Влияние кристаллографической текстуры на анизотропию физико-механических свойств деформированных полуфабрикатов из сплавов на основе титана (стр. 4 из 8)
Для получения чисто аустенитной структуры у стали с 23% Cr без азота при том же содержании углерода требуется ~13% Ni.
Хромоникельазотистые аустенитные стали типа 23-4 имеют более высокие прочностные (σв и σ0,2) и несколько меньшие пластические свойства по сравнению с хромоникелевыми сталями типа 18-8.
Повышение прочности аустенитных сталей при введении азота связано со значительными статическими искажениями кристаллической решетки и искажениями кристаллической решетки и изменениями его тонкой кристаллической структуры. С увеличением концентрации азота в γ-твердом увеличивается параметр кристаллической решетки, наблюдается тенденция к измельчению блоков мозаичной структуры повышению уровня микроскольжений. По сравнению с немагнитными сталями, легированными углеродом, высокоазотистые стали имеют лучшее сочетание прочности и пластичности после горячей деформации и последующего высокотемпературного нагрева.
Максимальное количество азота, которое целесообразно вводить в сталь, зависит от его растворимости в аустените молибден, марганец, тантал, хром, ниобии повышает растворимость, а медь, кобальт, никель, углерод понижает растворимость азота в железных сплавах. При разработке высокопрочных немагнитных высокоазотистых нержавеющих сталей для увеличения содержания в них азота наиболее широко используют хром и марганец предельная концентрация азота в Fe-Cr-Mn- расплавах с 25% хрома и 20% марганца может достигнуть 1,26%. [6]
Легирование коррозионностойких аустенитных сталей азотом в количествах до 0,3% оказывает положительное влияние на структуру и свойства их сварных швов. Азот измельчает первичную структуру сварных швов и повышает стойкость таких сталей против образования горячих трещин и межкристаллитной коррозии. С увеличением содержания азота до 0,3% в хромоникелевых сталях прочность сварных соединений возрастает при незначительном снижении пластичности. Комплексное легирование азотсодержащих сталей марганцем и молибденом приводит к повышению стойкости сварных швов и образованию горячих трещин. Значительное повышение прочности сварных соединений за счет увеличения содержания азота более 0,3% и введения ванадия в аустенитных сталях возможно при ограниченном содержании никеля и других элементов. Последние снижают растворимость азота в аустените, и из-за этого практически неизбежно охрупчивание таких сталей в результате выделения в процессе сварного термического цикла азота, вызывающего пористость в металле сварного шва, и большого количества нитридов хрома и ванадия. [7]
Глава 3. Технология производства аустенитных коррозионно-стойких сталей
3.1 Выплавка аустенитных коррозионно-стойких сталей
Для выплавки нержавеющей стали используются открытые электродуговые печи (ЭДП). Принцип ЭДП основан на преобразовании электрической энергии в тепловую, в электрической дуге, являющейся одной из форм разряда в газовой фазе. В сравнительно малом объеме дуги при таком разряде можно сконцентрировать большие мощности и получить очень высокие(<3000 0С) температуры. Плавление и нагрев металла происходят с большой скоростью.
Рис. 9. Схема дуговой электропечи прямого нагрева 1- электроды; 2- жидкая ванна после расплавления шихты; 3- футеровка; 4- выпускное отверстие с желобом; 5- рабочее окно; 6- механизм качания
Различают два варианта технологии процесса производства легированной стали, связанные с использованием углеродистой шихты или легированных отходов. В первом варианте необходимо проведение окислительного периода для удаления углерода, фосфора, кремния и других элементов. Недостатком этого варианта является потеря ряда легирующих элементов, если они содержатся в шихтовых материалах.
Второй вариант технологии проводят без окислительного периода, поэтому, поэтому легирующие элементы в значительной степени сохраняются в металле, а расход ферросплавов при этом снижается. Такой вариант технологии называют переплавом легированных отходов. Продолжительность этого процесса меньше чем плавки на углеродистой шихте, вследствие этого производительность плавильного агрегата выше, а удельный расход электроэнергии ниже, чем при проведении процесса по первому варианту. Недостатком этого варианта является невозможность удаления фосфора из металла и отсутствие кипения ванны. Для осуществления такой технологии требуется шихта с низким содержанием фосфора и принудительное перемешивание металла продувкой газообразным кислородом. При этом частичное окисление железа, кремния, углерода, протекающее с выделением тепла способствует прогреву металла. Выделяющийся монооксид углерода способствует перемешиванию и следовательно дегазации металла. Такой вариант технологии называется плавкой с частичным окислением примесей металла.
Вакуумно-дуговой переплав относится к относительно новым способам получения высококачественных сталей. Отличительной чертой вакуумно-дуговых печей (ВДП) является отсутствие источников загрязнения металла (атмосферы, шлака и футеровки), хорошие условия удаления неметаллических включений газов и примесей цветных металлов, а также направленная кристаллизация, обеспечивающая получение плотного слитка.
Общие особенности переплава в вакуумных дуговых печах и основы их расчета изложены в монографии.
Рассмотрим особенности выплавки нержавеющих сталей в ВДП. Обычно плавку ведут при остаточном давлении 1,33—0,133 н/м2 (10~2— 10~3 мм рт. ст.). Емкость печи для производства слитков нержавеющих сталей не ограничивают. В качестве расходуемых электродов применяют катаные, кованые и литые штанги, которые перед установкой на печь подвергают торцовке и обдирке (зачистке на абразивных станках). Диаметр электрода примерно на 100 мм меньше диаметра кристаллизатора, при этом зазор между электродом и стенкой кристаллизатора должен быть больше длины дуги, которая составляет 15—30 мм.
Наибольшее влияние на физико-химические процессы, качество металла, а также технико-экономические показатели плавки оказывает сила тока.
Температура жидкой ванны при плавке в ВДП обычно ненамного превышает точку ликвидуса переплавляемой стали. При повышении силы тока в два раза наблюдается небольшое повышение температуры металла. С увеличением силы тока и вводимой мощности возрастает скорость наплавления. Превышение силы тока сверх оптимальной ведет к ухудшению рафинировочных процессов на торце электрода и в жидкой ванне, а также к ухудшению структуры слитка (возникновению ликвационных дефектов, увеличению глубины усадки и т. п.).
Влияние силы тока на механические свойства нержавеющей стали и макроструктуры не обнаружено. После переплава при силе тока 4,5 кА содержание газов и неметаллических включений было минимальным, увеличился выход годного металла на 2— 3%, но при этом по сравнению с повышенным токовым режимом усилилось развитие послойной кристаллизации. Опробован дифференцированный режим переплава нержавеющих сталей с постепенным снижением по ходу плавки силы тока и напряжения, обеспечивающий хорошие технико-экономические и качественные показатели. Этот режим оказался весьма эффективным для сталей, не склонных к ликвационным явлениям при кристаллизации. Изучалось распределение цветных примесей, неметаллических включений и газов по высоте и сечению слитков нержавеющей стали открытой, электрошлаковой и вакуумно-дуговой плавок. Вакуумный дуговой переплав обеспечивает существенное снижение содержания в металле цветных металлов, газов и неметаллических включений и в этом отношении имеет преимущества перед способом ЭШП.
При переплаве сталей с повышенным содержанием марганца наблюдается частая ионизация в плавильном пространстве, нарушается стабильность горения дуг, увеличивается «корона». Содержание других элементов при ВДП практически не меняется. Снижение загрязненности нержавеющих сталей после ВДП, наличие плотного однородного слитка позволяют существенно повысить служебные свойства металла. Так, например, относительное удлинение нержавеющей стали типа 2Х11НМВФ увеличивается после ВДП с 2 до 18%, а сужение поперечного сечения — с 1,2 до 32,5%.
Преимуществом металла, выплавленного в ВДП, является однородность свойств по сечению изделия. Высокая плотность стали в больших сечениях позволяет исключить течь из систем в условиях больших давлений и натекание в условиях глубокого вакуума.
После выплавки в ВДП повышается изотропность металла. Нержавеющие стали, выплавленные ВДП, широко используются в авиационной технике, атомной теплоэнергетике, приборостроении и других важных отраслях. Среди новых рафинирующих переплавов электрошлаковый переплав (ЭШП) получил наибольшее развитие благодаря несложности необходимого оборудования и высокому качеству переплавленного металла при относительно небольших затратах на переделе. Значительно развита технология переплава, широко внедрено производство литых расходуемых электродов, расширился сортамент переплавляемой стали. Направленная кристаллизация слитка в сочетании с рафинированием металла шлаком позволили повысить такие качественные характеристики стали, как плотность и однородность структуры, чистота по неметаллическим включениям и газам, пластические свойства, особенно в поперечном направлении и др.
Рис. 9. Схема установки электрошлакового переплава: 1- расходуемый электрод из переплавляемого металла; 2- водоохлаждаемый кристаллизатор; 3- расплавленный шлак; 4- жидкая ванна переплавленного металла; 5- направляемый слиток металла
Для переплава нержавеющих и жаропрочных сталей применяют флюс системы CaF2 — А1203. Переплав сталей, легированных титаном, бором, ванадием, производят под шлаком с пониженным содержанием глинозема или на чистом CaF2. При переплаве низкоуглеродистых нержавеющих сталей (менее 0,02% С) даже при содержании во флюсе 0,03% С в металле после ЭШП наблюдается рост углерода на 0,002% (с 0,018 до 0,020%). При производстве крупных слитков нержавеющих сталей необходимо ограничивать скорость наплавления с целью обеспечения минимальной ликвации при кристаллизации и исключения образования поверхностных дефектов (заливин) на слитках.