Металлургия высокомарганцовистой стали
Гасик М.И. и др.
Киев, 1990 г.
ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СТАЛИ В ЛИТОМ И ТЕРМООБРАБОТАННОМ СОСТОЯНИЯХ
Прочностные и пластические свойства, а также износостойкость высокомарганцевой стали в значительной мере определяются ее химическим составом. Рассмотрим влияние некоторых химических элементов на свойства стали.
Углерод.
Исследования влияния углерода на механические свойства стали 110Г13Л показали, что с повышением в литой стали его содержания с 0,63 до 1,5 % (при прочих равных условиях) возрастают ее прочность и твердость, а пластические свойства резко (практически до нуля при 1,18 % С) снижаются,; в закаленном состоянии (Тиз.в = 1373 К, т — 4...8 ч) его влияние на механические характеристики металла заметно только при содержании С более 1,15 %. Так, стали с 0,84 и с 1,15 % С имеют примерно одинаковую ударную вязкость, равную — 2,5 МДж/м2 а при 1,58 % С - равную 0,50-0,60 МДж/м2 . Считают, что повышение на каждые 0,1 % сверх 1-1,15 % С уменьшает ударную вязкость стали на 0,40—0,42 Дж/м2, что примерно равноценно понижению температуры испытаний на 15—20 К- Наблюдаемую зависимость КСU = f(% С) объясняют ростом карбидных выделений и увеличением их количества, а также появлением дисперсных пластинчатых карбидов вдоль кристаллографических плоскостей . Чтобы получить чисто аустенитную структуру металла (без карбидов) в отливках, содержащих более 1,4 % С, необходима либо большая изотермическая выдержка при закалочной температуре, либо повышенная температура закалки по сравнению с отливками, содержащими 1 —1,3% С. Поскольку концентрация углерода в высокомарганцевой стали более 1,4 % близка к пределу его растворимости в аустените при 1373 К, при термической обработке стали 110Г13Л вероятность получения остаточных карбидов будет тем выше, чем больше углерода в металле. Наличие в структуре термообработанной стали остаточных карбидов приводит к значительному снижению эксплуатационных свойств отливок. Сталь с пониженным содержанием углерода (менее 1 %) характеризуется повышенной сминаемостью и малой износостойкостью. Крестовины, отлитые из металла, содержащего 1 % С, были сняты с эксплуатации до истечения их гарантийного срока из-за значительного (7—9 мм) износа рабочей поверхности .
Марганец.
Марганец также влияет на механические и эксплуатационные свойства отливок. Однако отношение к нему исследователей неоднозначно. По данным работы [15], металл, содержащий 13 % Мn, обладает повышенной способностью к упрочнению при малой степени деформации, тогда как в работе [121] утверждается, что изменение содержания Мn в пределах 9—15 % (при постоянном углероде) мало влияет на механические характеристики металла. В то же время в работе [132] указывается, что с увеличением его содержания в стали повышается ее износостойкость и улучшаются механические свойства. Для повышения пластичности и прочности необходимо, чтобы металл содержал 11—14 % Мn и 1,2 % С. Положительное влияние повышения содержания марганца на механические свойства стали 110Г13Л отмечается в работе [138]. Так, угол загиба закаленных образцов (8 х 12 X 180 мм) из металла, содержащего 7,3 % Мn, при увеличении содержания Мn до 14,2 % возрастает с 60 до 180 Существенное (в 1,6 раза) повышение ударной вязкости, а также хладостойкости и восприимчивости к поверхностному упрочнению наблюдаются и у железнодорожных крестовин, изготовленных из металла, содержащего 15 % Мn. Эти крестовины экономически выгодно эксплуатировать в районах Крайнего Севера на участках с большой интенсивностью движения. Дальнейшее увеличение содержания марганца в металле железнодорожных крестовин не приводит к улучшению эксплуатационных характеристик, но в то же время повышает стоимость готовой продукции.
Большое влияние на свойства отливок из высокомарганцевой стали оказывает соотношение марганца и углерода. Вопрос об оптимальном Мn/С в стали 110Г13Л также нельзя считать окончательно решенным. В частности, авторы работ [130; 132] утверждают, что износостойкость и ударная вязкость не зависят от Мn/С и, следовательно, оно должно быть меньше десяти. Сталь с Мn/С = 7,5...8,5 после соответствующей термической обработки значительно меньше содержит карбидов и не подвержена трещинообразованию [38]. Авторы работы [64] придерживаются мнения, что для получения высоких показателей механических свойств необходимо, чтобы Мn/С было больше десяти. Увеличение Мn/С благоприятно сказывается на стойкости зубьев экскаваторных ковшей при их работе на скальных грунтах. С ростом Мn/С улучшается ударная вязкость металла, повышается хладостойкость и восприимчивость к наклепу. При Мn/С> 10 уменьшается выход крестовин из эксплуатации по выколам и поломкам в хвостовой части. Поэтому в настоящее время на стрелочных заводах МПС СССР сталь 110Г13Л выплавляют с Мn/С > 10 (ГОСТ 7370-86).
Кремний.
О степени влияния кремния на свойства высокомарганцевой стали 110Г13Л в литературе кет единого мнения. По данным одних авторов [64] с повышением его содержания до 1 % характеристики металла повышаются, по данным других [381 — это количество; кремния практически не влияет на уровень механических и других характеристик стали. В то же время, согласно данным работ [130; 132], чем больше в металле кремния (в пределах требований ГОСТ 7370—86), тем ниже его износостойкость, ударная вязкость и выше брак по горячим трещинам (особенно при высоком содержании углерода). Это объясняется тем, что он существенно снижает растворимость углерода в марганцевом аустените, создавая тем самым условия для выпадания значительного количества карбидов при первичной кристаллизации [130; 132]. Для растворения их в аустените требуется более высокая температура нагрева отливок и более длительная изотермическая выдержка, что весьма осложняет процесс термической обработки высокомарганцевого литья и создает благоприятные условия для поверхностного обезуглероживания и его окисления по границам зерен. Поэтому содержание кремния встали 110Г13Л должно определяться только необходимостью обеспечения глубокого раскисления металла.
Фосфор.
Как установлено [38; 105; 130; 132], фосфор в значительной степени влияет на эксплуатационные свойства отливок из высокомарганцевой стали. Он является одним из важнейших регламентируемых ГОСТ 7370—86 примесных элементов, определяющих при прочих равных условиях, в конечном счете механические, служебные и металлургические свойства стали 110Г13Л, С повышением его содержания в металле от 0,021 до 0,168 % ударная вязкость стали уменьшается в 3,4 раза, относительное удлинение — в 3,6 раза, относительное сужение — почти в 2,7 раза, временное сопротивление разрушению —в 1,6 раза [4]. Отмечено [131; 132], что снижение содержания фосфора с 0,02 до 0,015 % более эффективно, чем с 0,065 до 0,028. У низкофосфористой стали (0,015 %) временное сопротивление разрыву в 2 раза, а относительное удлинение, ударная вязкость и износостойкость — в 2—3 раза больше, чем у металла обычного состава. Порог хладноломкости стали, содержащей 0,015 % Р, понижается до 153 К- Приуменьшении содержания фосфора в металле с 0,08—0,1 до 0,02—0,04 % аварийные поломки крестовин, ( изготовленных из этого металла, сокращаются в 2—-3 раза при одновременном повышении их износостойкости на 30—40 % [21] в работе [132] установлена зависимость трещиноустойчивости отливок от [% С] : [% Р]. Максимальная устойчивость отливок к образованию трещин достигается при [% С] — 1,27—2,7 [% Р]. В этой же работе показано, что в процессе термической обработки стали 110Г13Л фосфор снижает растворимость углерода в аустените, уменьшает его диффузионную подвижность, вследствие чего с ростом содержания фосфора повышается загрязненность металла остаточными карбидами. Также установлено, что повышение на каждые 0,01 % Р, равносильно снижению температуры испытаний на 10—12 К.
Примеси цветных металлов оказывают значительное влияние на свойства высокомарганцевой стали. Так, повышение содержания олова с 0,006 до 0,01 % приводит к снижению ударной вязкости в 1,3 раза, увеличение содержания висмута и свинца на 0,02 % снижает КСU соответственно на 0,5—0,6 МДж/м2 и 0,6—0,8 МДж/м2. Снижение механических характеристик стали 110Г13Л с повышением содержания примесей цветных металлов связывают с выделением хрупких пограничных фаз типа Мn4Рb2Fе, Мn3BiFe2, Мn5Sn и др.