Влияние хрома.
Влияние хрома на хладностойкость, по одним данным, слабо отрицательное, по другим – нейтральное. Для работы при низких температурах более широкое распространение получили низкоуглеродистые стали, легированные хромом совместно с другими элементами – хромомарганцекремнистые, хромоникелевые, хромомолибденовые.
Влияние никеля.
Никель один из элементов, в наибольшей степени повышающий хладностойкость стали. Переход в хрупкое состояние в никелевых сталях протекает более медленно и постепенно в широком температурном диапазоне. Если благотворительное влияние марганца на хладностойкость оценивать условным коэффициентом 2, молибдена 3 – 5,то влияние никеля оценивается коэффициентом 10. При этом марганец оказывает положительное влияние только при определенных содержаниях, молибден – при низких, никель – пропорционально его содержанию в стали.
Никель и железо обладают полной взаимной растворимостью и имеют почти одинаковое кристаллическое строение решеток. Никель не образует карбидов и находится в стали в твердом растворе в феррите или аустените.
С повышением содержания углерода хладноломкость никелевых сталей заметно повышается, что можно частично компенсировать повышением содержания никеля.
Никелевые низкоуглеродистые стали получили широкое распространение в США и Японии, Франции, Италии для конструкций и сооружений, работающих при низких температурах.
Исследования показали, что стали, содержащие 9% Ni, деформированные и литые при температурах -200 град. С, имеют благоприятное сочетание прочности и ударной вязкости, высокое качество сварных швов и являются наиболее подходящим материалом для изготовления емкостей, предназначенных для хранения и транспортировки таких жидких газов, как азот, кислород, метан, ацетилен.
Положительное влияние никеля на хладностойкость проявляется и для большинства многокомпонентных сталей. Хромоникелевые, хромоникелемолибденовые и хромоникелемарганцевые стали отличаются относительно высоким уровнем ударной вязкости при низких температурах.
Но применение дорогого никеля часто является нецелесообразным, если сталь работает при температуре до -60.
Влияние молибдена и вольфрама.
Молибден – активный карбидообразующий элемент. Он способствует сфероидизации карбидов, измельчает зерно, снижает критическую скорость закалки и существенно увеличивает прокаливаемость стали. По положительному влиянию на хладностойкость он уступает только никелю.
В тоже время с повышением содержания углерода положительное влияние молибдена на хладностойкость снижается и для ряда сталей становится отрицательным. Дороговизна молибдена делает его применение часто неоправданным.
Влияние вольфрама аналогично молибдену, но эффективность его воздействия на структуру и свойства стали примерно в три раза слабее. Поэтому оптимальные содержания вольфрама в конструкционных сталях обычно колеблются в пределах 0,5 – 1,5%. Применение его для хладностойких строительных сталей нерационально.
Влияние серы.
С увеличением содержания серы, и следовательно количество сульфидов пластичность и вязкость стали снижаются, а способность к хрупкому разрушению заметно возрастает.
Изучение влияния серы на хладностойкость литой стали 25Л, показали, что увеличение содержания серы в пределах марочного состава от 0,02% до 0,054% при -40 град С более чем в два раза снижают ударную вязкость литой стали; дальнейшее же увеличение ее содержания (до 0,112%) оказывает меньшее влияние. Практически полное охрупчивание стали независимо от содержания серы наступает уже в интервале (-60) – (-80). Повышение содержания серы на 0,01% в диапазоне от 0,02 до 0,05% сдвигает критическую температуру хладноломкости примерно 15-17 град.
Исследования показали, что с увеличением содержания серы соответственно возрастало количество сульфидных включений, являющихся концентраторами напряжений и источниками образования трещин. При прочих равных условиях снижение содержания серы является эффективным средством повышения хладностойкости стали.
Влияние фосфора.
Фосфор, как и сера, относится к вредным примесям, наиболее сильно влияющим на свойства стали. По мере повышения содержания углерода охрупчивающее влияние фосфора возрастает. Углерод вытесняет фосфор из раствора на границы зерен, что существенно ослабляет межкристаллические связи. Подобное влияние на фосфор оказывает и марганец. И особенно опасно совместное влияние углерода (>0,3%) и марганца (>1,0%) на хладноломкость сталей с повышенным содержанием фосфора. Микронеоднородность в такой стали способствует образованию грубодендритных структур, которые ослабляют металлическую матрицу и увеличивают хладноломкость стали.
Никель, молибден, ванадий несколько уменьшает вредное влияние фосфора в указанных сталях, однако и в этих стаях следует снижать содержание фосфора до минимума.
Охрупчивающее влияние фосфора проявляется в ослаблении межкристаллических связей за счет обогащения границ зерен элементарным фосфором, а также за счет образования неметаллических включений фосфидной эвтектики, являющихся концентраторами напряжений. Вредное влияние фосфора на хладноломкость однозначно для всего сортамента конструкционных сталей. Результаты испытаний ударной вязкости в диапазоне температур от +20 до -80 град С показывают, что увеличение содержания фосфора от 0,02 до 0,10% однозначно снижает ударную вязкость литой стали для всех температур испытания примерно в четыре-шесть раз. Для среднеуглеродистой стали увеличение содержания фосфора на 0,01% сдвигает критическую температуру хладноломкости примерно на 20 град в сторону положительных температур.
Влияние примесей цветных металлов.
Известно отрицательное влияние примесей цветных металлов – свинца, висмута и сурьмы. Являясь поверхностно активными по отношению к железу, эти примеси в процессе кристаллизации стали выделяются по границам зерен и дендритных образований, существенно засоряя их периметр и ослабляя межкристаллические связи.
2. Термическая обработка.
Известно, что природно мелкозернистые стали более хладностойки, чем крупнозернистые. Мелкое зерно аустенита, получаемое после присадки алюминия, существенно повышает показательной ударной вязкости при низких температурах. Поэтому опасным является перегрев стали, вызывающий рост аустенитных зерен. На хладноломкость влияет и размер ферритного зерна. Между величиной размера зерна феррита и критической температурой хрупкости для низкоуглеродистых сталей установлена однозначная прямолинейная зависимость.
Также известно благоприятное влияние на хладностойкость мелкодисперсных сфероидальных карбидов и отрицательное влияние пластичных карбидов в перлите, по мере роста размеров которых повышается критическая температура хрупкости.
Правильно выбранный режим термической обработки позволяет получить оптимальную структуру стали, обеспечивающую наивыгоднейшее сочетание механических показателей и в том числе наивысшую хладностойкость.
Улучшение является наилучшим видом термической обработки с точки зрения получения комплекса свойств и наиболее низкой критической температуры хладностойкости. Влияет и температура отпуска. С повышением температуры отпуска улучшаются пластические стали и хладностойкость.
Нормализация – наиболее часто применяемый вид термической обработки для хладностойких сталей. Высокий отпуск после нормализации значительно снижает склонность стали к хрупкости, т. е. существенно повышает хладностойкость.
Отжиг – наиболее неподходящая для хладностойких сталей термическая обработка. Отрицательное влияние отжига проявляется в образовании грубой блочной дифференцирования структуры вследствие медленного охлаждения. Режимы отжига обуславливают самые низкие показатели хладностойкости.
Для деталей, работающих при низких температурах, применяют высокий отпуск, обеспечивающий наиболее низкие критические температуры хладноломкости. На практике в условиях производства для крупных или сложных форм отливок процессы закалки е всегда технологичны и целесообразны. Для большинства отливок рекомендуются процессы нормализации, обеспечивающие удовлетворительные дисперсность структуры и уровень свойств. А последующий отпуск существенно улучшает хладностойкость. На производстве часто применяют отжиг, а исследования показали, что значениям ГОСТа по ударной вязкости при -40, соответствует только режим улучшения (на примере стали 35Л), поэтому важно менять технологии производства сталей для отливок.
Термическая обработка является важнейшим процессом при получении качественной стали.
3. Раскисление.
Кислород в стали.
При окислительных процессах металлическая ванная обогащается кислородом, при восстановительных – обедняется. При этом из растворимых в стали активных форм кислород переходит в пассивные нерастворимые формы, образуя комплексы эндогенных оксидных включений. Часть включений удается удалять из ванной, но некоторые остаются в виде шлаковой фазы. Применение алюминия позволяет эффективно снижать содержание кислорода в начале восстановительного периода электроплавки.