автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Структура и свойства низколегированной полуспокойной стали, упрочненной нитридами хрома

центральный ордена трудового красного знамени научно-исследовательский институт черной металлургии имени и.п.бардина

На правах рукописи

ОРЕЛ Евгений Иванович

структура и свойства низколегированной полуспокойной стали,

упрочненной нитридами хрома

05.16.01. - "Металловедение и термическая обработка металлов "

автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 199-2 г.

Работа выполнена в Центральном Ордена Трудового Красного . Знамени научно-исследовательском Институте черной металлургии имени- И.П.Бардина

Научный руководитель: доктор технических наук Литвиненко' Д.А.

Официальные оппоненты. : доктор технических наук, профессор

Саррак В.И.

кандидат технических наук

Бобылева Л.А.

Ведущее предприятие: металлургический комбинат "Азовсталь".

Защита диссертации состоится на заседании специализированного совета Д 141.04.02 при Центральном Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследователь ском Институте черной металлургии имени И.П.Бардина по адресу.: 107005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.9/23 .

С диссертацией можно ознакомиться в технической библиотеке Института.

Автореферат разосцан

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук,' старший научный сотрудник

Н.М.Александрова

3.

■ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

I

Актуальность работы. Большую роль в прогрессе современной техники играет проблема повышения прочности и , в частности, создание особо экономичных строительных конструкционных сталей. Одним из перспективных направлений в этой проблеме занимает изыскания повышения прочности низколегированных сталей за счет использования эффекта упрочнения нитридами.

Наиболее распространенный в металловедении низколегированных сталей эффект- упрочнение нитридами ванадия, обеспечивавший существенное повышение прочности в сочетании с высокой пластичностью и вязкостью.

Представляет определенный научный и практический интерес использование более депгевйх нитридообразующих элементов, чем ванадий или ниобий.

Перспективным направлением является использование нитридов хрома в качестве микролегирования марганцовистой стали в горячекатаном прокате для строительства и машиностроения.

Обнаруженный во время настоящего исследования процесс дисперсионного твердения низколегированной стали, микролегированной хромом и азотом, был положен в основу повышения прочности строительной низколегированной стали. Так же, как и нитриды ванадия, нитриды хрома позволяет упрочнять низколегированную сталь в полуспокойном состоянии.

Кроме того, разработанные и рекомендуемые марки стали могут быть предложены как полуспокойные вследствие малого сродства хрома к кислороду, что является немаловажным с целью широкого использования парка изложниц на предприятиях черной металлургии, для уменьшения отходов в процессе производства металла, а также совершенствования участка сборки .

Проведе^на . работа по освоению состава и технологии производства горячекатаного проката спецпрофилей для крепей шахтных выработок из особо экономнолегированной нитридами хрома стали 23ГАХпс повышенной прочности.

Цель и задачи работы: Целью работы являлась разработка эконом<-нолегированной и дешевой низколегированной стали повышенной прочности для прокатки из неё фасонного профиля корытчатого сечения для металлических крепей горных выработок.

Для достижения поставленной цели в работе необходимо было решить следующие локальные задачи:

- изучить влияние нитридов на свойства низколегированной стали на базе различных сильных нитридообразущих элементов, исследовать их механические свойства;

- изучить кинетику выделения и растворения нитридов хрома и влияния их на структуру в процессе проведения различных термических режимов;

- исследовать влияние нитридов хрома на прочностные, пластические и вязкие свойства низколегированной стали;

- определить оптимальные пределы содержания углерода, хрома, марганца и азота в полуспокойной низколегированной стали с нитридами хрома;

- предложить химический состав полуспокойной экономнолегирован-ной стали повышенной прочности, микролегированной хромом и азоток

- разработать и исследовать в условиях металлургического комбината основные положения технологии изготовления этой стали для спецпроката шахтной крепи.

_Научная_новизна_и_полрженияА_вшоси

- Выявлен характер совместного влияния небольших добавок хрома и азота на структуру и свойства низколегированной полуспокойной стали и на основе этих данных установлены их содержания, обеспечу ващие влияние нитридов хрома на упрочнение стали;

- установлена природа и морфология фазы, образующейся при одновременном микролегировании полуспокойной низколегированной стали хромом и азотом, которая идентифицирована как нитрид хрома;

- определена кинетика выделения и растворения нитридов хрома в горячекатаной низколегированной полуспокойной стали и установлен! что указанная фаза растворяется после нагрева до 750°С и наиболе( интенсивно выделяется при 600-650°С;

- установлено, что при оптимальном содержании нитридов хрома в низколегированной полуспокойной стали имеет.место упрочнение О" 2! без существенного ухудшения других свойств;

- разработана и освоена ноАая экономнолегированная полуспокойная сталь повышенной прочности 23ГАХпс, состав которой защищен авторскими свидетельствами.

__На_защиту_выносится_1

- выявление закономерности совместного.влияния небольших добав хрома и азота на структуру, фазовый состав, механические свойств! низколегированной полуспокойной стали;

3.

- природа и морфология фаз, образующихся в низколегированной юлуспокойной стали, микролегированной хромом и азотом;

- кинетика растворения и выделения нитридов хрома горячекатаной ¡изкопегированноя полуспокойной, стали;

- основные положения по экономному легирование марганцем и хро-ом и микролегированию ниобием, или ванадием, или титаном феррито-ерлитной конструкционной стали повышенной прочности;

- результаты металлургического и технологического освоения новой кокомнолегированной полуспокойной стали с нитридами хрома в виде пецпрофиля шахтной крепи.

_Практическая_ценность_1 На основе полученных результатов исследо-аний рекомендованы оптимальная система легирования и основные оложения технологии изготовления низколегированной полуспокойной тали повышенной прочности. Разработана и освоена на Коммунарском еткомбинате горячекатаная полуспокойная сталь 23ГАХпс в виде пецпрофилей шахтной крепи СВП-14т27 по ГОСТ 18662-83.

Сталь марки 23ГАХпс в виде спецпрофиля типа СВП изготовлена в Зъёме более 10 тыс. тонн и поставлена предприятиям Минуглепрома Горловский, Рутченковский и др. рудоремонтные заводы). Зкономи-эский эффект от внедрения этой стали на Коммунарском меткомбинате оставил 282 тыс. рублей за счет снижения металлоемкости.

Освоенная на Коммунарском меткомбинате сталь 23ГАХпс по прочно-гным свойствам превосходит сталь массового производства Ст 5сп и ; уступает ей по пластическим свойствам, что позволило применять гецпрофили меньшего сечения.

Разработанная технология изготовления стали 2ЭГАХпс осущест-шется на имеющемся на Коммунарском меткомбинате оборудовании.

Апробация работы. Результаты работы доложены на :

- техническом совещании меткомбината "Азовсталь*; Мариуполь, 1991:

- научно-техническом совете Института качественных сталей ЦНИИ-чермета .

Публикации. По результатам исследования опубликовано 3 статьи получено 2 авторских свидетельства на изобретения.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих аводов, списка литературы из 12 5 наименований, приложения ( тех-ческие условия на прокат из разработанной стали, документы о вне-ении результатов работы), содержит 191 стр. машинописного текста,

б.

30 рисунков, 19 таблиц .

__Материал_и_метоаика_исследования_^.

Материалом лабораторных исследований являлись плавки модельной малоуглеродистой стали, различно легированных марганцем, нитридо-образующими элементами и модификаторами. Стали выплавляли в 50-кг индукционных печах. Плавки вели на армко-железе. Слитки опытных сталей ковали на сутунки с сечением 40x60 и 30x120 мм, затем прокатывали на лист 11-12 мм, часть- на прутки квадрат 14 мм. Влияние микролегирующих элементов исследовали на базе горячекатаной марганецсодержащей стали .( табл.1.)'.

Механические свойства опытных сталей с различными нитридами определяли при стандартных испытаниях на статическое растяжение при комнатной температуре и динамический изгиб при температурах 100 * -80°С .

Микроструктуру стали с различным содержанием хрома и азота исследовали с применением оптической и электронной ( Вй -613) микроскопии, рентгено-структурного анализа ( УРС-2,0; РКД ; ИЗА-2 ).

Диаграммы термокинетического распада аустенита опытных сталей строили на основании исследования превращений в процессе нагрева и охлаждения стали 'на дилатометре системы "Шевенар".

Склонность к росту зерна опытных сталей определяли методом отбора горячекатаных образцов, подвергнутых нагреву в интервале температур 400-П00°С и охлаждению до комнатной температуры. Вели чину зерна оценивали по ГОСТ 5639-82 с подсчетом среднего условного номера зерна.

1Механические_свойства_стми_с_различ

В реальных сталях упрочнение'за счет образования нитридных фаз сочетается с упрочняющим действием карбидов и легирующих элементов в твердом растворе.

Для изучения благоприятных сочетаний прочностных и вязких свойств в низколегированных сталях с нитридообразующими элементами выбраны варианты легирования алюминием, титаном, ванадием, ниобием, хромом, цирконием при содержании основных элементов: углерс да 0,10-0,14 %, марганца 1,35-1,60 %, кремния 0,08-0,26 серы 0,014-0,028 фосфора 0,014-0,025 % .

Химическим и газовым анализом установлено, что для низколегированной стали с нитридообразующими элементами пределом насыщени* азотом является 0,030 %, в том числе при избыточном по отношению к формуле ^/е/содержании элемента. Не связанный с азотом нитридо-

Таблица I.

Химический состав опытных сталей, % по массе

! МП ! 5 1 М\ Л 1 V ' т • С* ! ь ! _т -

I I' 0,11 0,19 1,50 0,022 ' _ _ - - - 0,008

2 0,11 0,19 1,40 0,022 0,02 - - - - 0,016

3 0,12 0,17 1,45 0,022 0,06 - - : - - - 0,024

2 I 0,14 0,24 1,60 0,024 - 0,05 - - 0,014

2 0,12 0,26 1,60 0,026 - 0,11 - - - - 0,030

3 0,12 0,25 1,50 0,025 - 0,17 - - - - 0,027

3 I 0,11 0,19 1,35 0,025 - - 0,05 - - - 0,015

2 .0,11 0,16 1,25 0,028 - - 0,10 - - - 0,024

3 0,12 0,15 1,25 0,027 - - 0,21 - - - .0,025

' . 4 I 0,10 0,18 1,35 0,019" - - - ' - 0,11 - - 0,014

2 0,09 0,20 Г, 50 0,019 - - - 0,22 - - 0,027

3 0,10 0,28 1,50 0,014 - - 0,45 - - 0,032

5 I 0,13 0,11 1,40 0,014 - - - - 0,13 - 0,016

2 0,14 0,08 1,40 0,014 - < - - 0,20 - 0,028

3 0,12 0,08 1,40 0,014 - - - - 0,33 - 0,030

0,13 0,10 1,23 0,022 - - - - 0,60 - 0,024

6 I 0,10 0,21 1,40 0,019 - - - - - 0,11 0,012.

2 0,10 0,22 1,45 0,01 б - - - - 0,19 0,020

3 0,10 0,22 1,50 0,022 - - - - - 0,25 0,022

Примечание: во всех плавках содержание фосфора 0,014-0,025 £

образующий элемент, вероятно, входит в сложный карбид или остаётся в твердом растворе.

Влияние азота и нитридообразующего элемента на механические, свойства установлено при сравнении данных стали с нитридами со сталью без легирования .

Наиболее благоприятным влиянием на механические свойства низколегированной стали оказалось введение нитридообразующих элементов: алюминия 0,06 % ( в нормализованном состоянии увеличен 6т на 80 МПа), титана и ванадия 0,05 % каждого С повышение прочностных свойств на 70-120 МПа), циркония 0,19 %, который при содержании азота 0,022 % повысил прочность на 50 МПа при высоком уровне ударной вязкости.

Введение в сталь ниобия как нитридообразующего элемента в- кол> честве 0,11-0,45 £ совместно с азотом 0,014-0,030 % не обнаружило ожидаемого эффекта, поскольку упрочнение стали достигло уровня свойств стали с ванадием 0,05 %.

Определенный интерес представляет применение хрома в качестве нитридообразующего элемента, который при содержании 0,20- 0,33 % хрома и 0,020-0,02В % азота упрочняет сталь ( на 130-200 МПа)', сохраняя удовлетворительный уровень ударной вязкости. Отсутствие сильных нитридообраэующих элементов обеспечило образование нитридов хрома.

По анализу механических свойств низколегированной стали с раз личными нитридами установлена возможность применять недефицитный хром в качестве нитридообразующего элемента ( рис.1.).

Определено влияние нитридов хрома на свойства модельной стали содержащей 0,35 и 0,65 % хрома, при статическом растяжении и испь тании на ударную вязкость. Испытанные горячекатаные образцы были подвергнуты нагреву при температурах от 500 до 1000°С. Увеличена прочности стали способствуют нитриды хрома , сложные карбиды и оставшийся в твердом растворе хром: временное сопротивление н; 40 МПа и на 70 МПа при содержании хрома 0,35 и 0,65 % соответств* но, предел текучести увеличивается на 50 МПа и на 70 МПа при тех же содержаниях хрома. Относительное удлинение при этом снижается на 1-й 5 £ при содержании хрома 0,35 и 0,65 % соответстве но. Заметное влияние нитридов хрома сохраняется до температуры нагрева 800- 850°С, при более высоких температурах оказывает вли ние преимущественно хром, связанный сложными карбидами и находящийся в твердом растворе.

65, МПй

500'

400 --

*5,% 30

20

10

300

200

100

- ---

22

кси

I

У,

\

I

1

т пн

Рис. I. Механические свойства

1

1

бг

I

1

бг 1

I

кси-

ш,

МДж/мг 1«

1,2 Я*

У(С,//] М(С,Н) СгИ

горячекатаной стали ткпз 12Г2 с различными нитридами .

_^ияние_тат£идов_на_свояства_модельной_низ _ствди_с_хромом_и_азотом_при^^

Исследована кинетика растворения и ввделения нитридов хрома при нагреве до 400-1250°С путем определения связанного нитридами азота в осадках, выпавших при химическом растворении образцов стали. Опытная сталь содержала 0,13 % углерода, 1,25 % марганца, 0,05 % кремния, 0,5 % хрома, 0,022 % азота.

Максимальное содержание азота в нитридах наблюдалось в стали при нагреве до 600°С, минимальное - при 950-1000°С. Максимальная устойчивость нитридов хрома определена в стали при нагреве до 600°С, а при нагреве 900-1000°С отмечается их полное растворение ( рис.2.).

Результаты фазового и рентгено-структурного анализа низколегированной стали с хромом и азотом подтвердили наличие максимума содержания нитридов при нагреве стали до 600°С и минимума при нагреве до температуры выше 850°С ; определено соотношение нит-ридных и карбидных фаз в модельной стали ( табл.2.).

Таблица 2.

______Фазовы2_и_рентгено-стр2ктурный_анализ_опы^ой_ст

Фазовый состав

темпера-1кол-во ! содержание элементов, % масс.! тура .'Карбидов,!------т-----т-----т-----у-----1

нагрева j | Ä 1С ! МП | От. | Ы

600°С 1,695 1,30 0,11 0,14 0,13 0,015 Ме3С + С*/ 76,20 6,50 8,25 7,67 0,88

850°С 1,475 1,23 0,10 0,08 0,06 0,005 Ме3Сд^0П+ Ог)! 83,38 6,80 ' 5,42 4,06 0,34

. Состав фаз, обнаруженных при анализе осадков растворенных образцов стали: карбиды МедС и нитриды хрома C,ití . Карбиды Ме3С представляют собой состав С Те, МП, Сг )ПС. Исходя из стехиомет-рических соотношений в нитриде и карбидах, можно определить хром в нитриде и в карбидах .

Стехиометрическое соотношение в нитриде хрома CvJÍ : хрома к азоту как 52 к 14 равно 3,7:1. Например, при температуре нагрева 600°С на долю азота 0,88 % в выделившейся фазе приходится 0,88x3, «« 3,25 % хрома. В осадке хрома содержится 7,67 %, на долю карбида Ме3С приходится 4,42 %.

п.

Рис. :2. Кинетика выделения связанного азота ( I ) и

образования свободного азота ( 2) в низколегированной стали с хромом и азотом .

Полученные результаты следует расценивать как приближенные из-за допускаемой погрешности в методике выделения осадков.

Металлографическим исследованием и фазовым анализом определено выделение нитридов хрома в изотермических условиях. Сталь нагревалась до IOOO°C и резко охлаждалась на воздухе до температуры изотермической выдержки. Изотермическая выдержка проводилась при температурах 750, 700, 650, 600°С, продолжительность: 50 сек, 3- 5- 20- 60 мин. Опытная сталь содержала: углерода 0,13 %, марганца 1,12 %, кремния 0,18 %, хрома 0,65 % серы и фосфора по 0,006 %, азота 0,024 %.

Результаты определения выделившихся нитридов хрома-в условиях изотермической выдержки показали, что самое слабое выделение нит' ридов хрома происходит при температуре 750°С, а самое интенсивное при 600°С С рис.3.).

Горячекатаная сталь 12ХГ с содержанием хрома 0,33 %, подвергнутая нагреву при температурах 400- Ю50°С ( выдержка I час) и последующему охлаждению до 20°С имеет феррито-перлитную структуру При повторном нагреве до 750°С и охлаждении до 20°С в структуре появляются бейнитные участки и измельчается зерно. После нагрева стали до Ю50°С заметно увеличение размера зерна С до 0,031 мм).

Горячекатаная сталь 12ХГ с содержанием хрома 0,7 %, подвергнутая такому же процессу нагрева, имеет преимущественно феррито-перлитную структуру с участками бейнита, за исключением структуры образовавшейся при 700 и 800°С, когда бейнитные участки распадаются. При температуре нагрева 750°С заметно измельчается зерно за счет механизма охлаждения выделившихся первых- зародышей аустенита насыщенных углеродом до 0,8 %. Нагрев стали до 1000-Ю50°С приводит к образованию структуры типа видманштета и увеличению размера зерна .

Электронно-микроскопическим исследованием стали 12ХГ с 0,7 % хрома на микроскопе "ТЮЛА-613" обнаружены нитриды хрома Cill, которые идентифицированы методом электронной дифракции (рис.4). Параметр решетки нитридов хрома соответствует кубической гранецент-рированной £ = 0,414 нм. В интервале температур нагрева горячекатаной стали 600-900°С и охлаждения до 20°С наблюдается выделение

10 20 30 50 ВО 103 200 300 500 800 !0$ 2-ю3 5ю3 ю*

время, е.

Рис. з. . Кинетика выделения нитридов хрома в изотермических условиях;

те!.

ипературы изотермической выдержки. С: I- 600 , 2- 650 , 3- 700 750

Рис.4 •'. Электронная микроструктура низколегированной стали с 0,7 % хрома и азотом после нагрева: 600°С- а; 700°С- б; 750°С- в; 850°С- г; 900°С- д; х15600x3-6, в; х13000х3,5 - а, г, д .

и рост нитридов хрома размером от 10 до 100 нм. При 700°0 наблюдается наибольший рост нитридов хрома, при дальнейшем нагреве нитриды хрома растворяются и хром переходит в твердый раствор, методом стоп-закалки определено растворение нитридов хрома при 900°С.

После закалки низколегированной стали с хромом и азотом выделение нитридов хрома обнаружено после отпуска 550°С. Выделение нитридов хрома происходит легче и активнее из сорбитной структуры, чем из феррито-перлитнои.

Очевидно, параллельно с выделением и ростом нитридов хрома протекает процесс роста и растворения сложных карбидов типа ( Ре, Mh. , С? )3С, обнаруженных при фазовом анализе стали (табл.4).

Оптическая микроструктура стали I2ХГ с 0,65 % хрома после обработки в изотермических условиях слабо отражает влияние нитридов хрома. При охлаждении стали до 750°С определена феррито-перлитная структура, а при более сильном переохлаждении до 600 и 650°С вместе с ней видны участки бейнита .

С помощью электронной микроструктуры обнаружены выделения нитридов хрома в стали после закалки и изотермической выдержки при 600°С продолжительностью 3 мин. Нитридные включения в основном круглой формы располагаются преимущественно в приграничных зонах и на феррито-перлитной матрице. Размер таких нитридов достигает 5 -10 нм.

Нитриды хрома круглой формы обнаружены и в низколегированной стали с 0,35 % хрома и азотом.

Влияние_кит2ид0в_хр0ма_на^

ванно2_ма5ганецсрзержащей_стали_.

В системе хром-углерод возникают кубические, тригональные, орторомбические карбиды.

В реальных сталях хром применяется при содержании: 1,0- 2,0% в высокопрочных низколегированных сталях, 1,6- 3,0 % в инструментальных сталях, 12 % и более- в нержавеющих сталях.

Однако мало изучено влияние хрома совместно с азотом при со-аержании его 0,3- 0,7 %.

Температура растворения нитридов хрома 719°С, выше которой зитриды хрома способны растворятйся и переходить в твердый раствор. Растворившиеся в аустените нитриды хрома при 900°С не препят-;твуют росту зерна. Освободившиеся из растворенных нитридов хрома 1Томы хрома и азота способны влиять на увеличение скорости диффузи-

онного перемещения границ зерен, на рост аустенитных зерен.

.Влияние нитридов хрома на рост ферритного-действительного зерна обнаружено при нагреве горячекатаной стали 12ХГ, содержащей 0,65 % хрома и азот, и модельной низколегированной стали, не содержащей хрома и азрта. Нагреву подвергалась сталь при 400-750°С, выдержке I час и охлаждению до комнатной температуры. Введение в низколегированную сталь хрома и азота оказало влияние на

измельчение зерна до Ю- II балла ( 0,010-0,007 мм), которое сохраняется до температуры 650-700°С. Следовательно, сталь с нитридами хрома имеет преимущество в измельчении зерна над "чистой" сталью в горячекатаном состоянии.

Изучение кинетики распада аустенита при непрерывном охлаждении показало, что легирование "чистой" марганецсодержащей стали 0,65 % хрома с азотом 0,021 % незначительно повлияло на устойчивость аустенита.

Легирование марганецсодержащей малоуглеродистой стали нитри-дообразующими элементами определило наиболее благоприятный эффект упрочнения за счет нитридов ванадия: 0,05- 0,10 % ванадия и 0,015-0,024 % азота почти на 50 % увеличивает прочность при незначительном снижении ударной вязкости по сравнению с "чистой" сталью .

Значительный эффект упрочнения низколегированной горячекатаной стали обнаружен при введении нитридов хрома: механические свойства стали с 0,65 % хрома и азота 0,022 % находятся на уровне механических свойств горячекатаной стали, легированной карбо-нитридами титана или циркония ( рисЛ.),

Ударную вязкость можно оценить с помощью сериальной кривой, где сталь с 0,65 % хрома сопоставляется со сталью, дополнительно содержащей 0,04 % алюминия ( рис. 5.).

Используя результаты металлографического исследования, можно проследить за механизмом упрочнения стали нитридами хрома, который состоит из отдельных факторов: измельчение размера зерна аустенита, легирование феррита хромом, влияние частиц как дополнительных центров кристаллизации, структурные составляющие стали.

КЩ

темперам у ¡пои чоантлииц^ °С

Рис. 5. • Удзрная вязкость и волокнистая составляющая горячекатаной стали 12ХГ: I- без азота, 2- с азотом, 3- с азотом и алюминием .

Разработка марки низколегированной полуспокойной стали с нитридами хрома .

Разработка полуспокойной экономнолегированной стали с пределом текучести 450 МПа и относительным удлинением 18 % состоит из экстремального планирования эксперимента и исследования механических свойств стали 12Г2 с хромом и азотом с целью определения оптимального содержания упрочняющих элементов: углерода, хрома, марганца. Для решения задачи рационального легирования стали совместными добавками хрома и азота построена матрица планирования (табл. б.). Реализованные результаты опытов позволили достигнуть заданный уровень механических свойств и определить область химического состава марганцевой полуспокойной стали,легированной хромом и азотом.

Последующие исследования структуры и механических свойств стали 12ХГ-17ХГ позволили определить содержание упрочняющих элементов: углерода, хрома, марганца,- уточнить рекомендуемый химический состав стали, % по массе: С= 0,22-0,26, Мл = 1,3- 1,6 , С1 0,35- 0,65, & = 0,17, b! = 0,016- 0,030 .

Исследование способа раскисления низколегированной стали установило влияние степени раскисленности, выраженную срдержанием кислорода, на уровень ударной вязкости. Критическая температура хрупкости ( Т50) повышается на 50°С при увеличении содержания кислорода с 0,012 до 0,027 %.

ПЕОМЩленное_внеарение_и_исслеаование_ст

ЗЭ-КоММХНЭЕСКОМ^еталлургическо^комбинате,;.

Проведенные иа модельной стали 12ХГ исследования свидетельствуют о содержании химических элементов в полуспокойной низколегированной стали и соответствующих механических свойствах для шахтной крепи. Таким требованиям удовлетворяет экономнолегированная полуспокойная сталь марки 23ГАХпс.

Выплавка стали 23ГАХпс производилась в мартеновских печах двумя способами раскисления: полностью в ковше (в 300-тонных печах! с предварительным раскислением в печи высокоуглеродистым ферромарганцем за 5-10 минут до выпуска плавки ( в 600-тонных печах).

Сталь разливали сифонным способом в уширенные книзу несмазанные изложницы, оптимальное время разливки 3-6 мин на поддон. Слитки имели нормальную для полуспокойной стали раскисленность.

Прокатка слитков на блюмы производилась на блюминге "1250". Головная и донная обрезь находилась в пределах норм на полуспокойную сталь. Блюмы нагревались в методических печах сортопрокатного цеха, время нагрева 5,6-7,4 часа, температура металла при выходе из печей 1200-1220°С. - Заготовки прокатаны на спецпрофили шахтной крепи СВП-14, СВП-17, СВП-22, СВП-27 .

Макроструктура исследовалась на отобранном среднем по разливу слитке, из которого была вырезана продольная осевая плита толщиной 20 мм. По серйому отпечатку оценивалась макроструктура слитка. Определялась глубина залегания и протяженность подкорковых и сотовых пузырей на поперечных травленых темплетах от б-ти горизонтов. На темплетах готового проката макроструктура была без расслоений.

Макроструктура слитка и готового проката получилась такой же, как и в рядовой полуспокойной стали.

Химическая неоднородность металла определялась в 157 точках упомянутой плиты, установлена ликвация углерода, марганца, серы, фосфора, азота и хрома.

Результаты оценки макроструктуры слитка и готового проката, химической неоднородности стали 23ГАХпс не отличаются от параметров характерной рядовой полуспокойной стали.

Испытания на статическое растяжение проводились на горячекатаных цилиндрических образцах, изготовленных из утолщений спецпрофиля. Полученные данные механических свойств спецпрофилей из стали 23ГАХпс удовлетворяют нормам:б^ь 450 МПа, <0(, ± 650 МПа, 18 %.

Статистической обработкой 53 плавок-ковшей определены значения механических свойств спецпрофилей из стали 23ГАХпс ( табл.3.).

Таблица 3.

Химический состав и механические свойства отали 23ГАХпс.

Профиль | содержание элементов, £ масс. ___[ д _!_ МП__! $1 \ Сг ! ¿1

СВП-14 _Qi.2izQi.27_ lilQzli.Hl 0,09-0,14 0^32^46 0.015-0.020

0,24 " 1,19 ~ 0,11 " ~ 0,39 ~ ~ 0,018

СВП-22 it.22lQi.27 0.09-0.14 0,31гО,42 0,016-0,02$

¿,¿4 ~ 1Г28 ~ 0,11 ~ " 0,35 0,020

продолжение таблицы 3

Профиль механические свойства проката }

<ЗЧ> 1 МПа 1 | МПа 1 ЙГ, % |

СВП-14 450-540 650-790 . 18,0-29,0 !

506 710 22,3 |

СВП-22 450-550 670-750 18,0-29,0 |

492 708 _____1

Примечания: I. Содержание серы во всех плавках 0,020-0,038 % содержание фосфора 0,008- 0,040 %;

2,значения в таблице: в числителе минимальные .и максимальные, в знаменателе - средние .

Сталь 23ГАХпс имеет чувствительность к хрупкому разрушению на уровне полуспокойной стали; критическая температура хрупкости Тд^ равна 20°С .

Микроструктура готового проката преимущественно феррито-пер-литвая, а в тонкой стенке профиля СВП-14 обнаруживаются участки бейнита до 30 % ( рис. 6).

Тонкая структура спецпрофиля стали 23ГАХпс в горячекатаном состоянии обнаружила нитевидные построения нитридов хрома, а после отпуска 700°С горячекатаной стали видны нитриды хрома в виде палочек и эллипсов.

При исследовании кинетики распада аустенита стали 23ГАХпс установлена феррито-перлитная структура при скорости охлаждения менее 0,5 град/с. Большая скорость охлаждения приводит к образованию беинитных участков .

Исследования зоны термического влияния сварки стали 2ЭГАХпс в толщине 12 мм свидетельствуют, что присутствие добавок хрома ( в нитидах хрома ) в стали снижают склонность металла к разупрочнению. Полуспокойная сталь 23ГАХпс может быть оценена как

удовлетворительно свариваемая

Рис. б. Микроструктура стали марки 23ГАХпс в готовом прокате: I- "Крепкая" плавка, 2- "мягкая" плавка; зо и 10 % бвйнита соответственно. х 400.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ .

I. Исследовано влияние нитридообразусщих элементов ( йС , 7?., Ч , А¡¿, и режимов термической обработки на структуру и свойства малоуглеродистой марганецсодержащей стали ( Мп * 1,2- 1,6 % ) и установлено, что получение проката повышенной прочности 450

МПа ).и удовлетворительного уровня .ударное вязкости для специальных профилей шахтной крепи возможно при использовании упрочнения твердого раствора марганцем.с указанными микродобавками, либо хромом и азотом, обеспечивающими формирование дисперсной феррито-пер-литной структуры и получение высокого комплекса механических свойств без применения термической обработки.

■2. Определен уровень легирования модельной стали 12Г2 нитридо-образующими элементами (цирконием 0,11 %, ниобием 0,22%), а также микролегирования ( 0,02-0,06 % алюминия, титана) с азотом ( 0,0160,024 %), при котором достигается 320 МПа и ударная вязкость Кси « 100 Дж/см^; введение дополнительно 0,05 % ванадия обеспечивает б'«¡а ■ 450 МПа и такую же ударную вязкость.

3. Определено преимущество стали 12Г2 с 0,7 % хрома и 0,028 %. азота над модельной сталью I2Г2 в горячекатаном состоянии и после нагрева до 700°С по прочностным свойствам и ударной вязкости на л/ 20 % за счет образования нитридов хрома.

4. Электронно-микроскопическим исследованием горячекатаной стали 12Г2 с 0,7 % хрома и 0,022-0,028 % азота, нагретой до 600-900°С и охлажденной на воздухе, обнаружены нитриды хрома которые идентифицированы методом электронной дифракции; определен параметр решетки нитрида хрома О. - 0,414 нм.

5. При исследовании кинетики выделения и растворения нитридов хрома в горячекатаной стали 12Г2 с хромом и азотом химическим методом обнаружено максимальное содержание свободного азота после нагрева до 600°С ( 0,009- 0,015 %), минимальное - после нагрева до 1000°С и охлаждения ( 0,003- 0,004 %), что характеризует растворимость нитридов хрома.

Исследование кинетики выделения нитридов хрома при охлаждении нагретой до 1000°С горячекатаной стали 12Г2 с 0,65 % хрома и 0,024/? азота после изотермической выдержки показало, что после ступенчатого охлаждения стали до 600°С и выдержки 20 минут наблюдается наибольшее выделение нитридов хрома ( 0,023 % азота)..

6. Определено распределение хрома в горячекатаной стали 12Г2 с 0,5 % хрома и 0,022 % азота между твердым раствором и общей электрохимически выделенной фазой; при нагреве стали до 600°С и охлаждении на воздухе содержание хрома в общей фазе и в твердом растворе составляет соответственно 0,26 и 0,24 % .

7. Установлено положительное влияние нитридов хрома на склонность марганецсодержащей-стали к измельчению ферритного действительного зерна с 0,026 до 0,012 мм по сравнению с модельной сталью 12Г2 в горячекатаном состоянии и после нагрева до 700°С с последующим охлаждением на воздухе.

8. Установлено, что сталь с хромом 0,4-0,7 % и- азотом 0,022-D,028 fo склонна к образованию участков бейнита в феррито-перлит-ной структуре, обнаруживающихся при нагреве горячекатаной стали 10 700°С, 850- 950°С и охлаждении на воздухе.

9. При изменении содержания углерода с 0,06 до 0,21 %, а такие содержания хрома с 0,1 до 1,55 % и азота с 0,016 до 0,030 % в горячекатаной низколегированной стали 12Г2 установлено монотонное ювышекке предела текучести с 300 до 620 МПа и снижению ударной ¡язкости с 170 до 30 Дж/см^ при температуре минус 40°С .

10. Разработана полуспокойная низколегированная сталь с нитри-1ами хрома 23ГАХпс, которая по уровню механических свойств для 1ахтной крепи удовлетворяет: предел текучести 450 МПа, временное ¡опротивление 650 МПа, относительное удлинение 18 %.

Химический состав предлагаемой стали, % по массе: 0,22- 0,26 глерода, 1,3- 1,6 марганца, до 0,17 кремния, 0,36г 0,65 хрома, 1,016- 0,030 азота. Модификация стали одним из элементов, % по гассе: 0,03-0,06 ванадия, 0,04-0,06 титана, 0,005- 0,010 ниобия.

Сталь защищена авторскими свидетельствами № 424905 от 29.04. 974 года и № 459528 от 15.03.1975 года.

11. Освоена технология массового производства спецпрофилей ахтной крепи в условиях Коммунарского меткомбината, при которой таль 23ГАХпс выплавлялась в 600-тонных и в 300-тонных мартенов-ких.печах с разливкой в слитки 10—II т ; слитки прокатывались на пюминге "1250" и затем на стане "600".

12. Результаты механических испытаний спецпрофилей шахтной репи стали марки 23ГАХпс удовлетворяют нормам технических усло-ий ТУ I4-I-I272-75: 450 МПа, <51? а 650 МПа, ä iq

13. Промышленные плавки стали 23ГАХпс в профиле СВП-22 имеют в основном благоприятную для стали феррито-перлитную структуру и лишь на отдельных образцах профиля СВП-14 обнаружены участки колоний бейнита в феррито-перлитной матрице .

14. Статистической обработкой определены средние данные по механическим свойствам готового проката:

- временное сопротивление 708 МПа С ниже нормы 650 МПа ^ 3,5 %), ~ предел текучести 496 МПа ((ниже нормы 450 МПа * 5,0 %),

- относительное удлинение 21 % ( ниже нормы 18 % ¿4,5 %), что отвечает требованиям технологии массового производства.

15. Внедрение стали марки 23ГАХпс взамен стали 5пс с соответствующим уменьшением сечения профиля на одну ступень только по объёму производства спецпрофиля на Коммунарском металлургическом комбинате дало экономический эффект при снижении металлоёмкости 282 тыс. руб. в год.

Основные результаты работы отражены в публикациях :

1. Орел Е.И., Литвиненко Д.А., Рудченко A.B. и др."Конструкционная сталь".Авторское свидетельство № 424905VБюллетень К» 15,1974.

2. Орел Е.И. .Литвиненко Д.А., Морозов Ю.Д. и др."Конструкционная сталь". Авторское свидетельство К? 459529VБюллетень изобретений fe 5, 1975 .

3. Морозов В.Д., Литвиненко Д.А., Орел Е.И. и др. - Экономно-легированная сталь для крепи горных выработок.//Бюллетень института Черметинформация, 1976, H« 3, С.46-48.

4. Морозов Ю.Д., Литвиненко Д.А., Орел Е.И. и др.- "Структура и химическая неодйородность слитка и проката стали 23ГАХпс".//Качественные стали и сплавы. Тем. сб. научн. трудов ЦНИИЧМ. М: Металлургия, 1977, № 2, .С. 50- 55.

'5. Орел Е.И., Литвиненко Д.А., Карчевская Н.И.- Влияние хрома и азота на свойства низколегированной стали.// МиТОМ, 1979, № 7, С. 5- 6.

<