Поведение неметаллических включений в стали при кристаллизации и деформации

Шпис Х.И.
Металлургия, 1971 г.

Ссылка доступна только зарегистрированным пользователям.
Шпис Х.И. Поведение неметаллических включений в стали при кристаллизации и дефор
Глава V      ВЛИЯНИЕ  ГОРЯЧЕЙ ДЕФОРМАЦИИ НА СТЕПЕНЬ ЧИСТОТЫ СТАЛИ
 
ВЛИЯНИЕ ГОРЯЧЕЙ ДЕФОРМАЦИИ НА ВЕЛИЧИНУ И ФОРМУ ВКЛЮЧЕНИЙ
 
В принципе известно, что на величину, форму и распре­деление включений в стали большое влияние оказывает горячая деформация. Первые подробные исследования этой проблемы были выполнены Р. Шайлом и Е. Шнеллом еще в 30-х годах. Они исследовали деформируемость неметаллических включений в стали при сильной осадке цилиндрических образцов. В этих исследованиях было установлено, что деформируемость сульфидных включе­ний практически не зависит от температуры деформации; при всех температурах деформации стали сульфидные включения пластичны. В противоположность этому де­формируемость оксидных включений сильно зависит от их состава и температуры деформации стали. Внутри определенной температурной области, характерной для каждого типа включений, оксидные включения не деформируются, а хрупко разрушаются при высокой степени деформации. Было установлено, что температура начала деформации включений в значительной степени зависит от содержания в них кремнезема. Высококремнеземистые включения при обычных температурах деформации ста­ли не деформируются. Результаты исследования Р. Шайтмла и Е. Шнелла впоследствии были подтверждены в ря­де других работ [89, 109—113].
Поведение включений при деформации определяется главным образом температурой начала их размягчения. Это весьма наглядно иллюстрируется сравнением резуль­татов, полученных М. Вальстером и Р. Фельдгаузом [89], о деформируемости оксидных включений с данными М. Гёлера [108] о температуре размягчения шлака систе­мы МпО—SiO2—А12O3 (рис. 30 и 31). При этом можно предположить, что данные о температурах начала раз­мягчения шлака системы MnO -SiO2 - Al2O3, установлен­ные М. Гёлером, можно перенести на шлак системы MeO- SiO2 — Al2Ο3 при условии незначительного содер­жания МеО. При анализе представленных рисунков сле­дует принять во внимание то, что стрелками на диаграм­ме (см. рис. 30) помечены хорошо и очень легко дефор­мируемые фазы сложных включений. Температура раз­мягчения легко деформируемых включений составляет 1000—1150° С. Включения с высоким содержанием крем­незема, а также высокоглиноземистые включения при температурах горячей деформации стали не изменяют своей формы. Только крупные непластичные включения могут при высоких степенях деформации металла хрупко разрушаться. По данным К. Н. Мюллера и Е. Плеккингера [109], высокоглиноземистые включения при горячей деформации не разрушаются. Как установлено Плеккингером и В. Кохом, при комплексном раскислении стали кремнием, марганцем и алюминием с повышенным ко­личеством последнего в металле очень часто образуются глобулярные многофазные включения. Высокоглинозе­мистые кристаллические вкрапления внутри включений при ковке не изменяют своей формы, в то время как стеклообразная часть включений вытягивается в тонкие нити. Подобная неоднородная деформируемость включе­ний наблюдалась Е. Плеккингером и А. Рандаком [НО], а также М. Вальстером и Ф. Фельдгаузом [89] при рас­кислении стали сплавами кальций — кремний — алюми­ний. Аналогичным образом ведут себя при деформации, как это установлено К. Ф. Людеменном и X. И. Экштайном, гетерогенные оксисульфидные включения. В зави­симости от температуры деформации стали и состава оксидная часть включения может также деформировать­ся [114].
Несомненно, более надежные данные о поведении от­дельных типов включений могут быть получены при бо­лее широком применении электронного микроанализа включений.
Механизм деформации включений объясняется Ф. Б. Пиккерином [111] возникновением силы трения на границе раздела сталь — включение. В то время как крупные включения при понижении температуры дефор­мации теряют свои пластические свойства и хрупко раз­рушаются [111, 114], оксидные включения железа, как это установлено Ф. Б. Пиккерином, повышают свою пластичность при снижении температуры горячей дефор­мации стали. Он считает, что причину этого явления сле­дует искать в увеличении силы трения на границе вклю­чение— металл при понижении температуры деформа­ции стали. Увеличение пластичности включений с уве­личением их размера, особенно отчетливо наблюдаемое для труднодеформируемых включений, объясняется так­же этим [114].
По данным Л. X. Влака с сотрудниками [115], повы­шенная деформируемость сульфидных включений в ав­томатных сталях обусловливается существованием во­круг включений при температурах горячей деформации стали жидкого граничного слоя из легкоплавких сульфо-окисно-силикатных соединений. Гидростатическое всесто­роннее сжатие более благоприятствует деформации включений, чем простое сжимающее напряжение.
О температурной зависимости деформируемости суль­фидных включений нет единого мнения. Р. Шайл и Е. Шнелл не смогли установить температурную зависи­мость этих включений: даже при деформации стали при комнатной температуре не наблюдалось разрушения сульфидных включений. В противоположность этому Симе [116] установил, что при холодной деформации ста­ли сульфидные включения хрупко разрушаются. Иссле­дованиями Л. Е. Вуда и Л. X. Влака [117] снова была подтверждена возможность незначительной деформации сульфидных включений при комнатной температуре.
 
ВЛИЯНИЕ ГОРЯЧЕЙ ДЕФОРМАЦИИ НА СТЕПЕНЬ ЧИСТОТЫ СТАЛИ
Имеющиеся данные о поведении определенных типов включений при деформации только косвенно указывают на возможность изменения степени чистоты стали при ее горячей деформации. При этом в технической литерату­ре имеется сравнительно мало данных о количественных исследованиях изменения степени чистоты стали при де­формации.
Е. Маурер и Р. Шустек [7] в связи с исследованием поведения неметаллических включений в легированной цементируемой стали установили влияние степени де­формации на макроскопическую степень чистоты. Коли­чество волосовин и индекс макроструктуры *, определен­ные методом магнитоскопии на ступенчатых образцах, сильно зависят от степени деформации (см. рис. 2). При определенном критическом размере проката (для усло­вий эксперимента — 60—80 мм)  количество волосовин достигает максимума. При дальнейшей деформации ме­талла количество волосовин понижается. Этот максимум объясняется вытягиванием и разрушением включений с ростом степени деформации. Эти результаты были впоследствии подтверждены в работах [118 и 119] (рис. 32).
В Советском Союзе в связи с работами по улучшению качества подшипниковой стали было установлено влия­ние горячей деформации на микроскопическую степень чистоты, о чем подробно изложено в монографиях М. И. Виноград [2] и С. Г. Воинова и А. Г. Шалимова [99]. Так, было установлено снижение количества оксидных и сульфидных включений в стали после горячей деформации, что согласуется с данными других исследований. При этом балл загрязненности стали оксидными включе­ниями уменьшается быстрее, чем балл загрязненности сульфидами. При контроле большого количества проб  металла, отобранных от проката различного сечения, было установлено, так же как при исследовании макро­скопической степени чистоты, экстремальное изменение микроскопической степени чистоты: максимум загряз­ненности стали соответствует 20—50-кратной деформа­ции [99, 118] (рис. 33). При более высоких обжатиях на­ступает повышение степени чистоты стали.
Степень чистоты стали в большинстве проведенных работ характеризуется средним максимальным баллом. Однако эта характеристика загрязненности стали силь­но зависит от величины поверхности исследуемого шли­фа. Из цитированных работ не ясно, соблюдалась ли ре­комендованная ГОСТ 801 поверхность шлифа, равная около 500 мм2. Это особенно относится к опытам с силь­ным обжатием металла (например, прокатка квадрата 90 мм на круг 8 мм). В связи с этим точность имеющих­ся данных сильно понижена.
В технической литературе имеется сравнительно огра­ниченное количество сведений о влиянии температуры и способа деформации на степень чистоты стали. Е. Маурер и Р. Шустек [7] в своем исследовании установили, что макроскопическая и микроскопическая степень чис­тоты стали не зависит от температуры прокатки. По дан­ным К. Ф. Людеманна и X. И. Экштайна, практически также отсутствует заметное влияние температуры дефор­мации на количество и размер оксидных и сульфидных включений. По данным исследования С. Косиба [120], прокатка при комнатной температуре стали, идущей на изготовление пружин часов, несмотря на высокую степень деформации, не повышает степени чистоты стали.
В противоположность этому способ деформации влияет, по всей видимости, на степень чистоты стали. В исследовании, проведенном А. Ф. Шпранклем [121], установлено, что макроскопическая степень чистоты проката головной части слитка, определенная магнитоскопическим методом, заметно ниже, чем степень чис­тоты кованой стали. Пробы же из донной части слитка показали обратные значения.
Результаты, полученные А. И. Строгановым на Челя­бинском металлургическом заводе, указывают на то, что степень чистоты кованой подшипниковой стали выше, чем катаной. Это различие объясняется менее гладким ходом волокон и большей прорабатываемостью стали при ковке, чем при прокатке.

Ниже излагаются результаты нашего исследования влияния степени, способа и температуры деформации на степень чистоты стали.