Общие характеристики сталей с ниобием и ванадием

Размещено на http://www.allbest.ru/

В последние годы все большее значение приобретают низколегированные и малоуглеродистые стали, модифицированные малыми присадками сильных карбидообразующих элементов (ниобий, ванадий и др.) или с нитридной (карбонитридной) фазой. Распространению таких сталей способствуют следующие их преимущества: небольшой удельный расход легирующих элементов, существенное повышение прочностных показателей (преимущественно предела текучести до 30%) при небольшом снижении или при неизменяющихся значениях пластичности, вязкости и сопротивления хрупкому разрушению (в отдельных случаях с повышением хладостойкости) и улучшение свариваемости. Большинство модифицирующих элементов влияет на свойства стали через измельчение зерна и дисперсионное твердение, в меньшей мере -- через упрочнение твердого раствора. Важным является и то, что модифицирование способствует сохранению и получению у низколегированных сталей ферритоперлитной структуры (благодаря измельчению зерна и связыванию части углерода в труднорастворимый карбид). Образование промежуточных структур в сталях повышенной легированности возможно в случае нагрева до высоких температур и перевода большой части второй фазы в твердый раствор.

Модифицированию стали ниобием, ванадием и другими элементами посвящено много работ советских и зарубежных авторов. Некоторые модифицирующие элементы (ниобий, ванадий) имеют небольшое сродство к кислороду, поэтому они могут применяться как в спокойных, так и неполно раскисленных (кипящая, полуспокойная) сталях, однако степень их усвоения будет различной (например, для ниобия она составляет 70--90% в спокойных и полуспокойных сталях и падает в кипящих примерно до 50% и менее). Эффект модифицирования проявляется как в малоуглеродистых сталях (с повышением углерода он уменьшается), так и низколегированных сталях (повышение легированности способствует большему эффекту).

Механизм воздействия присадок ниобия и ванадия на свойства сталей по существу идентичен. Выделение карбидов (карбонитридов) в таких сталях после прокатки происходит в у аобластях, усиливается с увеличением степени обжатия и уменьшается с повышением скорости охлаждения. Наличие таких частиц в стали приводит к измельчению зерна и блоков мозаики, а также к увеличению плотности дислокаций и сопротивления их передвижению. Ввиду более высокой температуры растворения карбонитрида ниобия (>1050°С) по сравнению с карбидом ванадия (950° С) упрочняющий эффект от присадок ниобия наблюдается после нагрева до высоких температур (например, после нагрева под прокатку), в то время как ванадий оказывает заметное влияние уже после нагрева под нормализацию (-- 930° С).

Следует иметь в виду, что во время горячей обработки давлением в области ниже 1100° С ниобий замедляет скорость рекристаллизации и при определенных условиях может способствовать получению неоднородной структуры (разнозернистость); поэтому необходимо избегать подстуживания стали с модифицирующими присадками при прокатке в области 1100--950° С.

В малоуглеродистой нелегированной стали в горячекатаном 'состоянии ванадий и ниобий повышают предел текучести тем в большей степени, чем выше содержание этих присадок, однако интенсивность упрочнения при содержании ванадия и ниобия более 0,1 и 0,02% соответственно заметно снижается, поэтому названные количества считаются оптимальными. Модифицирование ванадием и ниобием (примерно по 0,03% каждого) стали Ст. Зсп, прокатанной на широкополосном стане непрерывного действия па полосу 4--5 мм (подстуживание перед смоткой до ~700°С), повышает предел текучести на 25 и 35% (соответственно для ванадия и ниобия) при незначительном снижении пластичности. Прокатка по обычной технологии листов толщиной до 40 мм из модифицированной стали Ст. Зсп также сопровождается заметным упрочнением, например на 10--20% при введении 0,05% V. Как правило, степень упрочнения уменьшается с увеличением толщины проката. На ванадий или ниобий содержащих малоуглеродистых нелегированных сталях достигается величина предела текучести 30--33 кГ/мм². Поэтому в ряде случаев стали типа 09Г2 и 14Г2 могут быть заменены малоуглеродистыми сталями с модифицирующими присадками. В прокате относительно тонких сечений ниобий несколько измельчает действительное зерно стали Ст. Зсп (балл 9) по сравнению с обычной сталью (балл 7--8) и заметно задерживает рост зерна при 900--1050° С, чего не наблюдается у ванадийсодержащей стали. По сопротивлению хрупкому разрушению малоуглеродистых нелегированных сталей с модифицирующими добавками в горячекатаном состоянии имеются противоречивые сведения. Ванадий и ниобий (до ~0,05%) практически не оказывают влияния на значение ударной вязкости при комнатной и пониженной температурах малоуглеродистой стали, в то время как в литературе показано, что названные присадки несколько снижают и ударную вязкость (рис. 1), сдвигают переходную температуру стали в горячекатаном состоянии в сторону более высоких температур (примерно 10° С на 0,01% 1Mb) (рис. 2).

Рис.1. Влияние температуры испытания малоуглеродистой стали без присадок (1), с присадкой 0,03%, V(2), 0,02%Nb (3) на работу удара

Рис 2. Зависимость влияния содержания ниобия на критическую температуру горячекатанной (1) и нормализованной (2) стали сод.0,45%(сплошные кривые)и 1,5% Mn (пунктирные кривые)

Характер влияния модифицирующих добавок в значительной мере зависит от условий горячей обработки давлением: при превалировании явления дисперсионного твердения (после высокого нагрева) условные пороги хладноломкости, повидимому, ухудшаются, а при определенных условиях измельчение зерна может устранить или уменьшить влияние этого фактора. Основа стали также играет определенную роль, что видно из рис. 51.

Обычно малоуглеродистая сталь с ниобием или ванадием характеризуется значением ударной вязкости при -- 40° С на уровне 3,0 кГм/см² (для ванадиевой стали при толщине 20 мм 4,0--5,3 кГм/см²),т.е. практически на уровне для обычных низколегированных сталей (например, 14Г2). С увеличением толщины проката переходная температура малоуглеродистой стали с ниобием существенно повышается, поэтому такие стали применяются для проката толщиной не более 9,5 мм. Это явление не установлено в малоуглеродистой стали с присадками ванадия.

Нормализация малоуглеродистых сталей с модифицирующими добавками сопровождается некоторым смягчением металла (отсутствие дисперсионного твердения у ниобиевой стали и меньшее ее проявление у ванадиевой стали) и существенным улучшением вязких и хладостойких свойств вследствие измельчения зерна -- переходная температура сдвигается в сторону более низких температур (рис.).

Отпуск стали с модифицирующими добавками приводит к небольшому старению в области 550--650° С с последующим переостариванием и смягчением, причем сопротивление отпуску ниобийсодержащей стали несколько выше, чем у стали с ванадием. Для обеих сталей отпуск в указанном диапазоне температур несколько (на 10--20 град) повышает переходную температуру

Рис 3. Зависимость переходной температуры от толщины листа малоуглеродистой стали.Заштрихованная область - толщины проката (более 9,5мм), поставляемого с гарантированным значением ударной вязкости: 1 0,7%Mn+0,03%Nb,21,0%Mn+0.04%Nb

Эффект модифицирующих добавок заметно возрастает при повышении легированности стали, например, марганцем, что связано с дальнейшим измельчением структуры, а также с повышением растворимости второй фазы. Особо эффективны модифицирующие добавки в низколегированных сталях; на этой основе разработана и широко применяется в мировой практике большая группа сталей повышенной прочности, обладающих высоким комплексом механических и технологических свойств. К ним можно отнести отечественные стали марок 15ГФ, 10Г2Б, 17Г2СФ, 16Г2АФ и др. Сравнительно ограниченное применение таких сталей в нашей стране связано с дефицитностью ниобия, а также относительно высокой стоимостью этих элементов по сравнению с другими легирующими, используемыми в сталях повышенной прочности.

Повышение содержания модифицирующих элементов (при постоянной основе) и снижение температуры конца прокатки (особенно при введении ниобия) сопровождается непрерывным увеличением прочностных характеристик без существенного изменения пластичности и вязкости при минусовых температурах. Это подтверждается данными табл. 54: листовая сталь 0,18% С, 1,5% Мп, 0,40% Si, 0,030% S и 0,026% Р; толщина 8,5 мм.

Прокатку малоуглеродистых и низколегированных сталей с модифицирующими элементами относительно тонких сечений рациональнее осуществлять на станах непрерывного действия, позволяющих избежать рекристаллизации при обжатиях в чистовых клетях (вследствие высокой скорости прокатки) и получать при соответствующей технологии подстуживания полосы однородную мелкозернистую структуру. На таких станах можно строго ограничивать температуру конца прокатки и смотки полосы в рулон, хотя считается, что определяющим фактором для обеспечения качества полосовой стали являются не указанные температуры, а скорость охлаждения проката до смотки ее в рулон. Небольшие присадки ниобия задерживают рекристаллизацию аустенита примерно на порядок по сравнению со стаью без этого элемента (требуется около 10 сек при 870° С для завершения рекристаллизации стали с ниобием), поэтому ускоренное охлаждение полосы является эффективным средством задержки рекристаллизации в модифицированных сталях.

Быстрое охлаждение через область превращений приводит к получению мелкозернистого феррита (рис. 5), который не огрубляется при последующей смотке полосы в рулоне в случае осуществления этой операции при достаточно низкой температуре. Важно также и то, что быстрое охлаждение позволяет сохранить в растворе большую часть модифицирующих добавок, которая вызывает явление дисперсионного твердения уже в феррите, а это сопровождается повышенным эффектом упрочнения по сравнению с выделением в состоянии.

Рис.4. Влияние скорости охлаждения на измельчение зерна стали с 0,15%Mn и присадкой ниобия, скорость охлаждения.

Для непрерывного стана (при постоянстве температуры конца прокатки) определяют зависимость между химическим составом (так называеемый индекс состава) и температурой смотки, обеспечивающей получение определенного уровня прочности (рис. 5).Применение на практике регламентированной технологии прокатки на непрерывном стане позволяет получать на стали несложного состава (в горячекатаном состоянии) высокий комплекс механических свойств. Так, полосовая сталь (0,1 % С, 0,9 % Мп, 0,03% Nb) толщиной 6,3 мм при охлаждении до смотки (~595°С) со скоростью 22 град/сек обеспечивает получение следующих свойств: о_т 47 кГ/мм², а_в 63 кГ/мм² 27%; д_н (Шарпи) 2,1 кГм при --7°С. Это является следствием наличия исключительно мелкого зерна (балл 11,5 по ASTM) и явления дисперсионного твердения.

Технические средства для быстрого и равномерного охлаждения металла, прокатываемого на листовых станах, пока отсутствуют, поэтому контролем качества проката в этом случае может служить температура конца прокатки, которая оказывает заметное влияние на уровень прочностных и вязких свойств. На модифицированных ниобием или ванадием сталях преимущества регулируемой прокатки на относительно тонких листах достигаются при ограничении температуры конца прокатки примерно 920° С. Следует подчеркнуть, что изза меньшей скорости прокатки на листовых станах по сравнению с непрерывными эффект упрочнения от присадок ниобия в первом случае несколько меньше, так как часть карбонитридов выделяется уже в аустените во время прокатки.

В последние годы контролируемая прокатка рассматривается более широко, чем раньше, включает такие факторы, как схема прокатки, скорость охлаждения и др., и является одним из прогрессивных способов улучшения механических свойств низколегированных сталей. При контролируемой прокатке важно не только ограничение температуры конца прокатки (ниже 870--840°С), но и обеспечение определенной степени обжатия на последних пропусках (примерно до 30%), а также скорости охлаждения, причем фактические показатели зависят от мощности стана, толщины проката и ряда других факторов. При контролируемой прокатке количество пропусков и степень обжатия ниже определенной температуры устанавливаются в зависимости от толщины готового листа (для каждой толщины устанавливается и максимальная температура конца прокатки.

Применением контролируемой прокатки достигается комплекс механических свойств, наблюдаемый у проката в нормализованном состоянии, а по переходной температуре такая сталь с модифицирующими добавками превосходит нормализованную отметить, что относительная дефицитность и высокая стоимость феррониобия ограничивают его применение для низколегированных сталей. В то же время благодаря вводу в строй Качканарского месторождения значительно возросли ресурсы ванадия, что позволяет более широко его использовать. За последние годы разработан и освоен ряд ванадийсодержащих марок низколегированных сталей, обладающих комплексом высоких свойств (15ГФ, 17Г2СФ, 18ХГ2СФ и т. д.).

Сталь 10Г2Б. Введение в сталь 09Г2 небольших присадок ниобия или ванадия позволяет повысить характеристики прочности на 8--16% даже при смотке полосы толщиной 3,5 мм в области 680--700° С, что следует из данных табл. 55.

Величина зерна стали 09Г2 с ванадием и без него была практически одинакова (балл 8--9), в то время как ниобийсодержащая сталь характеризовалась меньшей величиной зерна соответственно на 1 (0,02 %*Nb) и 2 балла (0,05% Nb). В толщинах до 9 мм горячекатаная сталь 10Г2Б (0,02--0,04% Nb) обеспечивает получение предела текучести в диапазоне 40--54 кГ/мм² (а_в=54:ь 68 кГ/мм²), т. е. примерно на 5--10 кГ/мм² прочнее аналогичных сталей без ниобия при несколько пониженных значениях относительного удлинения [на 3--8%абс.)]. Как отмечалось выше, существенное улучшение переходной температуры достигается применением контролируемой прокатки или ограничением температуры конца прокатки (для тонких листов).

Так, при температуре конца прокатки 860° С стали 10Г2Б ударная вязкость при --40° С составляет 4,0-- 6,0 кГ м/см2, а при 1050° С -- всего 0,8--1,8 кГ м/см2.

Нормализация является эффективным средством повышения ударной вязкости стали 10Г2Б в толстых сечениях, однако при этом упрочняющее влияние ниобия снижается:

Толщина листа, мм 10 20

у/мм* 40,5 37,5

ув, кГ/мм* 50,5 48,0

д10, % 26,0 26,0

а~40°с, кГм/см* 5,6 7,4

Сталь 15ГФ. В основном применяется для сварных строительных конструкций и вагоностроения в виде листов различной толщины и фасонных профилей. Как правило, поставляется в горячекатаном состоянии, но может поставляться и после термической обработки. Механические свойства стали 15ГФ в горячекатаном состоянии приведены в табл. 1.

Таблица 1

Таблица 2

Заметное повышение механических свойств достигается закалкой с последующим высоким отпуском. По тем же данным, механические свойства листов толщиной 14--16 мм после улучшения в зависимости от температуры отпуска после закалки указаны в табл. 2.

Сталь 15ГФ обладает хорошей свариваемостью. Сварку горячекатаной стали рекомендуется производить с погонной энергией Q = 10000 кал/см сварочной проволокой марок Св.10ГС и Св. ЮМС с флюсом ОСЦ45 или АН348. Возможна сварка этой стали и другими электродами.

Для обеспечения более высокой стойкости против коррозии ГОСТ 5058--65 предусмотрена возможность поставки этой стали с гарантированным содержанием меди в пределах 0,15--0,30% (15ГФД). Повышение в стали 15ГФ содержания марганца до 1,7% и кремния до 0,7% (сталь марки 15Г2СФ--0,12--0,18% С, 1,5-- 1,7% Мп, 0,4--0,7% Si и 0,05--0,1% V) позволяет повысить для стали в горячекатаном состоянии гарантируемые нормы временного сопротивления разрыву до 55 кГ/мм², предела текучести до 40 кГ/мм² с уменьшением величины относительного удлинения (65) до 18%.

Литература:

горячекатанная нормализованная сталь

1. Производство и свойства низколегированных сталей И.М. Лейкин, Д.А. Литвиненко, А.В. Рудченко. М. Металлургия, 1972. - 256с.

2. П.И. Соколовский. Малоуглеродистые и низколегированные стали. М., 1966.

Размещено на Allbest.ru