Трещины в стальных слитках
Лапотышкин Н.М., Лейтес А.В.
Металлургия, 1969 г.
ЗАВАРИВАЕМОСТЬ ВНУТРЕННИХ ТРЕЩИН В ЛИТЫХ ЗАГОТОВКАХ ПРИ ГОРЯЧЕЙ ДЕФОРМАЦИИ
Существующая технология непрерывной разливки стали позволяет получать слитки без трещин. Однако при освоении новых установок непрерывной разливки технологический режим нарушается и могут быть получены слитки, пораженные внутренними трещинами. Было проведено специальное исследование для изучения возможности использования литых заготовок с внутренними трещинами для производства сорта и листа.
Трещину можно считать заварившейся тогда, когда по свойствам деформированный металл в районе бывшего дефекта не будет отличаться от металла в бездефектных участках. Поэтому при прокатке слитков, пораженных горячими трещинами, следует не только устранить несплошности, но и выявить влияние ликвационных явлений, сопровождающих трещину, на качество деформированного металла.
Для изучения завариваемости трещин, расположенных в осевой зоне плоских слитков из углеродистой стали, при прокатке на лист были отобраны литые слябы сечением 175 x 700 и 175x1040, а также 200x800 мм из стали марок 10 и Ст. 3, пораженные осевыми трещинами. Трещины в таких слябах располагались вдоль большой оси поперечного сечения на расстоянии около 100—150 мм от узких граней или в осевой зоне. Протяженность дефектов на торцах слябов после автогенного реза колебалась от 60 до 200 мм (в большинстве случаев 100—150 мм). Внешний вид дефектов на торце слябов после автогенной резки представлен на рис. 20. У значительного числа слябов трещины имелись на обоих торцах на одинаковом расстоянии от узких граней.
Исследование дендритной структуры на поперечных темплетах показало, что трещины состояли из ряда не связанных между собой надрывов и располагались между дендритами. Стенки трещин были обогащены ликватами, очевидно, они образовались в последний момент существования двухфазной области и по своей природе относились к кристаллизационным.
Слябы разрезали вдоль оси по месту расположения торцовых трещин; при этом было установлено, что трещины распространяются достаточно далеко, чередуясь с участками плотного металла различной протяженности. Следует отметить, что с точки зрения заваривае- мости трещин при прокатке прерывистость их развития играет большую роль.
Наряду с кристаллизационными осевыми трещинами в литых слябах могут быть и холодные трещины, которые образуются в осевой зоне полностью затвердевшего слитка под -влиянием термических напряжений, возникших при автогенном резе. В этом случае они распространяются в тело слитка на небольшую глубину.
Слябы прокатывали на лист толщиной 5—8 мм. Чтобы стенки трещин не могли окислиться в процессе нагрева под прокатку, на торцах слябов их заваривали электросваркой плотным швом.
Для исследования отбирали пробы после обреза 2, 4, 6 и 10% длины раската. Из каждой вырезанной пробы, согласно схеме расположения трещин на слябах, вырезали по два поперечных образца на разрыв, загиб и контроль макроструктуры. Образцы вырезали так, что один из них соответствовал тому участку сляба, где располагались трещины, а другой — бездефектному участку.
Макроструктуру на поперечных образцах выявляли травлением в 15%-ном растворе азотной кислоты. Известно, что при травлении углеродистого металла азотной кислотой выявляется отсутствие сплошности и однородности структуры.
На поперечных образцах после обрези 2, 4, 6 и 10% длины раската выявляли участки повышенной травимости, связанные со структурной неоднородностью, которые в абсолютном большинстве случаев располагались по месту дефектов в литых слябах. Несплошности в макроструктуре поперечных образцов не наблюдалось.
В макроструктуре поперечных образцов из бездефектных участков слябов, как правило, не было участков повышенной травимости.
Часть образцов после травления раствором азотной кислоты протравливали в горячем 50% -ном растворе соляной кислоты с целью выявления химической неоднородности. Было установлено, что различные реактивы выявляют одни и те же участки повышенной травимости на образцах. На серных отпечатках, снятых с поперечных темплетов в участках повышенной травимости, наблюдается ликвация серы. При травлении этих участков реактивом Стеда была выявлена ликвация фосфора.
Микроисследованием участков повышенной травимости установлено отсутствие несплошности металла. Наблюдалось некоторое увеличение количества перлита, свидетельствующее о ликвации углерода. Окислы железа в участках повышенной травимости не обнаружены.
Следует отметить, что протяженность участков повышенной травимости на поперечных образцах из прокатанной полосы в ряде случаев была больше, чем на торцах литых слябов. Очевидно, полоски повышенной травимости в прокатанной полосе могут быть следами не только заваривавшихся трещин, но и осевой ликвации в литых слябах.
Для выявления расслоя в участках повышенной травимости применили подрубку зубилом. При этом в соответствии с ГОСТ 5520—62 раздвоение стружки должно было указывать на расслоение. Ни в одном случае расслоение не обнаружено.
Для выявления расслоения применяли и еще один метод: излом образцов по участкам повышенной травимости в соответствии с ГОСТ 7564—65. Ширина площади излома соответствовала толщине листа, а длина — двойной толщине. Надрезы делали по участкам, соответствующим расположению трещин на слябах. Согласно ГОСТ 10243—62, расслоения в изломе, вызванные наличием незаварившихся при деформации трещин, имеют вид узких или широких полос с некристаллическим строением. Участки в изломах, имеющих кристаллическое строение без раздвоения полосы за пределами излома, не служат браковочным признаком.
В изломах образцов, отобранных после обрези 2, 4, 6 и 10%, расслоения не обнаружены. На части изломов наблюдали вырывы. Исследованием образцов в районе вырывов установили, что они связаны с локальными отложениями неметаллических включений и полосчатостью.
Пределы прочности и текучести, а также относительное удлинение образцов из дефектных и бездефектных участков слябов практически одинаковы. Расслоения в изломах разрывных образцов не наблюдались. В образцах, испытанных на холодный загиб на 180°, расслоений не обнаружено.
Таким образом, в листах толщиной до 8 мм, прокатанных из литых слябов толщиной 175 мм с осевыми трещинами, несплошности металла не наблюдалось. По месту расположения трещин в литых рлябах располагались участки металла, обогащенные лидирующими элементами, которые в макроструктуре могут быть выявлены как полоски повышенной травимости. Механические свойства разрывных образцов с участками повышенной травимости и без них практически одинаковы.
С целью изучения заваризаемости трещин, расположенных в промежуточной зоне перпендикулярно граням, использовали плоские слитки сечением 175x420 мм, отлитые из стали марки Ст. 3 в специально созданных неблагоприятных условиях, когда затвердевающий слиток подвергался значительной деформации вытягивающими валками установки.
Для проката на лист и сорт отбирали литые заготовки, у которых на поперечных темплетах после горячего травления в 50%-ном растворе соляной кислоты суммарная протяженность внутренних горячих трещин (открытых и залеченных) достигала 1000 мм.
Условия нагрева под прокатку литых заготовок на сорт сечением 125x125 и 100x100 мм были такими же, как и при прокатке сорта из обычных слитков стали марки Ст. 3. Меньшие сечения получали прокаткой катаных заготовок после второго нагрева по обычной технологии, принятой для блюмов.
Темплеты для исследования вырезали от середины раскатов. Несплошности металла выявляли холодным травлением в 10%-ном растворе азотной кислоты, опескоструиванием темплетов, предварительно выдержанных в горячем минеральном масле, а также микроисследованием нетравленых полированных образцов. Уотановлено, что после семикратной вытяжки несплошности металла завариваются. Однако травление образцов реактивом Стеда выявило ликвационные полоски, в которых сохранилась картина расположения дефектов, уже отмеченная в литой заготовке. Такое проявление химической неоднородности наблюдали даже после 2100- кратной вытяжки. Протяженность отдельных ликвационных полосок на поперечных темплетах с увеличением обжатия уменьшалась с 10—25 мм в литой заготовке до 1—2,5 мм в квадрате 52 мм и до 0,2 мм в круге 6,5 мм. При горячем травлении темплетов в 50%-ном растворе соляной кислоты ликвационные полоски растравливались быстрее основного металла, создавая впечатление трещин (рис. 53). После гомогенизации при ЮОО^С в течение 24 ч ликвационные полоски сохранялись, хотя для их растравливания в 50%-ном растворе соляной кислоты требовалось больше времени.
При изломах надрезанных образцов проката химическая неоднородность металла в виде ликвациониых полок приводила к образованию площадок, имеющих более мелкую кристаллическую структуры. Аналогичные дефекты наблюдали ранее в изломах проката из обычных слитков, их также связывали с ликванионными явлениями.
Для испытаний на разрыв и ударную вязкость в продольном и поперечном направлениях образцы вырезали из темплетов проката квадрат 100 и 52 мм, предварительно протравленных для выявления макроструктуры. Образцы отбирали в поверхностной 'бездефектной зоне и зоне расположения ликвационной неоднородности.
Из приведенных на рис. 54 результатов испытания образцов в состоянии поставки следует, что при испытании продольных образцов не «было замечено влияния ликвационных полосок на механические свойства металла. Все образцы удовлетворяют требования ГОСТ 380—60. Характеристики пластических свойств стали, полученные при испытаниях поперечных образцов, вырезанных из зоны расположения ликвационных полосок, были много ниже, чем на поперечных образцах из корковой зоны. В прокате квадрат 100 лм (рис. 54, а) характеристики относительного сужения и удлинения, а также ударной вязкости в среднем снизились примерно в 2,5 раза, а в прокате квадрат 52 мм (рис. -54,6)—примерно в 1,6 раза. Таким образом, с увеличением обжатия неблагоприятное влияние лик- вационных полосок на механические свойства стали уменьшалось.
При испытании 300 стандартных образцов из проката диаметром 22 мм стали марки Ст. 3 на растя-
Для определения влияния ликвационных полосок на усталость металла проводили испытания образцов из проката диаметром 22 мм. Испытания образцов трех плавок стали марки -Ст. 3 показали достаточно высокий предел выносливости при знакопеременном изгибе (-24— 26 кГ/мм2), причем связи между местом возникновения
усталостного разрушения и ликвационными полосками, выходившими на поверхность образцов, не наблюдалось.
В образцах проката диаметром 44 мм, осаженных в холодном состоянии с 44 до 22 мм, несплошности, связанные с ликвационными полосками, не наблюдались.
При обточке на токарном станке проката диаметром 22 мм с ликвационными полосками до 8 мм со ступеньками через каждый 1 мм стружка снималась без поломок.
Таким образом, при прокатке на сорт литых заготовок из стали марки Ст. 3 со значительным количеством внутренних трещин несплошность устраняется после 7-кратного обжатия, однако ликвационные полоски сохраняются в прокате даже после 2100-кратного обжатия. На механические свойства образцов, испытанных вдоль направления проката, ликвационные полоски .влияния не оказывают. На поперечных образцах заметного влияния ликвационных полосок на характеристики прочности не заметно, но пластические свойства резко падают. В связи с этим при прокатке на сорт для ответственных изделий не рекомендуется допускать литые заготовки с внутренними трещинами.
Аналогичные результаты были получены при прокатке трубных литых заготовок сечением 280 x310 мм, где после 13—>14-кратной вытяжки сохранились ликвацион- ные полоски по местам сварившихся трещин, которые снижают ударную вязкость металла на 10—20%.
«При прокатке слитков сечением 175X420 мм из стали марки Ст. 3 на листы толщиной до 16 мм внутренние трещины, расположенные в промежуточной зоне перпендикулярно граням, заварились. Расслоений в листах не было [7].
Аналогичные результаты были получены и при прокатке на листы литых слябов тех же сечений из судовой стали [27].
Были исследованы также непрерывные слитки сечением 150X470 мм, отлитые из стали марки СХЛ1 и 14ХГС. Эти слитки были поражены трещинами в небольшой степени. Суммарная длина трещин и ликвационных полосок в одном поперечном темплете не превышала 50—75 мм.
Литые слябы стали марки СХЛ1 и 14ХГС были прокатаны на листы толщиной 10 и 12 мм. Расслоений на испытания на ударную вязкость образцов, вырезанных вдоль и поперек -прокатки, дали аналогичные результаты.
Таким образом, при прокатке литых слябов с неокис- ленными внутренними горячими трещинами, расположенными в осевой и промежуточной зонах, несплошности устраняются после 10-кратного обжатия. Химическая неоднородность, сопровождающая горячие трещины, способствует образованию в листах структурной неоднородности, которая в макроструктуре проявляется в -виде участков повышенной травимости, а в изломах образцов в виде разнозернистости. Разнозернистость в изломе может иметь локальный характер в виде вырывов. Довольно часто такой излом неправильно классифицируют как расслой. Существенного влияния на механические -свойства листов толщиной до 16 мм указанная выше химическая неоднородность не оказывает. Возможность использования таких листов для ответственных изделий зависит от условий работы конкретного изделия. Если в процессе работы листа на него могут воздействовать значительные усилия, направленные перпендикулярно расположению ликвационной неоднородности, использовать такой лист не рекомендуется.