Высокомарганцевые аустенитные стали

1.4 Отношение Мn : С

Отношение Мn : С играет существенную роль в формировании комплекса механических свойств и износостойкости стали 110Г13Л. Авторы работ утверждают, что вопрос об оптимальном соотношении содержания марганца и углерода нельзя считать окончательно решенным. Не во всех заводских технических условиях оговаривается важность соблюдения отношения Мn : С > 10, однако в большинстве работ и технических условий на изготовление отливок из стали 110Г13Л указывают на такую необходимость с целью обеспечить высокие значения прочности, пластичности и ударной вязкости.

Если на горизонтальном разрезе диаграммы фазового равновесия системы Fe—Мn—С нанести линии, показывающие отношение Мn : С = 10 и Мn : С = 8, то видно, что все рекомендуемые ГОСТ 21357—87 составы удовлетворяют отношению Мn : С > 8 (рис. 1.3.). Из этой диаграммы также следует, что стали с содержанием углерода выше 1,3 % находятся близко к границе растворимости углерода в аустените. Такие стали после закалки могут иметь пониженную ударную вязкость из-за присутствия нерастворившихся карбидов.

Авторы работы также считают, что для получения высоких показателей механических свойств необходимо обеспечить отношение Мn : С > 10.

Однако встречаются работы в которых утверждается, что износостойкость и ударная вязкость стали 110Г13Л не зависят от отношения Мn : С и, следовательно, оно не обязательно должно быть равным десяти или больше десяти. По данным исследований, отношение Мn : С = 7,5 —8,5 вполне обеспечивает после надлежащей термической обработки чистоту стали по карбидам и понижает ее чувствительность к трещинообразованию.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.3. Пределы содержания углерода и марганца в стали 110Г13Л по ГОСТ 2176—57 и техническим условиям заводов, изготовляющих отливки для дробильно - размольного оборудования:

1 — ГОСТ2176—57; 2 —ТУ заводов «Серн и молот» (Москва) и Брянского завода дорожных машин; 3 —ТУ Уралмашзавода; I — аустсниг.

II — аустснит + мартенсит; III — мартенсит; IV — карбиды

Опыт работы показал, что с повышением в металле концентрации марганца при постоянном содержании углерода, т. е. с ростом отношения Мn : С, ударная вязкость высокомарганцевой стали не зависит от величины этого соотношения, но растет усадка, а следовательно, и склонность отливок к образованию горячих трещин. Отношение Мn : С = 8 обеспечивает аустенитную структуру и приемлемую абразивную износостойкость высокомарганцевой стали; при увеличении этого отношения от 9 до 12 брак по горячим трещинам увеличивался более, чем в 2 раза как следствие повышенной усадки металла. Можно сделать вывод, что при отливке звеньев гусениц вполне допустимо отношение Мn : С = 8,2. Сталь с пониженным отношением Мn : С = 8,0 — 8,5 не вызывала каких-либо затруднений при заливке и термической обработке.

 

 

 

1.5 Кремний

Кремний вводится в сталь 110Г13Л, как и в углеродистые стали, в количестве, необходимом для раскисления. Положительная роль кремния заключается также в улучшении литейных свойств стали: повышение его содержания от 0,17 до 1,11% приводит к улучшению жидкотекучести примерно в 1,5 раза, что снижает брак по неспаям и недоливам и положительно отражается на качестве отливок сложной формы. Кроме того, повышение концентрации кремния в высокомарганцевой стали от 0,2 до 1.2% снижает ее усадку с 2,9 до 2,3% и способствует повышению трещиностойкости отливок, что связано с образованием силицидов железа, марганца и нитридов кремния в твердом растворе замещения кремния в марганцевом аустените, тормозящих усадку стали .

Особенно резко вредное влияние кремния сказывается при высоком (выше 1,2 %) содержании углерода. По данным Н.Г. Давыдова, наибольшую ударную вязкость и наилучшую хладостойкость имеет сталь, содержащая 0,35—0,60 % Si, а дальнейшее повышение концентрации кремния снижает ударную вязкость как при комнатной, так и при отрицательной температурах (рис. 1.4).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.4 Влияние содержания кремния на ударную вязкость стали 110Г13Л

При относительно низких температурах (ниже 1050°С) кремний ускоряет диффузию углерода, увеличивая эффективный коэффициент диффузии.

Повышенное содержание кремния в высокомарганцевой стали способствует образованию дендритной и крупнозернистой структуры в отливках и может приводить к резкому снижению пластичности, что делает эту сталь непригодной к эксплуатации в динамических условиях нагружения, особенно при отрицательных температурах.

В большинстве случаев содержание кремния в стали 110Г13Л должно определяться только необходимостью обеспечения глубокого раскисления металла.

 

 

1.6 Фосфор

Проблема достижения низкого содержания фосфора в стали 110Г13Л является одной из основных в обеспечении ее качества. В сталь 110Г13Л фосфор вводится в основном с ферромарганцем, поэтому при содержании марганца 13% концентрация фосфора повышается до 0,08—0,1%. Конечная его концентрация в промышленных плавках обычно составляет 0,09—0,12 %. Удалить фосфор после легирования марганцем известными методами окислительной плавки (железисто-известковые шлаки) невозможно из-за преимущественного окисления марганца. В основе вредного влияния фосфора лежат два его свойства — значительное расширение двухфазной области между линиями ликвидуса и солидуса, вследствие чего возникает сильная первичная ликвация и, во-вторых, относительно малая скорость диффузии фосфора в аустeните, что служит причиной медленного рассасывания образовавшихся сегрегации. Совместное действие обоих факторов приводит к неравномерному распределению фосфора в стали.

Фосфор, по мнению большинства исследователей, вредно влияет на механические и служебные свойства стали 110Г13Л, обсуждаются лишь допустимые пределы его концентрации. В результате увеличения содержания фосфора в стали 110Г13Л резко снижаются ударная вязкость, хладостойкость и пластичность, увеличивается склонность к образованию горячих трещин, укрупнению зерна аустeнита и транскристаллизации. Так, увеличение концентрации фосфора от 0,021% до 0,168% сопровождается снижением ударной вязкости стали 110Г13Л в 3,4 раза, относительное удлинение и сужение — в 2,7—3,6 раза, временное сопротивление разрушению — в 1,7 раза при практически неизменном пределе текучести, особенно начиная с его концентрации 0,03—0,08%.

Повышенное содержание фосфора резко снижает ударную вязкость, хладостойкость и износостойкость стали, повышает ее склонность к образованию трещин, укрупнению зерна аустeнита и транскристаллитному строению отливок.

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.5. Влияние фосфора на ударную вязкость (а) и порог хладноломкости (б) стали 110Г13Л

Наилучшие показатели пластичности, прочности, хладостойкости, износо- и трещиностойкости достигаются при содержании в высокомарганцевой стали 0,06 % фосфора и ниже; при снижении концентрации фосфора до 0,04% прочностные и пластические свойства стали повышаются примерно на 15—20%, ударная вязкость возрастает почти в 2 раза при нормальной и в 7—8 раз при отрицательной температуре.

Учитывая однозначное и весьма вредное влияние фосфора практически на все механические и эксплуатационные свойства, необходимо стремиться к минимальному содержанию этого элемента в высокомарганцсвой стали (<0,050 %).

1.7 Сера

Сера присутствует в стали в небольшом количестве в основном в виде легкоплавких сульфидов марганца, которые легко переходят в шлак при выплавке стали. Поэтому считают, что сера при обычном ее содержании 0,02—0,03 % не оказывает заметного влияния на свойства стали 110Г13Л. Небольшое количество включений марганцовистых сульфидов редко оказывает какое-либо заметное влияние, поэтому влиянием этого элемента можно пренебречь.

2. Дополнительное легирование стали 110Г13Л

2.1 Хром

Наиболее часто сталь 110Г13Л легируют хромом. Хром, как более сильный, чем марганец, карбидообразующий элемент, входит в состав кристаллической решетки цементита (Fe, Сг, Мn)₃С, не образуя при небольшом его количестве специальных карбидов в стали 110Г13Л. Входя в состав карбида, хром повышает твердость и прочность карбида. Поскольку хром уменьшает термодинамическую активность и коэффициент диффузии углерода в аустените, то хромсодержащие карбиды медленнее образуются в процессе охлаждения, пограничное выделение карбидов при нагреве менее вероятно, однако они значительно труднее растворяются в аустените при нагреве под закалку. Поэтому для закалки отливок из стали 110Г13Л, легированной 1—3 % Сr, необходимо нагревать их до температур 1120— 1170 °С.

По мерe увеличения содержания хрома в стали 110Г13Л наблюдается выделение карбидов по границам и внутри зерен, в результате чего из-за повышенных внутренних напряжений возрастает склонность отливок к образованию трещин. Результаты большинства работ указывают на повышение твердости, прочностных свойств и в особенности предела текучести и износостойкости стали 110Г13Л по мерe увеличения содержания хрома, сопровождающееся снижением пластичности и ударной вязкости. Часть карбидов в процессе нагрева под закалку растворяется и упрочняет марганцевый аустeнит. Прочность стали повышается, а пластичность и вязкость несколько снижаются. С повышением концентрации хрома в стали 110Г13Л до 1,3 % слабо изменяет ударную вязкость, значение которой быстро снижается при более высоком содержании хрома.

Так, введение в сталь 110Г13Л хрома в количестве 1,5—3 % обеспечило повышение износостойкости дробящих плит щековых дробилок, футеровок шаровых мельниц, лопастей импеллерных машин и других деталей почти в 2 раза.

2.2 Никель

При оценке влияния легирования никелем на комплекс механических свойств и износостойкость стали 110Г13Л следует исходить из того, что никель повышает энергию дефектов упаковки марганцевого аустенита, увеличивая подвижность дислокаций и снижая его способность к деформационному упрочнению.

Основное достоинство никеля как легирующего элемента в стали 110Г13Л состоит в резком повышении ударной вязкости при отрицательных температурах и соответствующем снижении порога хладноломкости аналогично ферритно-мартенситным сталям (рис. 2.1.)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.1. Зависимость ударной вязкости стали 110Г13Л без никеля ( 1 ) и легированной 3,25% Ni ( 2 ) от температуры испытания

Легирование никелем не должно быть чрезмерным. При увеличении концентрации никеля с 0,06 до 3,36 % ударная вязкость падает с 2,43 до 1,75 МДж/м, оставаясь все же достаточно высокой. Влияние никеля на снижение ударной вязкости объясняется тем, что никель уменьшает растворимость углерода в аустените. При повышенной концентрации углерода ухудшение ударной вязкости стали, содержащей 2—4 % Ni, еще более заметно.

Другое ценное количество легирования никелем стали 110Г13Л — стабилизация аустенита при повышенных температурах. Присадка в сталь с пониженным содержанием углерода (0,6—0,9 %) примерно 3% Ni обеспечивает вязкость и прочность, характеризующие обычную высокомарганцевую сталь, и уменьшает выделение карбидов при нагреве.

Американская и английская литература рекламирует высокомарганцевую сталь с добавкой более 3% Ni, закалку которой можно заменить нормализацией или совсем обойтись без термической обработки, так как уже в литом состоянии сталь имеет аустенитную структуру. При этом никель не только стабилизирует аустенит, но и расширяет его область.

Введение в сталь 110Г13Л никеля улучшает ее обрабатываемость давлением, свариваемость, повышает устойчивость аустенита при высоких температурах (400- 600 °С), т.е. тормозит карбидообразование, при этом заметно уменьшается склонность к образованию горячих и холодных трещин.

2.3 Ванадий

Из легирующих элементов ванадий — один из наиболее эффективных. В последние 30 лет ванадий все более широко используется в качестве микролегирующего элемента для модифицирования свойств сталей различного класса. Увеличивая параметр решетки, он заметно повышает прочность аустенита, как сильный карбидообразующий элемент уменьшает размер зерна, снижает склонность сталей к перегреву, улучшает другие физико-механические, технологические и эксплуатационные свойства. На литейные свойства стали 110Г13Л небольшие добавки ванадия (до 0,5 %) практически не оказывают влияния.

Отмечено положительное действие ванадия — повышение плотности стали, уменьшение ликвации марганца и снижение чувствительности стали к перегреву при термической обработке.

Одно из наиболее цепных качеств ванадия как легирующего элемента — его способность измельчать зерно, что связывается с барьерным эффектом карбидов и нитридов ванадия с получением мелкозернистой структуры, не чувствительной к росту зерна при термической обработке.

Из общего количества ванадия в закаленной стали 110Г13Л примерно 75 % находится в твердом растворе, а остальной ванадий — в карбидах и оксидах. При легировании ванадием стали 110Г13Л в пределах 0,18—0,44% в структуре присутствуют мелкодисперсные нитриды, карбонитриды и карбиды ванадия, благоприятно влияющие на механические свойства. Ударная вязкость стали, содержащей 0,44% V, при 20 °С была более чем на 35% выше, а при - 40°С примерно в 4 раза больше, чем в стали 110Г13Л без ванадия. Содержание ванадия в стали в пределах 0,18—0,44 % обеспечивает стали 110Г13Л максимальную ударную вязкость также и при - 100°С.  Повышение концентрации ванадия свыше 0,44 % сопровождается выделением по границам зерен пленочных неметаллических включений ванадиевой шпинели (FeO*V₂O₃) и скоплениями труднорастворимых карбидов, что вызывает ухудшение механических характеристик.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.2. Влияние содержания ванадия на ударную вязкость стали 110Г13Л

Повышение содержания ванадия свыше 0,44% снижает уровень ликвации марганца, что приводит к стабилизации аустенита и снижению количества продуктов его распада.

2.4 Молибден

Легирование стали 110Г13Л относительно дорогим карбидо-образующим элементом — молибденом представляет ограниченный интерес прежде всего с точки зрения его способности увеличивать устойчивость аустенита в перлитной области распада и способствовать глобуляризации, повышать дисперсность и равномерность выделения карбидной фазы. Поэтому сталь Г. Нормана с пониженным марганцем типа 120Г6МЛ содержит около 1% Мо, за рубежом иногда применяются стали типа 110Г13Л, легированные от 0,75 до 2% Мо. Предел растворимости молибдена в стали 110Г13Л составляет 2,4%. Важная для получения качественных отливок роль молибдена состоит также в его способности измельчать зерно аустенита и вследствие замедления диффузии углерода препятствовать пограничным выделениям карбидов, существенно снижать зону транскристаллизации, увеличивать растворимость фосфора в аустените и тем самым ослаблять его ликвацию в междендритные области. Частично находясь в твердом растворе и частично входя в состав карбидов, молибден уменьшает чувствительность стали к перегреву, с другой стороны, снижает порог хладноломкости марганцевого аустенита. Легированная молибденом высокомарганцевая сталь обладает повышенной трещи-ностойкостью. Легирование молибденом не оказывает существенного влияния на начальную твердость стали 110Г13Л, однако улучшает ее восприимчивость к наклепу, что видимо, обусловлено твердорастворным упрочнением, поскольку размерный фактор при введении молибдена в твердый раствор один из наибольших.