu
Т-1 0,35 0,23 1,35 0,012 0,010 0,06 0,09 0,02 0,02 0,15
Таблица 3 - Физико-механические показатели стали Т-1 после нормализации
Наименование показателей Нормируемые показатели группы прочности Е по ГОСТ 633-80 Нормализация Т-1
Временное сопротивление разрыву о0, МПа (не менее) 689 687,4
Предел текучести ат МПа 552-758 465,0
Относительное удлинение 65, (%) 13 20,4
Данные результатов механических свойств горячекатанных труб соответствуют группе прочности Д (норма ов минимум 655 МПа, от 379-552 МПа, 55 14,3 %), согласно ГОСТ 633-80.
Таблица 4 - Физико-механические показатели стали Т-1 после термообработки
Наименование показателей Нормируемые показатели группы прочности Е по ГОСТ 633-80 Закалка + отпуск Т-1
Временное сопротивление разрыву а0, МПа (не менее) 689 780,3
Предел текучести а, МПа 552-758 661,7
Относительное удлинение 65, (%) 13 22,1
Как видно по таблице 3 трубы, проходя термическую обработку закалка и отпуск, меняют механические свойства. То есть становятся более прочными к разрыву. Наша цель с помощью легирования стали ванадием добиться результатов термообработанных труб, без термической обработки.
ВЫВОДЫ
Как показали исследования микролегирование ванадием является одним из перспективных направлений повышения эксплуатационных и механических свойств, экономии дефицитных легирующих элементов, снижению энергозатарат.
Наиболее оптимальным содержанием ванадия, с точки зрения повышения пластичности и ударной вязкости без изменения прочностных свойств стали в следует считать от 0,05 % до 0,1 %. Введение в сталь 0,15 % ванадия, хотя и вызывает увеличение прочности, резко понижает пластичность и ударную вязкость.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Насибов, А. Г. Влияние ванадия, ниобия, углерода и кремния на свойства малоперлитной стали / А. Г. Насибов, Ю. И. Матросов, А. В. Рудченко. - МиТОМ, 1973. - С. 19-24.
2 Михалев, М. С. Влияние легирующих элементов и расчет прочности низколегированных сталей / М. С. Михалев, М. И. Гольдштейн. - М. : Сталь, 1958. - С. 942-946.
3 Михалев, М. С. Влияние добавок ванадия на свойства стали. - М. : Литейное производство, 1971. - С. 20-21.
4 Гуляев, Н. М. Механические свойства железа и стали, содержащих дисперсные нитриды ванадия и ниобия / Н. М. Гуляев, В. Н. Фонштейн, Э. А. Медведев. - М. : Металловедение и терм. обраб. металлов, 1976. - С. 51-55.
5 Камаль Мохамед Сами Халиль, Влияние микролегирования ванадием и ниобием на свойства малоуглеродистой стали / Камаль Мохамед Сами Халиль, М. М. Фетисова, Э. И. Плешаков. - Львов : Вища школа. Изд-во при Львов. ун-те, 1984. С. 93-94.
6 Камаль Мохамед Сами Халиль, Влияние микродобавок ванадия и ниобия на хладноломкость стали 20 / Камаль Мохамед Сами Халиль, Э. И. Плешаков. -Львов: Вища школа. Изд-во при Львов. ун-те, 1985. - С. 60-61.
7 Фридман, Я. Б. Строение и анализ изломов металлов / Я. Б. Фридман, Т. А. Гордеева. - М. : Машгиз, 1960. - 128 с.
8 Поляк, M. С. Новые малолегированные стали с ванадием или ниобием / M. С. Поляк, С. Т. Зверев, Г. В. Петров. - Металловедение и терм. обраб. металлов, 1966. № 12, - С. 65-66.
9 Богомолов, А. В., Быков, П. О., Кулумбаев, Н. К., Батталов, Ж. Т. Определение технологических свойств низколегированных сталей //Наука и техника Казахстана. - 2012. - № 1-2. - С. 41-45.
10 Erasmus, L. A. Effect of vanadium on the transition temperature of low carbon steels. - J. of Iron and Steel Inst., 1964. V. 202, №. 8, - P. 541-546.
11 Irvine, K. J. Columbium, titanium and vanadium in high strength, low-alloy steels / K. J. Irvine, P. B. Pikering. - J. of Iron and Steel Inst., 1963. V. 200, № 7, - P. 570-575.
Материал поступил в редакцию 03.09.20.
Бекенов Данияр Касымович
магистрант, «Химия жэне химиялык технологиялар» кафедрасы,
ТораЙFыров университет^
Павлодар к., 140008, Казахстан Республикасы,
e-mail: bekenov.d91@mail.ru.
Масакбаева Софья Руслановна
х^.к., Fылыми жетекш^ профессор,
«Химия жэне химиялык технологиялар» кафедрасы,
ТораЙFыров университет^
Павлодар к., 140008, Казакстан Республикасы,
e-mail: sofochka184@mail.ru
Материал баспаFа 03.09.20 тYстi.
Болат касиеттерше енпзшетш ванадийдщ acepi
Бул мацалада авторлар цубыр ernMi ушт болаттыц белгш физикалъщ-химиялъщ цасиеттерше цол жетюзу ушт легiрлеушi элемент ретшде ванадийдщ эсер етут зерттейдi. Ванадиймен микролегирлеу цолдану жэне механикалыц цасиеттердi жогарылатудыц, тапшы легiрлеушi элементтердi унемдеудщ, энергия шыгынын твмендетудщ перспективтi багыттарыныц бiрi болып табылады.
Бул зерттеудщ мацсаты ванадий болатты легирлеудщ квмегiмен термиялыц вцдеус1з термовцделген цубырлардыц нэтижелерше цол жетюзу болып табылады.
Кiлттi свздер: микролегирлеу, ванадий, болат, химиялыц цурамы, механикалыц цасиеттерi, цалыпца келтiру.
Bekenov Daniyar Kasymovich
undergraduate student,
Department of the Chemistry
Chemical Technology
Toraighyrov University,
Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan,
e-mail: bekenov.d91@mail.ru.
Massakbayeva Sofya Ruslanovna
scientific supervisor Candidate of Chemical Sciences, Professor,
Toraighyrov University,
Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan,
e-mail: sofochka184@mail.ru
Material received on 03.09.20.
The influence of administered vanadium on the properties of steel
In this article, the authors study the influence that vanadium can have as an alloying element, to achieve certain physical and chemical properties of steel for pipe products. Micro-alloying with vanadium is one of the promising directions for improving operational and mechanical properties, saving scarce alloying elements, and reducing energy consumption.
The purpose of this study is to use vanadium alloying to achieve the results of heat-treated pipes, without heat treatment.
Keywords: micro-alloying, vanadium, steel, chemical composition, mechanical properties, normalization.
