Исследование особенностей микроструктуры образцов проката из стали марки 08ЮР с оценкой ее влияния на наводораживание для определения склонности к образованию дефекта «рыбья чешуя» на эмалированном прокате»

Повседневно-бытовая жизнь человека на сегодняшний день неразрывно связана с применением изделий из эмалированной стали. Эмалированная сталь широко используется для производств сантехнических изделий, посуды, комплектующих для бытовой техники и др. Основная проблема вышеуказанных металлоизделий – дефект под названием «рыбья чешуя». Дефект «рыбья чешуя» представляет собой отслоение эмали (сколы), образующие углубления в эмалевом слое в форме полумесяца, которые остаются в местах отскока эма- ли [1–3]. Поэтому их иногда называют выколками. Величина этих выколок варьируется в довольно широком диапазоне (например, от 1 до 10 мм по ширине): иногда они невелики и нарушают только поверхность эмалевого слоя, а иногда доходят до металла. Базируясь на исследования Клердинга, Хоффа, Клердинга Цапффе и др., установили, что «рыбья чешуя» зарождается за счет давления газообразного водорода, выделяющегося из металла. Установлено, что давление водорода, при котором образуется «рыбья чешуя», составляет 110 ат. Значительное скопление водорода образуются по различ- ным причинам, зависящим как от самого металла, его подготовки, так и от состава эмали, процессов варки, помола и обжига. Водород образуется во время травления изделий [4, 5].

Методы

В рамках исследования особенностей микроструктуры дефекта «рыбья чешуя» были подготовлены образцы из стального металлопроката марки 08ЮР (ТУ 14-101-321-2008). Также с целью определения степени влияния технологических факторов, оказывающих воздействие на склонность к образованию дефекта «рыбья чешуя» на эмалированном прокате, провели комплексное металлографическое исследование. В качестве объектов исследования были использованы 4 образца марки стали 08ЮР с отличными друг от друга показателями водородного охрупчивания.

Для определения размеров зерна применялся металлографический инвертированный микроскоп Zeiss Axio Observer (рис. 1).

Определение размеров зерна проводили в автоматическом режиме при помощи адаптированных настроек программного продукта Thixomet PRO в соответствии с ГОСТ 5639–82 «Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна» (рис. 2) [6].

Изучение особенностей морфологии микроструктурных составляющих, а также определение состава неметаллических включений осуществляли на сканирующем микроскопе JSM 6490 LV во вторичных электронах с ускоряющим напряжением 20 кВ, оснащенном системой энергодисперсионного микроанализа INCA Energy 450 x-MAX 50 Premium при увеличениях более 1000 крат (рис. 3).

Рис. 1. Металлографический инвертированный микроскоп Zeiss Axio Observer

Рис. 2. Пример определения величины зерна в стали с помощью программного продукта Thixomen PRO (в автоматическом режиме)

Рис 3. Растровый электронный микроскоп JSM-6490LV JEOL с системой микроанализа INCA Energy 450 x-MAX 50 Premium

Ниже представлены результаты металлографического исследования опытных образцов из металлопроката.

Результаты

Микрофотографии поверхности шлифов исследуемых образцов в нетравленом виде представлены на рис. 4.

В микроструктуре нетравленых образцов № 1 и № 3, имеющих неудовлетворительные значения показателя склонности стали к наво-дораживанию (32–36 %), наблюдается точечная (мелкоглобулярная) сыпь из цементитных частиц, имеющая тенденцию к образованию слойных цепочек (см. рис. 4а, б), что соответ- ствует 0 баллу по шкале Б (согласно ГОСТ 5640–68) [7]. Объемная доля цементитных частиц в этих образцах не превышает 2 %, средний размер составляет около 1,5–2,0 мкм.

В микроструктуре образцов № 2, № 4, имеющих удовлетворительные значения показателя склонности стали к наводоражива-нию, наблюдается явное строчечное расположение структурно-свободного цементита, представляющего одно- или двухслойные цепочки (см. рис. 4в, г), что согласно ГОСТ 5640–68 соответствует 2 баллу по шкале Б. Объемная доля цементитных частиц в этих образцах достигает 3 %, средний размер частиц 1,5–2,5 мкм.

а)                                                                 б)

Рис. 4. Микроструктура исследуемых образцов в нетравленом виде: образец № 1 (а, б); образец № 2 (в, г); образец № 3 (д, е); образец № 4 (ж, з) (см. также с. 34)

в)                                                                           г)

д)

е)

ж)                                                            з)

Рис. 4. Окончание

Исследование частиц, находящихся на поверхности микрошлифов исследуемой стали, с помощью МРСА (микрорентгеноспектральный анализ) показало присутствие в их составе помимо углерода и железа частиц алюминия, марганца и хрома. В мелких частицах размером 300–500 нм наблюдается присутствие серы (рис. 5) [8–12].

Результаты количественного анализа исследуемых образцов (№ 1–4) приведены в таблице.

а)

б)

Рис. 5. Анализируемые частицы (а) и характерный микрорентгеновский спектр (б) в микроструктуре исследуемых образцов (РЭМ)

Количественный анализ микроструктуры исследуемых образцов (№ 1–4)

№ образца	Склонность к наводораживанию	Размер зерна, мкм	Номер зерна	Размер цементитных частиц, мкм	Объемная доля цементитных частиц, %	Балл цементит. сетки
1	Неудовлетворительная	14,5	9–10	2,27	2,13	0Б
2	Удовлетворительная	13,7	9	2,1	3,2	2Б
3	Неудовлетворительная	12,82	10–11	2,07	2,06	0Б
4	Удовлетворительная	12,51	10–11	1,48	3,04	2Б

Обсуждение

На основании статистического анализа установлено, что между показателем склонности стали к наводораживанию и такими химическими элементами, как углерод и марганец существует зависимость: при увеличении их процентного содержания в стали (марка 08ЮР) растет показатель склонности стали к наводораживанию и, следовательно, стойкость к образованию дефекта «рыбья чешуя». Между содержанием никеля, молибдена и ниобия, а также показателем склонности стали к наводораживанию существует слабо выраженная отрицательная (обратная) зависимость, то есть с увеличением их содержания в стали марки 08ЮР показатель склонности стали к наводораживанию снижается, а, следовательно, уменьшается стойкость эмалированных изделий к образованию дефекта «рыбья чешуя».

На основании количественного химического анализа проб металлопроката из стали марки 08ЮР на содержание водорода установлено, что взаимосвязь между значениями показателя склонности стали к наводоражи-ванию и содержанием водорода в стали отсутствует. Прямой связи между значениями не наблюдается [13–16].

Выводы

С использованием современных методов оптической и электронной микроскопии проведен комплексный качественный и количественный металлографический анализ представленных образцов металлопроката из стали марки 08ЮР.

Установлено, что существенное влияние на склонность стали к наводораживанию оказывает расположение и объемная доля структурносвободного цементита. Так, образцы, прошедшие испытание (№ 2, № 4), имеют явное строчечное расположение цементита, представляющего одну или двухслойные цепочки, что согласно ГОСТ 5640–68 соответствует 2 баллу по шкале Б. Объёмная доля цементитных частиц в этих образцах достигает примерно 3 %, средний размер 1,5–2,5 мкм. В микроструктуре образцов, не прошедших испытание на склонность стали к наводораживанию (№ 1, № 3), наблюдается точечная сыпь из цементитных частиц, имеющая только тенденцию к образованию однослойных цепочек, что соответствует 0 баллу по шкале Б. Объемная доля цементитных частиц в этих образцах не превышает 2 %, средний размер составляет около 1,5–2 мкм.

Исследование частиц рассматриваемой стали с помощью МРСА показало присутст- вие в их составе помимо углерода и железа также алюминия, марганца, хрома и серы.

Таким образом, на показатель склонности стали к наводораживанию, являющийся ключевым показателем свойств металлопроката для эмалирования, оказывает наибольшее влияние температурный режим горячей про- катки (температура конца прокатки и смотки), а также содержание химических элементов в стали, поскольку именно эти факторы определяют морфологию и количество цементита и других карбидов в ферритной матрице проката, являющихся основными ловушками свободного водорода.