Дефекты слитков легированных сталей и выбор оптимальных условий разливки

Охримович Б.П., Гуревич Ю.Г., Петров Д.К.

Челябинск: Южно-Уральское книжное издательство, 1967 г.

КОРОЧКИ В МАКРОСТРУКТУРЕ СЛИТКОВ И ЗАГОТОВОК

При контроле макроструктуры слитков и заготовок легированных и углеродистых спокойных марок стали часто обнаруживали дефект, известный под общим названием «корочка». Дефектный участок металла отличается от здорового одним, либо одновременно несколькими признаками: кристаллическим строением, химическим составом, повышенной загрязненностью неметаллическими и газовыми включениями и т. п. Естественно, что заготовка с такого рода дефектами не может быть использована для изготовления изделий.

Корочка в макроструктуре слитка представляет значительно большую опасность, чем дефекты поверхности, так как имеет случайное расположение в слитке и ее значительно труднее обнаружить при обычном выборочном макроконтроле методом глубокого травления. Вследствие этого дефектные заготовки иногда проникают к потребителю и приводят к забракованию готовых изделий. Наиболее надежным методом выявления таких дефектов в макроструктуре прокатанного металла является ультразвуковой. Однако в связи с большой трудоемкостью и высокой стоимостью этот метод в практике металлургических заводов применяется лишь в ограниченном объеме для контроля металла наиболее ответственного назначения.

В связи с вышеизложенным, понятно то большое внимание, которое уделяется металлургами изучению природы дефекта «корочка» и изысканию эффективных способов его устранения. В настоящее время многочисленными исследованиями выявлено несколько разновидностей дефекта, отличающихся друг от друга механизмом своего образования. Непосредственной причиной возникновения некоторых из них, как это будет показано ниже, является корочка, образующаяся на поверхности жидкого металла в изложнице при разливке.

Строение и механизм образования окисной плены и корочки на поверхности жидкого металла в изложнице

В процессе разливки на поверхности жидкого металла в изложнице или уже непосредственно в прибыли возникает плена окислов, снизу у которой нарастает слой металла и образуется более или менее грубая корочка, достигающая толщины 5—25 мм.

Детальное исследование процесса пленообразова ния на открытой поверхности жидкой стали было выполнена В. Г. Грузиным [19]. Он отмечает, что образование плен определяется главным образом химическим составом стали, температурой разливаемого металла и составом газовой фазы над его поверхностью. При высоких температурах, когда давление диссоциации окислов компонентов жидкого сплава превышает парциальное давление кислорода в газовой фазе, окисная плена на поверхности сплава не образуется. При понижении температуры металла, когда достигается равенство парциального давления кислорода и давления диссоциации окислов, возникают условия существования окисной плены.

Путем непосредственных наблюдений, выполненных с помощью специально сконструированного пле- носкопа, В. Г. Грузиным было установлено, что у большинства легированных сталей и сплавов при достижении температуры пленообразования окисная плена на поверхности жидкого металла возникает практически мгновенно, а у малоуглеродистой стали ее образование происходит во времени в некотором интервале температур.

Весьма большое влияние на пленообразование оказывают содержащиеся в стали химические элементы, обладающие большим сродством к кислороду: алюминий, титан, хром и кремний. Например, при повышении содержания хрома в малоуглеродистой стали от 0 до 15% температура начала пленообразования увеличивается от 1620 до 1750°С. Сталь, легированная алюминием, даже при очень высокой температуре имеет на поверхности плотную непрерывную плену.· Одновременное присутствие в стали хрома и титана резко увеличивает ее склонность к пленообразованию.

Температура начала пленообразования на углеродистой стали около 1530°С, причем плена возникает очень тонкая и жидкоподвижная. Никель, кобальт и молибден почти не окисляются и понижают склонность стали к пленообразованию. В табл. 13 приведены результаты спектрального, химического, рентгеноструктурного и петрографического анализов пленок, снятых с открытой поверхности жидкой стали марки 15Л и сплава 10Х15Н15КЗТЛ (0,1% С; 15% Cr; 15% Ni; 3% Co; 2% Mo; 1% W). Из таблицы видно, что пленки состоят в основном из окислов хрома, кремния, титана, железа и марганца.

Таким образом, уменьшить пленообразование на сталях, легированных легко окисляющимися элементами, можно, лишь создав восстановительную или нейтральную атмосферу.

По мере остывания металла коэффициент черноты пленки возрастает почти в два раза (до величины, близкой к единице), и суммарное излучение поверхности металла резко увеличивается. В результате этого охлаждение поверхности металла происходит ускоренно по отношению ко всей массе жидкого металла, и под пленой начинает быстро нарастать слой кристаллов, т. е. образуется корочка той или иной толщины.

При обычной разливке спокойной стали корочка часто образуется еще в процессе наполнения изложницы, а при разливке по режиму с «чистым зеркалом» она возникает, как правило, уже непосредственно б прибыли, когда значительно снижается скорость разливки, циркуляция металла и увеличивается конвективный отвод тепла с открытой поверхности.

Исследованию корочек, образующихся при разливке стали марок 1Х18Н9Т, 60ХНМ, 13Х14НВФРА, ШХ15 и 18Х2Н4ВА, был посвящен ряд работ. [20—23]. Однако эти исследования не были достаточно полными и охватывали весьма ограниченный круг марок стали.

Позже, с целью уточнения механизма образования ряда дефектов поверхности и макроструктуры слитков, связанных с разливкой стали, было проведено систематизированное исследование около 50 корочек, образовавшихся на поверхности жидкого металла при сифонной разливке в слитки 2,7—4,6 Ma (т) стали широкого марочного сортамента.

Корочки извлекались из прибыльной части слитка перед засыпкой люнкеритом. Химический состав металла определяли из верхней и нижней частей корочки и сравнивали с маркировочным анализом. Результаты анализа показали, что содержание, марганца, хрома, никеля, молибдена, вольфрама, серы и фосфора в корочках близко к марочному анализу и какой- либо закономерности в отдельных отклонениях не наблюдается. Содержание углерода, титана и азота в корочках некоторых сталей значительно отличается от марочного анализа (табл. 14). Так, в корочке стали 1Х18Н10Т содержание углерода повышено по сравнению с металлом слитка, а у высокоуглеродистых сталей ШХ15 и У8А более низкое. Такая особенность связана, по-видимому, с наличием большого количества карбонитридов титана в корочке стали 1Х18Н10Т. Понижение содержания углерода у высокоуглеродистых сталей может быть объяснено процессами окисления углерода, происходящими в корочке в большей степени, чем в малоуглеродистом или легированном металле.

Содержание титана в корочках сталей, легированных титаном (1Х18Н10Т, Х25Т, 1Х21Н5Т, ЗОХГТ), в два-три раза, а азота в пять-десять раз выше, чем в основном металле. Наиболее высокое содержание титана и азота, наблюдавшееся в нижней части корочки, подтверждает данные, полученные ранее [20].

На механизм попадания азота (нитридов) в окисные плены и корочки имеются различные взгляды.

Так, Ю. А. Шульте [23] считает, что стали, содержащие нитридообразующие элементы, при контакте с воздухом в значительной степени загрязняются нитридными включениями. Ассоциации нитридных и оксидных включений с еще большей скоростью, чем одни оксиды, образуют грубые поверхностные плены.