Прокатываемость стали и сплавов

Раздел ГРНТИ: Прокатное производство
Ю.М. Чижиков
Металлургиздат, 1961 г.

Ссылка доступна только зарегистрированным пользователям.
Прокатываемость стали и сплавов

ПЛАСТИЧНОСТЬ КАК СВОЙСТВО

Факторы,   влияющие на пластические свойства
 При деформации в одинаковых условиях напряженного сос­тояния различные стали и сплавы могут обладать различной пластичностью. Это характеризует «природные» свойства стали и сплавов.
«Природные» пластические свойства определяются химичес­ким составом сплавов, влиянием отдельных химических элемен­тов, макро- и микроструктурой сплавов, наличием избыточных фаз, примесей и другими факторами.
Пластические свойства стали одной и той же марки, но раз­личных плавок, могут также сильно отличаться, что определяет­ся способом выплавки, раскисления и разливки и зависит даже от способа шихтовки.
«Природные» пластические свойства стали и сплавов не явля­ются неизменными. Их можно изменять в желательную для практики сторону, воздействуя на те факторы, .которые улуч­шают эти свойства.
Путем улучшения способа выплавки, раскисления и разлив­ки, изменения в возможных пределах химического состава ста­ли или сплава, устранения вредного влияния отдельных факто­ров, например примесей, и другими методами можно добиться существенного повышения «природных» пластических свойств стали и сплавов.
Известно очень много примеров весьма значительного повы­шения «природных» пластических свойств сплавов методами, указанными выше. Так, например, пластичность хромоникелевого сплава ЭИ437 была значительно увеличена [16], после того как удалось уменьшить содержание в нем примесей свинца. Это было достигнуто применением при выплавке особо чистых ших­товых материалов.
Природные пластические свойства сплава ЭИ437 вначале были пониженными, предел пластичности достигался при обжа­тиях, не превышавших 40%. После улучшения качества шихто­вых материалов и методов раскисления этот же сплав деформи­ровался с обжатиями, превышающими 70%, без нарушения сплошности.
Многим известно о пониженной пластичности нержавеющей стали 1Х18Н9Т в тех случаях, когда в ней имеется в значитель­ном количестве избыточная а-фаза. Пластичность этой стали резко повышается при правильном соотношении никеля и хрома, содержащихся в ней. Относительное повышение содержания ни­келя в стали приводит к уменьшению количества а-фазы и по­вышению пластических свойств стали.
Разительные результаты получились при освоении сплава хастеллой, в котором содержится около 65% Niи 30% Мо. При содержании в этом сплаве больше 1% Siон деформировался с большим трудом; только после того, как содержание кремния было снижено до 0,1—0,3%, этот сплав стало возможным нор­мально деформировать.
Влияние химического состава стали и сплавов на пластичность
Стали и сплавы содержат различное количество химических элементов, причем один или два элемента обычно являются ос­новными базовыми (углеродистые стали на основе железа, ни­келевые сплавы на основе никеля и др.).
Влияние каждого элемента в отдельности, а также несколь­ких элементов совместно, на способность сталей и сплавов к де­формации в процессе обработки давлением различно.
Во всех случаях, когда тот или иной элемент в каком-либо сплаве находится в твердом растворе с базовым элементом,, пластичность бинарного сплава определяется пластичностью ос­новного элемента. Так, например, все железоникелевые сплавы, судя по диаграмме состояния (рис. 73), образуют непрерывный ряд твердых растворов. По этой причине пластичность сплавов с любым соотношением железа и никеля будет всегда высокой, поскольку и железо, и никель обладают высокими пластически­ми свойствами.
Сказанное относится и к тройным сплавам, например Fe— Ni— Сr, если никель и хром находятся в твердом раство­ре железа, когда в сплавах преобладает железо, или если желе­зо и хром находятся в твердом растворе никеля, когда в спла­вах преобладает никель.
Тройные сплавы Fe— Ni— Сr образуют твердые растворы, когда содержание хрома не превышает примерно 8%. Поэтому все сплавы с таким содержанием никеля и хрома будут обладать пластичностью, не отличающейся от пластичности чистого же­леза. Все это в равной мере относится к сплавам с любым чис­лом компонентов. Во всех случаях, когда будет деформировать­ся чистый твердый раствор, пластичность сплава будет прибли­жаться к пластичности базового элемента.
Все сказанное, однако, справедливо для случаев, когда спла­вы, кроме элементов, образующих твердый раствор, не содер­жат других элементов. Практически этого почти не бывает. В действительности, помимо основных элементов, все стали и сплавы содержат ряд других элементов, являющихся либо не­обходимыми в связи с назначением стали (сплава), либо сопутствующими другим элементам при их получении или при произ­водстве стали или сплава. Эти сопутствующие элементы обычно рассматриваются как примеси.
Элементы, входящие в состав стали и не находящиеся пол­ностью или частично в твердом растворе, образуют избыточные, фазы различного состава, которые располагаются в массе ме­талла в виде включений, прослоек и пленок внутри и по границам зерен.
К таким элементам относятся все кабидообразующие, ферритообразующие, образующие интерметаллиды, а также сера, образующая с металлами сульфиды и сернистые эвтектики, алюминий, образующий окислы, кремний, дающий силициды, свинец, олово и другие. Избыточные фазы внутри твердого раствора в очень сильной степени сказываются на пластических свойствах твердого раствора, а следовательно, и сплава или стали в целом.
 
Влияние отдельных элементов на пластичность
Железо. Химически чистое железо обладает наивысшей пластичностью. Технически чистое железо, к которому можно отнести, например, армко-железо, такого свойства не имеет. На рис. 74 приведена диаграмма пластичности литого армко-железа. Здесь можно видеть, что при температурах около 1000° плас­тичность железа сильно понижена; она увеличивается .при тем­пературе ниже и выше 1000°.
Углерод. При содержании углерода до 1,7% в стали, нагретой до температур не ниже 1050°, он входит в твердый раствор с железом, образуя аустенит. Пластичность углеродистых сталей, содержащих до 1,7% С, деформируемых в соответствующем ин­тервале температур, высокая, приближающаяся к пластичности железа.
Из практики известно, что литая углеродистая сталь с содержанием 1,4% С хорошо подвергается ковке и прокатке. С увеличением содержания углерода в стали свыше 1,4% пластич­ность ее снижается в связи с выделением свободного цементита, а затем и ледебурита. По диаграмме состояния железо — угле­род можно видеть, что углеродистые стали с содержанием уг­лерода от 1,4 до 1,7% находятся в состоянии твердого раствора аустенита при очень малом интервале температур, а сталь с со­держанием 1,7% С и выше содержит не только аустенит, но и ледебурит с цементитом. Поэтому удовлетворительной пластич­ностью эти стали обладают только в этом малом интервале температур, а пластичность стали при содержании свыше 1,7% С (чугунов) будет определяться влиянием цементита и ледебу­рита. Автору [17] известны случаи ковки слитков весом 200 кгиз стали, содержавшей около 2,0% С; 0,35% Si, 0,35% Мп, 0,015% Sи 0,03% Р. Ковка слитков производилась при темпера­туре 1000°. Заготовка сечением 100 X 100 ммзатем подверга­лась прокатке в обычных условиях. При более высоком содер­жании углерода горячая обработка давлением чугунов возмож­на лишь в особых условиях.
Марганец. По данным В. М. Савицкого [18], марганец пла­стичен только в состоянии уфазы, а-марганец непластичен.
Аустенитные марганцовистые стали из-за низкой теплопро­водности и большого коэффициента расширения обладают по­вышенной чувствительностью к скорости нагрева. Очень быст­рый нагрев крупных сечений высокомарганцовистых сталей мо­жет привести к образованию внутренних трещин. Марганцовис­тые стали склонны к перегреву, поэтому необходимо строго со­блюдать температурный режим и продолжительность их нагре­ва. При несоблюдении этих условий возможно образование рва­нин при деформации.
Марганец улучшает пластические свойства углеродистой ста­ли, так как он связывает серу в стали в виде сульфидов марган­ца, которые не располагаются по границам зерен в виде эвтекти­ческой сетки, как например сульфиды железа. Сульфиды мар­ганца не образуют непрерывной сетки, и поэтому вредное влия­ние серы уменьшается.
Никель. Чистый никель обладает высокими пластическими свойствами. Из рис. 75 можно видеть, что предел пластичности от 0,45 и при температуре 900° повышается до 0,85 и при 1250°. Некоторые примеси сильно сказываются на пластичности нике­ля. К таким примесям в первую очередь относится сера, которая с никелем образует низкоплавкие сульфиды N1S.
Резко ухудшают пластичность никеля примеси кремния. По данным А. А. Цейдлера [19], уже при содержании 0,3% Siни­кель становится красноломким. Никель в сталях способствует поглощению газов металлом в процессе плавки, в особенности водорода. Избыточное количество растворенного в стали водо­рода вызывает образование в слитках газовых пузырей, а в слу­чае крупнозернистое первичной структуры — трещин по гра­ницам зерен. В противоположность марганцу, никель способ­ствует образованию сульфидов в виде пленки по границам зе­рен. Поэтому повышенное количество серы в никельсодержаших сталях может привести к красноломкости при ковке и прокатке.
На высоконикелевые стали неблагоприятно действует сера, со­держащаяся в печных газах. Образующиеся сульфиды прони­кают в сталь по границам зерен, что приводит к красноломкости поверхностного слоя. Красноломкость поверхностного слоя мо­жет быть результатом и местного обогащения поверхности никелем, что обычно происходит при сильном окислении железа. В   железоникелевых   сплавах никель при любых содержани­ях пластичность железа не ухудшает.
Хром.    Технический   хром является    хрупким   материа­лом. Объясняют эту хрупкость наличием   в   хроме   вредных примесей в виде окислов и нитридов,     располагающихся по границам зерен и снижаю­щих      межзеренную      проч­ность [18].   В   связи с этим большая   или   меньшая хруп­кость   хрома зависит в значи­тельной мере   от   способа его изготовления. Отмечается, что по   своему   кристаллическому строению,   подобному а-железу, хром должен быть пластич­ным металлом. Хром является ферритообразующим    элемен­том. В ряде аустенитных спла­вов при некоторых содержани­ях хрома образуется избыточ­ная ферритная   а-фаза,   кото­рая при определенных услови­ях снижает пластичность   сплавов.   Высокохромистые   сплавы ферритного класса обладают большой склонностью к росту зер­на при рекристаллизации.   Чтобы получить нужную структуру, деформацию необходимо осуществлять в строго заданном тем­пературном интервале.
Благодаря тому что ферритные стали обладают большой скоростью рекристаллизации, хром как ферритообразующий элемент снижает сопротивление сплавов деформации.
Вольфрам. Технически чистый вольфрам является пластич­ным металлом.
Вольфрам — карбидообразующий элемент. Количество кар­бидов в стали и сплавах, содержащих вольфрам, увеличивается по мере увеличения содержания вольфрама в них. При доста­точном содержании углерода образуются и ледебуритные кар­биды, которые при нагреве не переходят в твердый раствор; эти карбиды измельчаются в процессе деформации. Избыточные кар­биды препятствуют росту зерен при рекристаллизации и затруд­няют протекание сдвиговых процессов. То и другое обусловли­вает повышенное сопротивление деформации стали и сплавов, содержащих вольфрам.
Ванадий в стали способствует уменьшению величины зерна. Он задерживает рост зерна в период рекристаллизации при вы­соких температурах.
Кобальт. Литой кобальт обладает хорошей пластичностью при температурах выше 800° [20]. Пластичность увеличивается при добавке небольшого количества углерода.
С серой кобальт образует сульфиды, подобные никелевым [21].
Кобальт является элементом, повышающим пластичность ря­да высоколегированных сплавов. В железокобальтовых сплавах кобальт применяется в любых количествах, доходящих до 90%. Пластичность таких сплавов высокая; она обусловлена тем, что кобальт, как и никель, образует с железом непрерывный ряд твердых растворов.
Представление о пластичности кобальтовых сплавов дает ди­аграмма, приведенная на рис. 66. Она характеризует зависи­мость предела пластичности сплава ковар, полученную методом прокатки на клин. Здесь можно видеть, что пластичность сплава увеличивается с повышением температуры.
Молибден, как и никель, образует с серой такие сульфиды, эвтектика которых располагается по границам зерен в виде обо­лочки. Это свойство молибдена особенно опасно при изготовле­нии крупных поковок, в центре которых, благодаря ликвидации серы, могут в первую очередь образоваться сульфидные пленки по границам зерен. При деформации по этим ослабленным гра­ницам зерен могут образовываться внутренние трещины.
Молибден обладает способностью в результате диффузии при нагреве накапливаться под слоем окалины. Такое обогаще­ние молибденом поверхностных слоев, особенно при наличии серы в печных газах, может привести к поверхностной красно­ломкости металла [18]. Особенно это заметно при прокатке труб, когда в металле образуются высокие напряжения, связанные с деформацией металла. Молибден в хромистых и хромоникелевых сталях снижает критические точки; стали становятся воздушнозакаливающимися и поэтому предрасположены к образо­ванию трещин при быстром охлаждении.
При горячей деформации молибденовых сталей можно на­блюдать выделение бурого дыма с поверхности металла. Этот дым представляет собой окисел молибдена — МоОз. При сравнительно низких содержаниях молибдена в стали выделение Мо03 в виде дыма указывает на обогащение поверхностного слоя молибденом. Молибденовые стали, содержащие до 15% Мо, обладают повышенным сопротивлением деформации.
Помимо углеродистых сталей, содержащих молибден, при­меняются молибденовые сплавы на никелевой основе. Содержа­ние молибдена в этих сплавах доходит до 35%.
На рис. 76 приведена диаграмма пластичности никельмолибденового сплава, содержащего 78,5% Ni, 3,2% Mo, 0,85% Мn, 0,48% Si, 0,05% С. Здесь можно видеть, что пластичность этого сплава, известного под названием «молибденовый пермаллой», обладающий специальными магнитными свойствами, увеличива­ется с повышением температуры. При температуре 1250° предел пластичности сплава превышает 0,65 и.
Влияние молибдена на ковкость никельмолибденовых спла­вов, содержащих свыше 15% молибдена, установили при прове­дении исследования, описанного ниже.
Алюминий — высокопластичный металл. В чистом виде он может подвергаться холодной и горячей деформации, превышаю­щей 96% за проход. Алюминий применяется как раскислитель и как легирующий элемент. В. А. Ефимов [22] методом прокатки на клин провел исследование влияния раскисления топочной стали ЗТ алюминием на предел пластичности. На рис. 82 приведена кривая, показываю­щая зависимость предела пластичности стали от количества алюминия, присаживаемого в ковш. Здесь можно видеть, что при определенных количествах алюминия, в данном случае 800 г/т, наблюдается провал пластич­ности. При повышении коли­чества вводимого в ковш алю­миния пластичность значи­тельно увеличивается. Как ле­гирующий элемент, алюминий применяется в различных ста­лях со специальными свойст­вами.
Хромоалюминиевые спла­вы с высоким содержанием алюминия обладают низкой пластичностью в холодном со­стоянии. Слитки этой стали при охлаждении после разлив­ки склонны к образованию межкристаллических трещин. При деформации изгибом в холодном состоянии нередко происходит хрупкое разруше­ние даже крупных заготовок при незначительных нагрузках.
Цирконий. Чистый цирконий может подвергаться ковке, про­катке, прессованию и волочению [23]. Горячая ковка и прокатка циркония производятся в интервале температур 850—650°.
Цирконий в ряде случаев улучшает пластичность сталей и сплавов. На рис. 83 показаны два образца автоматной углероди­стой стали, содержащей 0,2% серы и 0,1% марганца. При вы­плавке металл первого образца раскисляли цирконием (0,25%), металл другого цирконием не раскисляли. При прокатке первый из них (рис. 83, а) показал высокую пластичность, другой развалился. Красноломкость второго образца объясняется тем, что при высоком содержании серы он имел только 0,1% Мп. Во втором случае свободная сера была связана в сульфиды цирко­ния, которые обладают такими же свойствами, как и сульфиды марганца.
Важно отметить, что повышение пластических свойств при раскислении металла цирконием имело место при содержании его в металле в малом количестве — 0,25%.
Уран. Уран деформируется без особых трудностей (с точки зрения пластичности) в условиях ковки и прокатки. Деформация
Медь. Чистая медь обладает высокими пластическими свой­ствами. Чтобы не ухудшить эти свойства, необходимо, однако, соблюдать определенные условия при нагреве меди перед горя­чей деформацией. Нагрев меди следует производить только в окислительной атмосфере. При нагреве в восстановительной ат­мосфере медь становится красноломкой. Объясняется это тем, что при высоких температурах (800—950°) водород, окись угле­рода и метан, которые входят в состав восстановительной ат­мосферы, восстанавливают закись меди, содержащую­ся в небольших количествах в красной меди.
Медь, которая находится в стали или сплавах не в твердом растворе, влияет на их пластичность, ухудшая ее. К. Борн [13Jуказывает на два механизма снижения пластиче­ских свойств стали в связи с содержанием в ней меди. По перво­му из них, который можно характеризовать как «белоломкость», нарушение сплошности происходит при интенсивной деформации медесодержащих сталей при температурах выше температуры плавления меди (1090°). В этом случае жидкая медь проникает к границам зерен аустенита и ослабляет их, что в конечном ито­ге приводит к образованию рванин и трещин. Другой из них свя­зан с повышенной чувствительностью медесодержащих сталей и сплавов к газовой атмосфере в нагревательных печах. При на­греве в окислительной атмосфере происходит выделение стуктурно свободной меди и обогащение ею поверхностных слоев ме­талла. Медь проникает к границам зерен, нарушает их связь между собой, чем ослабляет прочность поверхностного слоя. При деформации на поверхности образуются трещины большей или меньшей глубины, что зависит от степени обогащения поверхно­стного слоя медью. Важной особенностью этого вида нарушения сплошности в связи с наличием в металле меди является то, что оно происходит в интервале температур 900—1100°, т. е. при температурах ниже температуры плавления меди [25].
Мышьяк. В литературе [28] имеется указание, что рельсовая сталь, содержащая до 0,15%' мышьяка, имеет вполне удовлетво­рительные качественные характеристики.
При горячей обработке мышьяк при определенных условиях приводит к поверхностной красноломкости металла.
Как показывает М. П. Сидельковокий [29], это является ре­зультатом нагрева стали, содержащей мышьяк, вокислительной атмосфере достаточно длительное время при высокихтемпера­турах. В этих условиях в поверхностном слое, по границам аустенитных зерен, происходит концентрация мышьяка, содер­жание которого увеличивается до 10% и образуется соедине­ние Fe2As, которое с твердым раствором мышьяка в железе об­разует эвтектику с температурой плавления около 830°.
При деформации таким образом нагретого мышьяковистого металла на его поверхности образуются мельчайшие надрывы в виде чешуи. Такая поверхностная красноломкость обнаруживает­ся уже при содержании около 0,040% мышьяка. Как было уста­новлено опытом, при правильном технологическом режиме, глав­ным образом при нагреве перед деформацией, можно создать условия, исключающие ухудшение качества поверхности стали, содержащей мышьяк.
Олово также вызывает красноломкость поверхностного слоя. На рис. 91 показана поверхность заготовки, прокатанной на блюминге из стали SAE52100, содержащей 0,15% олова. По­верхностный слой оказался весь в рванинах, характерных для красноломкого металла.
Установлено, что допустимое содержание олова в стали дол­жно быть не больше 0,05% [25].
Свинец, как и олово, в большинстве металлов растворяется в крайне незначительных количествах.
То количество свинца и олова, которое не находится втвер­дом растворе, располагается по границам зерен, ослабляя связь между иими тем больше, чем больше их содержание. Допусти­мое содержание этих примесей определяется их способностью растворяться в металле данного состава. Так, при горячей про­катке латуни Л68 установлено [30], что только при содержании свинца меньше 0,03% пластичность латуни хорошая, При со­держании в латуни Л 68 свинца более 0,03% во время прокатки
Такиепримеси, как свинец, обладающий большим удельным весом,могут неравномерно распределяться по объему металла, что может привести к образованию отдельных рванин в местах наибольшего его скопления.
Сурьма. Влияние сурьмы на пластичность определяли для углеродистой стали с содержанием углерода 0,17% и меди от 0,27 до 0,34%.
Сталь отливали в слитки диаметром 76 мм, которые подвер­гали ковке. Было установлено, что при содержании сурьмы до 0,7% пластичность стали хорошая; при более высоком содержа­нии сурьмы сталь становится красноломкой.
В условиях горячей прокатки стали, содержавшие меньше 0,55% Sb, деформировались хорошо. При 0,59 и 0,69% Sbгоря­чая прокатка еще была возможна, но требовалась более высокая температура нагрева [33].
В сплавах типа ХН80Т добавка до 0,02% сурьмы не ухуд­шает пластичности сплава при высоких температурах [16]. Улуч­шение пластичности стали, содержащей сурьму, с повышением температуры свыше 900° объясняется тем, что растворимость сурьмы .в твердом растворе с повышением температуры увели­чивается.
Фосфор сильно влияет на способность стали к холодной де­формации, которая с повышением содержания фосфора сильно уменьшается (хладноломкость). На способность к горячей де­формации фосфор влияет незначительно.
При исследовании влияния фосфора в хромомолибденовой стали (0,1% С; 5,0% Сг; 0,5% Мо) установили [34], что при содержании в ней 0,02; 0,12; 0,20; 0,46 и 1,0% фосфора она обладает одинаковой пластичностью. Было замечено; что слитки с большим содержанием фосфора обладают меньшим сопротивлением деформации (температура ковки 1150—1180°). То об­стоятельство, что фосфор не ухудшает пластичности углероди­стой стали, объясняется тем, что при всех температурах фосфор до 1—1,5% находится в твердом растворе железа.
Кремний в чистом виде непластичен. В сталях и сплавах, где
кремний находится в твердом растворе, он на прокатываемость практически не влияет. Так, например, трансформаторная сталь при содержании в ней до 3% кремния обладает высокой прокатываемостью. При большем содержании кремния пластичность стали снижается.
М. В. Приданцев и Г. В. Эстулин [16] наблюдали ухудшение пластичности сплавов типа ХН80Т, когда содержание кремния в них превышало 0,7—0,8%. Имеется мнение, что кремний сам по себе пластических свойств металла не определяет. Это доказывается тем, что низкие и высокие пластические свойства металла можно получить при различном содержании кремния.
Причину плохой пластичности ряда, промышленных сталей при высоких температурах М. И. Виноград [35] объясняет тем, что при выплавке в металле образовываются стекловидные плен­ки окислов, которые при температуре выше 1000° размягчаются, что приводит к красноломкости.
Одним из основных источников образования стекловидных пленок является моноокись кремния SiO, которая в отличие от двуокиси — кремнезема Si02 растворяется в жидком металле.,
Насыщение жидкого металла окисью кремния возможно по различным причинам. Образующаяся в процессе выплавки окись кремния частично растворяется в жидком металле, а частично при кристаллизации образует легкоплавную стекловидную фа­зу в дисперсном виде. Эта стекловидная фаза, как уже указы­валось, и является причиной красноломкости. Если, как указы­вает М. И. Виноград, при выплавке происходит реакция
3Si02 + 4А1 = 3Si+ 2А1203,
то металл будет насыщаться кремнием без ухудшения пластиче­ских свойств металла. Если же количественное соотношение эле­ментов и температура процесса будут способствовать протека­нию реакции, то пластические свойства металла могут ухудшиться в связи с образованием SiOи стекловидной фазы.