Поведение неметаллических включений в стали при кристаллизации и деформации
Шпис Х.И.
Металлургия, 1971 г.
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.