Материалов на свойства стали

Зависимость свойств стали от исход­ных материалов является предметом постоянных исследований. Существу­ющий термин «металлургическая на­следственность» характеризует влия­ние металлической шихты на свойства выплавленной из нее стали. По мере роста требований к качеству металла, а также совершенствования методов испытания и контроля качества появ­ляются результаты все новых и новых исследований, в которых установлено различие свойств жидких металлов как при выплавке их в одном стале­плавильном агрегате, но из разных шихт, так и при производстве их раз­личными процессами. Иногда это можно объяснить возможным разли­чием содержания в сталях примесей, наличие которых в металле обычно не контролируется, таких, как свинец, олово, сурьма, мышьяк, висмут и т. п. Однако маловероятно, чтобы случай­ные колебания неконтролируемых примесей могли вызвать однотипные изменения физических свойств метал­лических раплавов.

Возможной причиной подобных явлений может быть также неравно­весность микроскопических состояний жидкого расплава. Неравновес­ность микроскопического состояния расплава сложного состава связана с рядом причин, в том числе и с тем, что продолжительность диффузионных процессов, определяющих выравнива­ние состава и свойств, может быть больше продолжительности пребыва­ния металла в жидком состоянии. Ис­ходя из существующих представлений, в процессе получения любого сплава даже после расплавления шихты и возникновения макроскопической од­нородности в жидкости продолжает осуществляться переход от разных ти­пов структур ближнего порядка ком­понентов шихты к иной, более разу-порядоченной и более однородной структуре. При этом изменяется ха­рактер как межчастичных взаимодей­ствий, так и распределения атомов.

Исследования, проведенные со­трудниками МИСиС П. П. Арсентье­вым, А. Ф. Вишкаревым и др., показа­ли заметное различие структурно-чув­ствительных свойств стали нескольких марок, выплавленных из обычной и так называемой первородной (не под­вергнутой ранее переплаву) шихт (рис. 10.3). Различие обнаружено не только в значениях поверхностного натяжения, температур ликвидуса, со-лидуса, кинематической вязкости, но и в таких чисто технологических ха­рактеристиках, как интенсивность протекания процессов окисления примесей.

Заслуживает внимания обнаружен­ное недавно явление так называемой радиационной наследственности, кото рая проявляется в заметном отличии структуры облученных и необлучен­-

Рис. 10.3.Зависимость поверхностного натяжения (а), кинематической вязкости (б) стали У8А, выплавленной из обычной (1) и первородной (2) шихты, от температуры

­ных образцов после их расплавления и последующей кристаллизации (т. е. «память» о радиации сохраняется даже после полного расплавления образца).

ТЕРМОВРЕМЕННАЯ ОБРАБОТКА

В общем случае можно считать, что после расплавления металл находится в неравновесном состоянии. На ско­рость перехода расплава в состояние, которое можно называть равновес­ным, влияют температура, интенсив­ность и продолжительность переме­шивания (при продувке газами, вакуу-мировании, обработке ультразвуком, воздействии электромагнитным полем и т. п.). Нагрев стали до высоких (1700-1800 ºС и более) температур приводит к быстрому достижению равновесного состояния и стабилиза­ции свойств расплава. При относи­тельно низкой температуре скорость перехода в равновесное состояние мала, и для стабилизации свойств рас­плава требуются большие выдержки. На выдержке расплава при высоких температурах основана так называе­мая термовременная обработка.

Остановимся на этом более под­робно. Изучение свойств расплавлен­ных образцов стали показывает, что интенсивность и степень завершенно­сти структурных изменений в распла­ве зависят не только от температуры нагрева, но и от продолжительности выдержки при этой температуре. Для полного протекания всех процессов в расплаве требуется определенное со­четание температуры нагрева и дли­тельности выдержки. Обычно чем ниже температура нагрева, тем боль­шая выдержка ей соответствует.

Уточненный таким образом тем-пературно-временной режим уральс­кие ученые-металлурги Б. А. Баум, Г. В. Тягунов, Г. А. Хасин и др_; назва­ли программной термовременной обра­боткой (ПТВО). Режим ПТВО вклю­чает комплекс мероприятий и основан на детальном анализе температурных зависимостей структурно-чувстви­тельных свойств расплавленной стали и выявлении характерных температурдля данной стали (в том числе t_кр — критической температуры, нагрев выше которой приводит к появлению гистерезиса вязкости), а также анализе влияния длительности выдержки рас­плава при разных температурах¹.

Обширные исследования, прове­денные на Златоустовском и других металлургических заводах, показали, что использование этих теоретических представлений для организации тех­нологии производства ряда легирован­ных марок стали дает хорошие резуль­таты, приводя к улучшению механи­ческих свойств, снижению брака и т. п.

В то же время отмечается, что сущ­ность и причины немонотонного ха­рактера изменения свойств жидких сталей в зависимости от температуры до конца не ясны. Эксперименталь­ные данные показывают, что темпера­тура аномального изменения свойств t_ан и критическая температура t_кр (иногда они совпадают, а иногда очень сильно различаются) зависят не только от состава данной стали, но и от предыстории образца.

Возможной причиной влияния «предыстории» (например, условий выплавки) на свойства выплавленной стали может быть присутствие в ме­талле дисперсной фазы (например, включений тугоплавких оксидов). Эти включения могут попасть в металли­ческую ванну из шихты, при исполь­зовании ферросплавов и других доба­вочных материалов. Настоящий пе­риод характеризуется непрерывным возрастанием доли в шихте высоколе­гированных сталей и сплавов все бо­лее сложного состава. Отходы этих сталей или изделий из них попадают в виде шихты в сталеплавильные агрега­ты. Присутствие мельчайших частичек в металлошихте не контролируется, но может заметно влиять на свойства как жидкого, так и твердого металла. Кро­ме упомянутых трех причин возможны и другие, еще не установленные при чины влияния состава исходных ма­териалов на качество выплавляемой стали.

¹ Более подробно с этой теорией можно ознакомиться в книгах «Жидкая сталь» (Б. А. Баум, Г. В. Тягунов, Г. А. Хасин и др. — М.: Металлургия, 1984. — 206 с.); «Строе­ние и свойства металлических расплавов» (Г. Н. Еланский. — М.: Металлургия, 1991.— 160с.).

ВЛИЯНИЕ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ

Установление наличия (или отсут­ствия) элементов структуры жидкой стали или микронеравновесности рас­плавленного металла для технолога важно еще и потому, что в этом случае возможное внешнее воздействие спо­собно влиять на эту неравновесность. К числу таких внешних воздействий могут быть отнесены: перемешивание жидкого металла (продувка газами, вакуумно-пульсационное воздействие, электромагнитное перемешивание и т. п.), воздействие на металл ультра­звуком, раздробление на мельчайшие капли и т. д. Наиболее распространен­ным из перечисленных способов явля­ется перемешивание жидкой стали инертным газом (обычно аргоном).

Можно предположить, что дли­тельное перемешивание должно спо­собствовать не только выравниванию состава и температуры, но и достиже­нию микроравновесного состояния расплавленной стали. Не исключено, что приближение к равновесию мик­роскопических состояний расплава, т. е. повышение однородности его структуры ближнего порядка, вызовет изменение физических структурно-чувствительных свойств и улучшит ка­чественные характеристики рафини­рованного таким образом металла.

Например, экспериментальные данные показывают, что продувка ста­ли (особенно легированной) в ковше аргоном изменяет такие ее структур­но-чувствительные свойства, как плотность (рис. 10.4), кинематическая вязкость (и энергия активации вязкого течения),

Рис. 10.4.Зависимость плотности стали 40Х

(испытания при комнатной температуре) от

расхода аргона при продувке (V_Ar)

поверхностное натяжение. Поверхностное натяжение образцов легированной стали, отобранных по ходу продувки металла аргоном в ков­ше, возрастает. Можно предположить, что уменьшение степени микронеод­нородности расплава в результате ин­тенсивного перемешивания при вне-печной обработке вызывает увеличе­ние энергии взаимодействия его структурных единиц, что, в свою оче­редь, приводит к повышению поверх­ностного натяжения. Однако необхо­димы дальнейшие исследования для получения объективной характеристи­ки явления. Пока отсутствует объек­тивный практический критерий оцен­ки степени перемешивания (часто ог­раничиваются внешней картиной пе­ремешивания при моделировании или отбором проб на химический анализ и измерением температуры в несколь­ких точках конкретной емкости с ме­таллом). В то же время получивший распространение термин «гомогениза­ция» расплава объединяет комплекс процессов, в том числе выравнивание химического состава и температуры, достижение равномерного распреде­ления данного состава включений и газов в каждой единице объема метал­ла, а в необходимых случаях рафини­рование в процессе перемешивания металла от ряда определенных вклю­чений; к числу подобных явлений от­носится и ликвидация в процессе пе­ремешивания микронеоднородности расплава.