Влияние азота и нитридообразующих элементов на прокаливаемость борсодержащей стали
Автор: Мазничевский Александр Николаевич, Гойхенберг Юрий Нафтулович, Сприкут Радий Вадимович
Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия @vestnik-susu-metallurgy
Рубрика: Металловедение и термическая обработка
Статья в выпуске: 2 т.17, 2017 года.
Бесплатный доступ
Изучено влияние концентрации растворенного в стали азота и малых добавок вводимых нитридообразующих элементов на прокаливаемость борсодержащей марганцовисто-ванадиевой стали 40ГФ-ВИ. Показано, что увеличение концентрации азота с 0,004 до 0,015 % увеличивает прокаливаемость стали. Установлено, что при низком содержании в стали азота (0,004 %) уже небольшого количества титана (около 0,02 %) оказывается достаточно для его связывания в нитриды, что позволяет сохранять большую часть бора в активном состоянии (в твёрдом растворе). При содержании азота в пределах 0,010-0,015 %, что характерно для металла электродуговой плавки, остаточное количество титана и алюминия в пределах 0,015-0,020 % каждого недостаточно для связывания всего азота. В результате часть азота расходуется на образование нитридов бора, что уменьшает эффект влияния последнего на прокаливаемость марганцовисто-ванадиевой стали, микролегированной бором.
Борсодержащая сталь, бор, азот прокаливаемость, улучшение свойств стали
Короткий адрес: https://sciup.org/147157087
IDR: 147157087 | DOI: 10.14529/met170206
Текст научной статьи Влияние азота и нитридообразующих элементов на прокаливаемость борсодержащей стали
Особое место среди перспективных ресурсосберегающих металлургических технологий занимает микролегирование конструкционной стали бором. Известно [1–5], что введение в сталь бора в количествах до 30 ppm значительно улучшает (примерно в 2,5 раза) прокаливаемость стали. По грубым оценкам, 30 ppm бора может быть эквивалентно проценту марганца (хрома, никеля) или половине процента молибдена [6, 7].
Основным сдерживающим фактором повсеместного внедрения борсодержащих сталей является сложность их изготовления, требующая специальной технологии выплавки и последующей внепечной обработки для предотвращения связывания бора с растворенными в металле кислородом, азотом, углеродом и образования стойких неметаллических включений. Сохранение такого баланса весьма непростая задача, так как при превышении предела растворимости бора в металле, часто образуются легкоплавкие боридные эвтектики, располагающиеся по границам зерен, тем самым снижая пластичность и вязкость стали [2].
Из вышеизложенного следует, что бор, связанный в окислы и нитриды, бесполезен. Следовательно, стали, содержащие бор, должны быть «успокоены» алюминием, чтобы предотвратить образование окислов и легиро- ваны титаном, чтобы предотвратить образование нитридов бора и сохранить бор в твердом растворе. Микродобавки титана для связывания азота также используют для упрочнения низкоуглеродистой высокопрочной борсодержащей стали.
Для предотвращения образования нитридов бора на заводах США используют добавки титана, а на заводах Франции и Японии – алюминия. Хотя «защита» алюминием требует повышенных его содержаний при высокой концентрации азота, она в целом предпочтительнее, так как введение титана может оказывать отрицательное воздействие на ударную вязкость и усталостную прочность [2]. В последнее время бор вводят с добавками титана, а иногда и циркония. Основным затруднением «защиты» бора алюминием является тот факт, что свободный металлический алюминий может образовывать нитриды только в твердых растворах при температурах ниже 1200 –1250 °С, вследствие чего растворенный в жидком металле бор расходуется на связывание азота в нитриды.
Авторами работы [1] предложена эмпирическая формула для расчёта количества «эффективного» (то есть не связанного с азотом и кислородом бора В эф ), который определяет показатель прокаливаемости:
В эф (%) = [В(%) – (N(%) – 0,002) –
– (Ti(%)/5) – (Zr(%)/15)].
Несмотря на то, что в технической литературе периодически появляются работы по изучению стали, микролегированной активными элементами [8], в настоящее время очень скудно освещено влияние пониженной концентрации азота на прокаливаемость борсодержащей стали (как правило, в рассматриваемых борсодержащих сталях концентрация азота не определяется). Данное обстоятельство предопределило характер настоящего исследования.
Целью работы была оценка влияния концентрации азота, бора, титана и алюминия на прокаливаемость конструкционной борсодержащей стали типа 40ГФ.
Материал и методика исследования
Исследовали серию лабораторных плавок, выплавленных в «Лаборатории специальной металлургии» (ООО «Ласмет»).
Плавку осуществляли в лабораторной вакуумно-индукционной печи VSG-30A с тиглем ёмкостью 25 кг с разливкой расплава в конический слиток размером ∅ 113/110 ×220 мм и массой 20 кг. Всего было выплавлено и исследовано 6 плавок стали 40ГФс различным микролегированием, химический состав которых приведен в таблице.
Заметим, что плавка 43-1 представляет собой нелегированную титаном и бором сталь 40ГФ-ВИ, плавка 43-2дополнительно микро-легирована бором в количестве 0,0016 %, а 43-3 бором и титаном в пределах марочного состава. Серия плавок 44-1…44-3 имеет состав аналогичный плавкам 43-1…43-3, однако концентрация азота в них выше и доведена до пределов, характерных для стали, полученной в дуговой сталеплавильной печи (0,016 %).
Выплавленные слитки были подвергнуты поверхностной зачистке и затем прокатаны на экспериментальном стане горячей прокатки
250/105 × 350 в прутки квадратного сечения со стороной квадрата 40 мм.
Из полученных прутков были вырезаны стандартные образцы для испытания прокали-ваемости методом торцевой закалки по Джоми-ни (ГОСТ 5657–69). Режим термической обработки образцов заключался в их аустенитизации при температуре 860 °С в течение 40 мин с последующей торцевой закалкой водой.
Результаты исследованияи их обсуждение
Данные по прокаливаемости исследуемых сталей представлены на рис. 1.
Видно, что сталь со следами титана и невысокой концентрацией азота (0,004 %) имеет меньшую прокаливаемость (рис. 1, а), чем сталь, содержащая больше азота (0,015 %). Отсюда следует, что азот, не связанный в нитриды, хоть и незначительно, но всё же повышает прокаливаемость марганцовисто-вана-диевой стали.
Введение бора в количестве 0,0016 % в азотсодержащую (0,015 %) марганцовисто-ванадиевую сталь оказывает противоположное влияние на прокаливаемость. Она оказывается выше у стали с меньшей концентрацией азота (рис. 1, б). Это свидетельствует о том, что бор в стали, содержащей 0,004 %, находится в активном состоянии, и не связан в труднорастворимые нитриды. Введение бора в сталь с большей концентрацией азота (0,015 %) при отсутствии титана практически не изменяет прокаливаемость (сравни кривые 2 на рис. 1, а и 1, б). Данное обстоятельство, по-видимому, является иллюстрацией того, что на увеличение прокаливаемости оказывает влияние только та часть бора, которая не связана в стойкие соединения.
Комплексное микролегирование марган-цовисто-ванадиевых сталей бором и титаном
Химический состав стали 40ГФ-ВИ
Плавка |
Массовая доля элементов, % |
||||||||||
C |
Si |
Mn |
S |
P |
Cr |
V |
В |
Al к.р. |
Ti |
N |
|
43-1 |
0,36 |
0,18 |
0,96 |
0,015 |
0,014 |
0,28 |
0,07 |
< 0,0005 |
0,018 |
сл. |
0,0036 |
43-2 |
0,35 |
0,18 |
0,96 |
0,015 |
0,014 |
0,28 |
0,07 |
0,0016 |
0,018 |
сл. |
0,0035 |
43-3 |
0,35 |
0,18 |
0,96 |
0,015 |
0,014 |
0,28 |
0,07 |
0,0013 |
0,018 |
0,027 |
0,0046 |
44-1 |
0,35 |
0,19 |
0,99 |
0,015 |
0,014 |
0,36 |
0,07 |
< 0,0005 |
0,013 |
сл. |
0,016 |
44-2 |
0,36 |
0,19 |
0,99 |
0,015 |
0,014 |
0,36 |
0,07 |
0,0017 |
0,013 |
сл. |
0,014 |
44-3 |
0,36 |
0,19 |
0,99 |
0,015 |
0,014 |
0,36 |
0,07 |
0,0021 |
0,013 |
0,028 |
0,016 |
Примечание. Al к.р . – кислоторастворимый алюминий.

а)

б)

в)
Влияние бора и тигана на проналиваемосгь стали 40ГФ

□ 6 12 18 24 30
Расстояние от охлаждаемого торца, мм
г)
Влияние бора и титана

д)
Рис. 1. Прокаливаемость лабораторных плавок стали 40ГФ-ВИ
вызывает резкое увеличение прокаливаем о-сти также при низкой концентрации азота (рис. 1, в, кривая 1 и 1, г, кривая 3). При ан а логичном микролегировании стали с большим (0,015 %) содержанием азота, характерного для процесса плавки в дуговой сталеплавил ь ной печи без специальной защиты зеркала ванны, подобного эффект а не наблюдается (рис. 1, в, кривая 2 и рис. 1, д).
Таким образом, наиболее вероятной причиной увеличения прокаливаемости борсодержащей стали 40ГФ, содержащей незначи- тельное количество азота и микролегирован-ной титаном, а также алюминием, является то, что титан и другие сильные нитридообразующие элементы, соединяясь с азотом, нейтрализуют его, предохраняя бор от образования собственных нитридов.
При содержании азота в пределах 0,010– 0,015 %, характерного для металла электроду-говой плавки, остаточное количество титана и алюминия в пределах 0,015–0,020 % каждого уже недостаточно для связывания всего азота. В результате часть азота расходуется на обра- зование нитридов бора, что уменьшает эффект влияния последнего на прокаливаемость марганцовисто-ванадиевой стали, микролеги-рованной бором.
Заключение
Приведенные данные свидетельствуют о том, что при микролегировании сталей бором необходимо осуществлять его защиту от влияния растворенных в расплаве газов, таких как кислород и азот, для предотвращения образования стойких соединений, приводящих к уменьшению концентрации «эффективного» бора, который обеспечивает высокую прока-ливаемость.
Одним из возможных путей предохранения бора от связывания в прочные соединения, по всей видимости, является увеличение расхода сильных раскислителей и нитридообразующих элементов (до некоторого оптимального количества) или же введение бора в составе комплексных лигатур с защитой зеркала ванны и от вторичного окисления при разливке.
Список литературы Влияние азота и нитридообразующих элементов на прокаливаемость борсодержащей стали
- Kapadia, B.M. Prediction of the Boron Hardenability Effects in Steel -A Comprehensive Revies/B.M. Kapadia//Hardenability Concepts with Application to Steel. -Chicago, AIME, 1977. -P. 448-482.
- Лякишев, Н.П. Борсодержащие стали и сплавы/Н.П. Лякишев, Ю.Л. Плинер, С.И. Лаппо. -М.: Металлургия, 1986. -192 с.
- Барадынцева, Е.П. Влияние микролегирования бором на прокаливаемость сталей/Е.П. Барадынцева, Н.А. Глазунова, О.В. Роговцова//Литье и металлургия. -2016. -№ 3 (84). -С. 70-74.
- Influence of Boron on the Hardenability of Unalloyed and Low Alloyed Steel/A. Deva, S.K. De, V. Kumar et al.//International Journal of Metallurgical Engineering. -2013. -Vol. 2, no. 1. -P. 47-51.
- Improving Hardenability of High Thickness Forged Steel Materials by Boron Addition/S. Mengaroni, P.E. Di Nunzio, S. Neri et al.//Journal of Material Science and Engineering B. -2016. -Vol. 6, no. 3-4. -P. 105-109.
- Verma, A. Boron Steel: An Alternative for Costiler Nickel and Molybdenum Alloyed Steel for Transmission Gears/A. Verma, K. Gopinath, B. Sarkar//The Journal of Engineering Research. -2011. -Vol. 8, no. 1. -P. 12-18.
- Новое применение бора в металлургии/В.В. Парусов, А.Б. Сычков, И.В. Деревянченко, М.А. Жигарев//Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. -№ 1 (9). -2005. -С. 15-17.
- Панфилова, Л.М. Технология производства и исследование свойств электростали, микролегированной ванадием и азотом/Л.М. Панфилова, И.А. Крутикова, Л.А. Смирнов//Труды XII конгресса сталеплавильщиков, 22-26 октября 2012, г. Выкса.