Водородоустойчивость стали

Арчаков Ю.И.

Металлургия, 1978 г.

Влияние вольфрама, ванадия, ниобия и титана на водородостойкость стали

Одним из этапов обезуглероживания является диффузия углерода в феррите. Известно, что легирование феррита хромом резко замедляет диффузию в нем элементов внедрения, в частности углерода. Поэтому можно предположить, что повышение водородостойкости хромистых сталей происходит не только вследствие присутствия  в них стабильных карбидов, но и вследствие влияния хрома, растворенного в феррите, на скорость диффузии. Для проверки этого предположения были поставлены специальные исследования и определено влияние отдельных легирующих элементов (вольфрама, ванадия, ниобия и титана) на длительную водородную стойкость бесхромистой стали с 0,16—0,18% С и установлена связь между ее фазовым составом, механическими свойствами и водородостойкостью под всесторонним давлением водорода 800 кгс/см² при температуре 600°С.

Химический состав исследованных сталей по основным элементам после отжига при 920°С, охлаждение с печью, приведен ниже:

В табл. 18 приведены состав и тип карбидов у сталей в исходном состоянии. Стали 52—55 и 58 после выдержки в течение .1000 ч при температуре 600°С под всесторонним давлением водорода 800 кгс/см² полностью обезуглеродились. Содержание углерода в них снизилось с 0,16—0,18% до 0,02—0,05%.

Микроструктура этих сталей чистый феррит, по границам зерен наблюдается растрескивание. В сталях 59 и 60 имеется карбид VC. Несмотря на это, после испытаний у стали 59 наблюдается сильное снижение содержания углерода (до 0,07%) и растрескивание по границам зерен. В этом случае частичное обезуглероживание можно, по-видимому, объяснить неодинаковой стойкостью карбидов ванадия вследствие разной активности в них углерода [75] и возможным присутствием в стали 59 мелкодисперсного цементита (незначительное количество которого не обнаруживается рентгеноструктурным анализом). Отвод продуктов реакции создает условия для дальнейшего разложения карбидной составляющей металла и вызывает обезуглероживание этой стали. Аналогичное явление наблюдается и у стали 61, но поскольку титан является более сильным карбидообразующим элементом, чем ванадий, то в этом случае обезуглероживание проявляется в меньшей степени (снижение содержания углерода до 0,13'% и местами растрескивание по границам зерен), так как обезуглероживается практически только цементитная составляющая.

В стали 60 ,и 62, как и в стали 59, обнаружены только карбиды типа МеС. В то же время в сталях 60 и 62 обезуглероживания не обнаружено (подтверждается результатами анализа содержания углерода в стали после исследований и изучением микроструктуры)

Были проведены испытания сталей с добавками 0,4; 0,75 и 1,6% Wпри температуре 500°С и давлении водорода 500 кгс/см². После выдержки в течение 800 ч наблюдалось полное обезуглероживание этих сталей, сопровождающееся снижением прочности и пластичности, а также растрескиванием по границам зерен.

Стали с содержанием 0,5% легирующего элемента испытывали при давлении 100 кгс/см² (табл. 19), а стали с более высоким содержанием легирующего элемента— при 800 кгс/см² (табл. 20). Выдержка образцов исследуемых сталей при 600°С в течение 4000 ч без воздействия водорода практически не оказывает влияния на их механические свойства. Сталь 58 (0,45% V) неустойчива не только при давлении водорода 800 кгс/ /см² и температуре 600°С, но и при давлении 100 кгс/см²

В этих условиях она также подвергается практически полному обезуглероживанию; снижаются прочность и пластичность. Структура этой стали после испытаний представляет собой феррит с утолщенными границами зерен. У стали № 61 (0,35% Ti) после испытаний содержание углерода уменьшается на 20% по отношению к исходному значению. Прочность при давлении 300 кгс/см² снижается примерно на одну треть, а после испытаний под давлением 100 кгс/см² всего лишь на 6,5%, пластичность в обоих случаях понижается значительно. В микроструктуре этой стали наблюдается утолщение и  «разрыхление» границ зерен у поверхности образцов.