Сталь с регламентированным микросоставом

Маняк Н.А., Шлемко С.В., Крикунов Б.П.

Донецк: Донбасс, 1995 г.

1.1.2. Поведение газов в стали

Растворение газов в жидких металлах исследовано достаточно подробно. Азот и водород образуют в металлах растворы, близкие к идеальным, бесконечно разбавленным (83). Что касается кислорода, то его раствор в железе следует относить к классу реальных (157). При изучении поведения газов в жидкой стали приходится решать вопрос о возможном пределе насыщения металла газами при данных условиях плавки (температуре, парциальном давлении газа в атмосфере и состава металла) и форме их существования.

Азот, будучи растворенным в металле, не только понижает механические свойства твердого раствора, но в ряде случаев является причиной образования нитридных включений, загрязняющих металл. Однако в ряде случаев азот используют для легирования (например, для ряда марок нержавеющих и строительных сталей), дисперсионного твердения и модифицирования.

Наиболее вероятной формой существования азота в железе является катионная N+³. В чистом жидком железе азот не образует нитридов в широком интервале парциальных давлений азота, имеющих значение для практики сталеварения. Образование нитридов типа Fe*N и Fe₄N может происходить лишь в твердом металле. Однако наличие в жидком растворе железа других элементов, особенно сильных нитридообразователей, может привести к образованию нитридов как в твердой, так и в жидкой фазах.

Растворимость азота при переходе железа из жидкого в твердое состояние уменьшается скачкообразно, причем растворимость его в аустените значительно выше, чем в феррите.

Для многих среднеуглеродистых и легированных сталей изменение содержания в них азота в широких пределах заметного влияния на свойства практически не оказывает. Снижение содержания азота крайне необходимо при производстве стали, предназначенной для глубокой вытяжки, а также для изделий, работающих при пониженных температурах.

Водород в стали оказывает, как правило, отрицательное влияние на его свойства- Повышенное содержание его приводит к образованию в ряде марок сталей флокенов, центральной пористости и свищей, к понижению пластичности и усталостной прочности.

Предполагают, что водород существует в металле в виде атомов либо протонов Н+, ко не молекул. Большая подвижность водорода в твердом железе и низкая энергия активации процесса диффузии позволяют заключить, что водород в железе находится в виде катиона.

Растворимость водорода, также как и азота, при кристаллизации стали изменяется скачкообразно. С одной стороны, это обеспечивает понижение содержания водорода в закристаллизовавшихся слитках и отливках по сравнению с жидким металлом, но, с другой стороны, большая часть водорода вследствие малой скорости диффузионных приповерхностных процессов не успевает выделиться при фазовом переходе и остается в твердом металле, создавая пересыщенный раствор. Затем уже в твердом металле водород выделяется из раствора в микротрещины и пустоты, причем здесь может развиваться давление, превышающее временное сопротивление разрыву металла, что приводит к его разрушению (появляются трещины, флокены).

Кислород понижает свойства стали, главным образом, за счет образования оксидных неметаллических включений, отрицательное влияние которых общеизвестно (3, 58, 98,149, 156).

До недавнего времени считалось, что кислород находится в стали в форме молекул закиси железа FeO, что подтверждалось рядом факторов, приведенных в работе (157). Однако современным представлениям о природе металлических расплавов более соответствует предположение, что -кислород находится в растворе в расплавленном железе в форме иона 0^2-. Вернее, кислород образует с железом группировки, имеющие преимущественно ионную связь и среднестатистический состав, близкий к составу молекул FeO (90).

Кислород в железе и его сплавах является поверхностно активным элементом.

Растворимость кислорода в жидком железе с ростом температуры резко увеличивается, а в твердом состоянии остается ничтожно малой даже при температуре кристаллизации. Поэтому при затвердевании металла оксид железа может выделиться по границам зерен, и, находясь там в жидком состоянии, нарушать связь между ними, вызывая красноломкость. Для обеспечения высокого качества стали необходимо, чтобы содержание в пей кислорода было ниже максимально возможного (предела растворимости) в твердом железе.

1.2.1. Влияние металлизованного сырья на качество стали

Одним из способов повышения качества стали является применение взамен металлического лома губчатого железа, полученного непосредственно из чистых по вредным и другим примесям железных руд (67). Отсутствие примесей, однородность химического состава и стабильность свойств первородной шихты обеспечивают получение чистой высококачественной стали со стабильными эксплуатационными характеристиками. Низкое содержание примесей в губчатом железе позволяет, с другой стороны, использовать низкокачественный скрап без ухудшения качества стали путем контролируемого разбавления его губкой. Отношение скрап — губчатое железо в шихте может варьироваться в пределах 0—100% и позволяет выплавлять любые марки стали (165).

Использование первородной шихты для выплавки качественной стали нашло широкое применение в Мексике (сталь для глубокой вытяжки, эмалированные изделия, луженый лист), Швеции (нержавеющие, жаропрочные, высококачественные легированные и углеродистые, электротехнические), США (канатные стали, стали для судостроения), Японии и других странах (67). Так, в работе (62) отмечается, что в Мексике на основе железной губки выплавляют сталь для глубокой вытяжки. Авторы показывают, что суммарное количество нежелательных примесей (хром, никель, медь) снизилось с 0,45 до 0,17%, снизилась твердость стали по Роквеллу, увеличился показатель деформации по Ольсену. Производительность стана холодной прокатки повысилась на 15%, увеличился выход годного, свариваемость стали улучшилась·

Авторы работы (116) показывают, что использование первородной шихты при выплавке магнитомягких  сплавов способствует повышению их магнитных свойств.

В работе (76) показано, что в Швеции  губчатое железо используют для выплавки легированных и углеродистых сталей с низким содержанием неметаллических включений, высокими и стабильными свойствами, облегчающими их дальнейшую обработку. Авторы отмечают, что инструментальные стали, выплавленные с применением губчатого железа, имеют повышенные физические и технологические свойства (удлинение, ударная вязкость, сопротивляемость вибрационным нагрузкам).