Низколегированные полуспокойные стали

В настоящее время все большее распространение получают низколегированные спокойные стали повышенной прочности и хладостойкости, применение которых обеспечивает снижение массы конструкций и повышение их надежности и долговечности.

В связи с этим была исследована возможность производства низколегированных полуснокойных сталей повышенной прочности в горячекатаном и термически обработанном состояниях с целью замены спокойных углеродистых и низколегированных сталей. Было изучено в промышленных условиях влияние на физико-механические свойства полуспокойной стали малых присадок ванадия (до 0,1%), ниобия (до 0,07%) и ванадия вместе с азотом (0,07—0,25 и 0,014—0,024% соответственно), т. е. элементов или композиций, сильно упрочняющих сталь и мало влияющих на степень ее раскисленности.

Сырьевые ресурсы России позволяют рекомендовать применение этих элементов при производстве сталей массового назначения.

Микролегирование стали ниобием и ванадием. Ниобий и ванадий — элементы с высоким сродством к азоту и углероду и низким — к кислороду; причем их сродство к азоту выше, чем к углероду.

При охлаждении стали, содержащей ниобий и ванадий, выделяются очень мелкие когерентные с ферритной матрицей карбонитриды, приводящие к дисперсионному упрочнению стали. В связи с тем что даже в малоуглеродистых сталях содержание углерода в 10—100 раз превышает содержание азота, доля азота в выделениях ниобия и ванадия значительно меньше, чем углерода.

Большинство авторов считают, что упрочняющее действие ниобия и ванадия в горячекатаной стали определяется главным образом дисперсионным упрочнением. Например, В. Моррисоном показано, что при удалении из стали углерода и азота ниобий оказывается совершенно неэффективным как упрочнитель.

По данным различных исследований, повышение прочности при добавке 0,01% Nb в малоуглеродистую полуспокойную сталь составляет от 3 до 8 кгс/мм2 по пределу текучести и 2—4 кгс/мм2 по временному сопротивлению при некотором снижении характеристик пластичности и увеличении отношения от/ов. В. Моррисон считает, что максимальный упрочняющий эффект при введении ниобия наблюдается при его содержании до 0,03%. В ряде работ отмечается, что упрочнение полуспокойной стали в результате малых добавок ниобия снижается при увеличении содержания углерода в ней. В одних работах установлено, что при повышении содержания марганца в горячекатаной стали эффект ниобия как упрочнителя снижается; в других показано, что увеличивается.

Ниобий оказывает отрицательное влияние на ударную вязкость и критическую температуру хрупкости горячекатаной стали. Наблюдается повышение критической температуры хрупкости спокойной и полуспокойной стали на 8—13 град на каждую 0,01% Nb в металле при микролегировании до 0,03%. Ряд авторов считают, что это является следствием отрицательного влияния дисперсионного упрочнения, которое не компенсируется положительным влиянием измельчения действительного зерна и связывания в прочные нитриды азота, находящегося в твердом растворе.

В работах отмечается, что для сохранения критической температуры хрупкости ниобийсодержащей стали на уровне базовой стали температура конца ее прокатки не должна превышать 900°С. Очевидно, невысокой температурой конца прокатки можно объяснить полученные в работах более низкие или такие же, как в базовых сталях, критические температуры хрупкости ниобийсодержащих полуспокойных и спокойных сталей с 0,07—0,1% С в листовом и фасонном прокате малых толщин.

Поскольку низкая температура конца прокатки может быть обеспечена не всегда, особенно для толстых профилей проката, то для обеспечения высокой хладостойкости стали с ниобием требуется ее нормализация.

Все авторы, рассматривающие влияние малых добавок ниобия на свойства полуспокойных нормализованных сталей, дают вполне согласующиеся данные в отношении более низкой критической температуры хрупкости этих сталей по сравнению с базовыми сталями в нормализованном состоянии. Это свойство нормализованной стали с ниобием, очевидно, обусловлено измельчением действительного зерна. Пo данным, нормализация полуспокойной стали с 0,03% Nb способствует измельчению зерна на 2 балла пo шкале ASTM или на 5—6 баллов по шкале стандарта 1510—61. В работе показано, что для нормализованной при 880— 900°С в течение 30 мин полуспокойной стали с 0,22%С, 1,1% Mn и 0,03% Nb критическая температура хрупкости была на 23 град ниже, чем в нормализованной базовой стали. По данным, для малоуглеродистых сталей с 0,045—0,075% Nb критическая температура хрупкости в результате нормализации оказалась на 50—60 град ниже, чем в аналогичных нормализованных сталях без ниобия.

В работе установлено, что 0,036% Nb почти вдвое уменьшает склонность к механическому старению полуспокойной стали с 0,11% С и 1,01% Mn в горячекатаном и нормализованном состояниях. Однако в работе отмечается, что ниобий до 0,1% мало влияет на склонность к механическому старению горячекатаной и нормализованной стали.

Нормализация стали с ниобием приводит к ее значительному разупрочнению и тем в большей степени, чем ниже температура нормализации. Временное сопротивление и пластичность нормализованной стали с ниобием практически такие же, а предел текучести на 2— 4 кгс/мм2 выше, чем для базовой стали в нормализованном состоянии.

В работе установлено, что ниобий в малых количествах способствует повышению усталостной прочности малоуглеродистой полуспокойной стали.

Исследованию роли ванадия в полуспокойных сталях посвящено значительно меньшее число работ, чем по ниобию. В работах исследовано влияние ванадия от 0,03 до 0,075% на механические свойства горячекатаной полуспокойной стали в листах толщиной 10—25,1 мм, содержащей 0,10—0,13% С, 0,81—1,13% Mn и 0,003—0,005%N. Установлено, что увеличение содержания ванадия на каждую 0,01% способствовало повышению предела текучести и временного сопротивления стали соответственно на 0,6—0,8 и 0,4—0,7 кгс/мм2; относительное удлинение при этом снижалось на 0,5—0,8%) (абс.). Г. Меллой, исследуя горячекатаную листовую (толщина 11 мм) полуспокойную сталь с более высокими, чем в работах, содержаниями углерода и марганца (0,17% С; 1,22% Mn; 0,04% Si; 0,004% N), установил, что упрочняющий эффект ванадия составил по пределу текучести 1,35 кгс/мм2, а но временному сопротивлению 0,75 кгс/мм2; при этом относительное удлинение снизилось на 0,66% (абс.).

Ванадий обусловливает меньший упрочняющий эффект в горячекатаной стали и оказывает примерно такое же влияние на измельчение зерна, как ниобий. Однако благодаря более высокому сродству к азоту, он может более эффективно выводить азот из раствора, связывая его в прочные нитриды. В связи с этим в малоуглеродистых полуспокойных сталях ванадий наряду с упрочнением может снижать их критическую температуру хрупкости в горячекатаном состоянии даже при обычных температурах конца прокатки. Однако имеющиеся в литературе данные о влиянии ванадия на хладостойкость полуспокойной, спокойной и кипящей сталей не позволяют сделать однозначные выводы по этому вопросу. Авторы считают, что горячекатаные полуспокойные стали с ванадием более вязки, чем обычные углеродистые, и могут быть сравнимы с некоторыми низколегированными спокойными сталями, так как дают в толстом прокате такое же сочетание прочности и ударной вязкости. В некоторых исследованиях отмечается незначительное повышение критической температуры хрупкости горячекатаных полуспокойных сталей при введении ванадия в количестве до 0,1%.

Нормализация полуспокойной стали с ванадием значительно снижает критическую температуру хрупкости при одновременном снижении ее прочностных свойств. По данным Г. Меллоя, прочностные характеристики нормализованной полуспокойной стали с ванадием определяются температурой нормализации. С ее повышением значения этих характеристик возрастают и при температуре 950°С (для стали с 0,18% С; 0,95% Mn и 0, 076% V) сохраняют уровень горячекатаной стали при более высоких показателях хладостойкости и пластичности. Авторы объясняют этот эффект температуры нормализации снятием дисперсионного упрочнения в результате коагуляции выделений при низких температурах нормализации (<815° С); растворением этих выделений в аустените и последующим дисперсионным твердением при охлаждении металла, если нормализация производится при более высоких температурах.

Исследованиями установлено, что температура конца прокатки мало влияет на эффект повышения свойств стали с 0,5% Mn при введении ванадия в количестве до 0,1%, однако для сталей с содержанием 1,0—1,5% Mn понижение температуры конца прокатки и увеличение скорости охлаждения повышают этот эффект.

Данных о влиянии ванадия на свойства полуспокойной стали после механического старения не имеется. Однако известно, что малые добавки ванадия резко замедляют процесс деформационного старения спокойной марганцовистой и кипящей малоуглеродистых сталей.

Малоуглеродистые стали с ванадием и ниобием характеризуются хорошей свариваемостью, так как оба элемента связывают углерод и азот в карбонитриды, которые препятствуют росту зерна, предотвращают закалку и образование трещин в зоне сварного шва.

Однако в работах указывается, что влияние ниобия на свариваемость малоуглеродистой стали является косвенным, так как вызвано возможностью обеспечения требуемой прочности стали при пониженном содержании углерода.

Азот как легирующий элемент в стали. Поскольку азот обладает сильным упрочняющим действием, то его использование для создания полуспокойных сталей повышенной прочности представляет значительный интерес.

К. Браун и Н. Чижевский впервые показали, что временное сопротивление, предел текучести и твердость повышаются, а относительное удлинение, сужение и ударная вязкость — снижаются с увеличением содержания азота в железе. Повышение содержания азота приводит к значительному повышению критической температуры хрупкости металла. Кроме того, он является причиной механического старения стали.

Наибольшее содержание азота (до 0,025%) наблюдалось в томасовской стали, поэтому прежде всего в томасовском производстве искали путей нейтрализации отрицательного влияния азота на свойства металла. Одним из таких путей является вывод азота из раствора путем связывания его элементами, имеющими повышенное сродство к нему. Е. Гудремон и X. Вистер установили, что увеличение содержания алюминия в стали оказывает благоприятное влияние на уменьшение склонности к старению и понижение критической температуры хрупкости. В дальнейшем для связывания азота использовали другие нитридообразующие элементы (титан, ванадий, хром, ниобий и др.).

В последнее время показано, что при одновременном введении марганца и азота в железо упрочняющий эффект как марганца, так и азота значительно возрастает. Наиболее полно это исследовано в работе, в которой для определения влияния содержания марганца от 0,55 до 1,6% на прочностные свойства использовали особо чистое железо со следами углерода и азота (<0,001% С; <0,0004% N). Оказалось, что упрочняющий эффект марганца составил 1,95 кгс/мм2 на 1% его содержания. При введении в железо азота он возрастал и в присутствии — 0,01 % N достиг 3,9 кгс/мм2.

Упрочняющий эффект азота (в расчете на 1%) в железе, не содержащем марганца и углерода (<0,002% Mn и 0,001% С) составил 232 кгс/мм2, а в присутствии марганца (1%) — около 350 кгс/мм2.

Различие между данными, полученными в этой работе и других, видимо, связано с тем, что прежние исследования проводили на металле, содержавшем углерод и марганец.

Взаимное усиление марганцем и азотом упрочняющего действия каждого из них создает благоприятные предпосылки для использования азота при производстве полуспокойной стали, содержание марганца в которой может быть значительным.

Наиболее эффективно азот может быть использован в полуспокойной стали при введении совместно с ванадием. В работах показано, что предел текучести горячекатаной полуспокойной марганцовистой стали, легированной ванадием и азотом, повысился в большей степени, чем можно было ожидать, исходя из данных, полученных при раздельном легировании этой стали азотом и ванадием в аналогичных количествах.

Возможность значительного упрочнения стали небольшими добавками ванадия и азота, а в ряде случаев — и ниобия, позволяет обеспечить необходимые прочностные свойства проката при значительном понижении содержания углерода, что способствует улучшению свариваемости стали. Это вызвало в последние годы большой интерес к так называемым малоперлитным сталям с низким (до 0,1%) содержанием углерода.

Авторы, рассмотрев вероятные механизмы упрочнения стали ванадием и азотом (увеличение количества перлита, измельчение зерна, упрочнение торможением дислокаций, упрочнение твердого раствора и дисперсионное твердение), пришли к выводу, что повышение прочности этой стали происходит в результате выделения чрезвычайно мелких пластинок нитрида ванадия вдоль поверхностей решетки феррита. Эти пластинки имеют диаметр 100—400 и толщину 20—90 А и когерентны с решеткой ферритной матрицы.

Значительное повышение прочностных свойств горячекатаной стали при легировании ванадием и азотом сопровождается повышением ее критической температуры хрупкости.

В работах показано, что на механические свойства главным образом на критическую температуру хрупкости марганцовованадиевоазотистой стали значительное влияние оказывает температура прокатки. Авторы, исследуя влияние условий прокатки на свойства мелкозернистой спокойной стали с 0,07% V и 0,016% N, показали, что при снижении температуры конца прокатки от 950 до 800—850°С критическая температура хрупкости понизилась на 15—20 град. В отличие от нитридов алюминия, которые растворяются в аустените лишь при высоких температурах (1000—1350° С) и выделяются с малой скоростью, нитриды ванадия имеют низкую температурную область растворения и выделяются из твердого раствора значительно быстрее. Поэтому при прокатке, которая обычно производится при температурах выше температуры растворения ванадия, или сварке такой стали обеспечивается полный переход нитридов ванадия в аустенит и выделение их в дисперсной форме при последующем охлаждении. По указанным причинам свойства марганцовованадиевоазотистых сталей практически не зависят от температуры нагрева под прокатку, чего нельзя сказать о марганцово-алюминиевоазотистых сталях.

Вследствие повышенной критической температуры хрупкости горячекатаных сталей, микролегированных ванадием и азотом, их рекомендуют применять в прокате толщиной до 10 мм. Для повышения хладостойкости эти стали необходимо нормализовать или подвергать термическому улучшению. Г. Меллой считает, что нормализация полуспокойной марганцовованадиевоазотистой стали приводит к измельчению зерна и понижению критической температуры хрупкости. После нормализации при 900° С полуспокойной стали с 0,17% С, 1,10% Mn, 0,095%V и 0,009% N ее предел текучести понизился на 5 кгс/мм2, а критическая температура хрупкости — на 60 град. Повышение температуры нормализации до 950° С привело к увеличению предела текучести до его уровня в горячекатаной стали. Критическая температура хрупкости при этом оказалась на 28 град ниже, чем для горячекатаной стали.

Изменение свойств стали, микролегированной ванадием и азотом, при повышении температуры нормализации объясняется изменением ее микроструктуры; при низкой температуре нормализации выделения нитридов коагулируют и теряют когерентность с матрицей, вследствие чего значительно снижается прочность и повышается ударная вязкость. При повышении температуры нормализации в структуре наряду с крупными выделениями появляются мелкодисперсные частицы. Это свидетельствует о том, что часть нитридов во время нормализации переходит в раствор и выделяется при охлаждении. Эти более дисперсные частицы и обусловливают увеличение прочности стали.

Отмечается, что стали с ванадием и азотом мало восприимчивы к механическому старению, потому что азот в них находится в связанном состоянии.

Имеются данные, что улучшение сталей, легированных ванадием совместно с азотом, значительно повышает их свойства. Так, в работе установлено, что улучшение малоперлитных сталей с 0,03—0,06% С, ~1,5% Mn, 0,04—0,14% V и 0,019—0,027% N приводит к повышению прочности (в 1,5 раза) и снижению критической температуры хрупкости (на 22 град).

Легированные совместными добавками азота и ванадия стали хорошо свариваются в широком диапазоне режимов сварки.

Благоприятное влияние совместных добавок ванадия и азота на свойства стали было использовано многими исследователями для получения высокопрочной стали повышенной хладостойкости в нормализованном состоянии. Эти стали гарантируют предел текучести не менее 40—45 кгс/мм2 и применяются до температур эксплуатации (-65)-(-90°С). Отмечается, что прочностные свойства этих сталей мало изменяются с повышением толщины проката до 100 мм.