Прокатываемость стали и сплавов

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