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.