Розробка та дослідження спеціальних засобів виробництва високоміцної сталі ЕШП з регламентованими властивостями

Размещено на http://allbest.ru

Національна АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНЫ

Інститут електрозварювання ім. Є.О Патона.

Цикуленко Костянтин Анатолійович

УДК 669.187.56.001.5.

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Розробка та дослідження спеціальних засобів виробництва високоміцної сталі ЕШП з регламентованими властивостями

Спеціальність 05.16.07.

“Металургія високочистих металів та спеціальних сплавів”

Київ 2000

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Саєнко В.Я., Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, провідний науковий співробітник.

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук, чл.-корр. НАН України Чернега Д.Ф., Національний технічний університет України “КПІ”, зав.кафедрою фізико-хімічних основ технології металів.

Кандидат технічних наук, Грановський В.К., Департамент промислової політики Кабінету Міністрів України, нач. управління стратегії та розвитку підприємств чорної металургії.

Провідна установа: Національна металургійна академія України, кафедра електрометалургії, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться “_20_” грудня 2000р. о 10.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.182.01. при Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України за адресою 03680, Київ-150, МСП, вул.Боженка,11

С дисертацією можна ознайомитися в науково-технічній бібліотеці Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України.

Автореферат розісланий “_17_” листопада 2000г.

Вчений секретар

спеціалізованої ради,

доктор технічних наук Кіреєв Л.С.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Стійкою тенденцією сучасного розвитку техніки є зниження ваги металоконструкцій і деталей з одночасним підвищенням експлуатаційних навантажень. Це обумовлює поширене застосування високоміцних сталей. При цьому зростають і міцностні характеристики цих сталей. Межа текучості при статичному навантаженні є головною характеристикою, що використовується при розрахунках на міцність. Водночас підвищення межі текучості вище 1000-1200 Н/мм² звичайно пов'язано з різким зниженням експлуатаційної надійності сталі. Руйнування в цьому випадку може відбуватися при напруженнях значно менше розрахункових. При цьому енергоємність руйнування може бути істотно меншою, ніж у сталі з меншою межею текучості. Крім того, збільшення основних параметрів роботи сучасних машин і механізмів при одночасному зниженні їх металоємності призводить до зростання шкідливих вібрацій і шумів, підвищенню небезпеки руйнування деталі при проходженні коливань системи через резонанс унаслідок звичайної акустичної втоми, зниженню надійності роботи механізмів і погіршенню умов праці. Особливо це стосується сталей, що працюють в умовах високошвидкісного ударного і вібраційного навантаження в конструкціях бронетехніки, суднокорпусного виробництва, платформ кар'єрних великовантажних самоскидів, ресор автомобілів і т.п. Велике значення набуває така властивість як здатність сталі до демпфірування, тобто її спроможність поглинати механічні коливання, пручатися розвитку циклічної пластичної деформації, що передує руйнуванню. При цьому високі вібропоглинаючі властивості сталі повинні сполучатися з високою енергоємністю її руйнування. Подальший розвиток техніки в зазначених галузях неможливий без створення нових спеціальних засобів виробництва сталей з високими енергоємністю руйнування і демпфіруючою спроможністю, а з огляду на те, що необхідна енергоємність руйнування в поєднанні з необхідною демпфіруючою спроможністю, часто залежить від призначення сталі, засіб її виробництва повинен також забезпечувати певну регламентацію властивостей сталі. У зв'язку з цим робота з дослідження засобів виробництва таких сталей є дуже актуальною.

Мета і задачі досліджень. Основною метою даної роботи була розробка засобів виробництва високоміцної сталі з регламентованими властивостями.

Для досягнення зазначеної мети треба було вирішити такі задачі:

вивчити можливості підвищення енергоємності руйнування високоміцних сталей під впливом високошвидкісного ударного навантаження;

оцінити засоби виробництва сталей з високою демпфіруючою спроможністю;

оцінити можливості керування властивостями квазішаруватих сталей при різноманітних засобах їх виробництва;

дослідити характер формування зони з'єднання шарів і вплив цієї зони на властивості квазішаруватої сталі;

дослідити вплив металургійної якості сталі і міцності з'єднання шарів на характер руйнування і демпфіруючу спроможність квазішаруватої сталі;

розробити технологію виробництва квазішаруватої сталі з регламентованими властивостями - сталі “квазіпласт”;

дослідити особливості поводження сталі “квазіпласт” при різноманітних видах навантаження.

Наукова новизна. У результаті виконаної роботи вперше виявлено вплив міцності з'єднання шарів на в'язкостні та міцностні характеристики високоміцної квазішаруватої сталі ЕШП. Показано, що цей вплив має неодноманітний характер. Вперше одержані демпфіруючі характеристики квазішаруватої сталі, у залежності від їх будови і міцності з'єднання шарів.

Уточнено роль атмосферного азоту в утворенні зони з'єднання шарів. Вперше експериментально показано, що азот практично не розчиняється у високоміцної Cr-Ni-Mo-V сталі ЕШП при нагріванні її під прокатування та подальшому охолодженні, а при прокатуванні його розчинність істотно обмежена. Одержали подальший розвиток питання утворення зв'язку між шарами, а також руйнування квазішаруватої сталі в цілому під дією статичних і динамічних навантажень.

Встановлено, що міцність з'єднання шарів квазішаруватої сталі визначають інтрузити - неметалічні вкраплення, пори, несуцільності сформовані в результаті тих або інших технологічних прийомів, при цьому мають значення їхній склад, кількість і морфологія. За допомогою коефіцієнтів кореляції визначено ступінь впливу окремих типів неметалічних вкраплень на міцність з'єднання шарів високоміцної квазішаруватої сталі ЕШП. Сформульовано принципи побудови технологічного процесу виробництва квазішаруватої сталі з регламентованими властивостями.

Практичне значення. На основі досліджень електрошлакового переплаву високоміцних сталей і процесів формування зони з'єднання шарів із цих сталей при прокатуванні розроблено засіб виробництва високоміцної сталі “квазіпласт”, що має заздалегідь задані підвищену динамічну міцність і високі демпфіруючі властивості.

Особистий внесок автора полягає в дослідженні можливості підвищення енергоємності руйнування високоміцної сталі на основі застосування останніх досягнень в області ЕШП; дослідженні впливу міцності з'єднання шарів квазішаруватої сталі на її властивості, а також питань, пов'язаних із забезпеченням необхідної міцності з'єднання за рахунок різноманітних технологічних операцій. При його особистій участі вивчені процеси формування зони з'єднання шарів квазішаруватої сталі, а також особливості руйнування квазішаруватої сталі при різноманітних навантаженнях.

Апробація роботи. Основні положення роботи були повідомлені на Конференції “Досягнення в області особливо міцних сталей і сплавів” секції особливо міцних сталей Наукової ради АН СРСР по нових конструкційних матеріалах у Ленінграді в 1990 р., а також на XVI Конференції з питань розсіювання енергії при коливаннях механічних систем у Києві в 1992 р.

Публікації. Автор має 27 наукових праць. Основні положення дисертації опубліковані в 9 статтях і захищені 1 авторським посвідченням.

Структура й обсяг роботи.

Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, загальних висновків, літератури (104 джерела) і додатків. Робота викладена на 123 сторінках машинописного тексту, включаючи 14 таблиць і 57 рисунків.

Загальний зміст роботи

квазіпласт сталь електрошлаковий

У вступі обґрунтована наукова і практична актуальність розробки технології виробництва високоміцної сталі з регламентованими властивостями. Сформульовано мету і задачі, що необхідно вирішити в процесі досліджень, наведені наукові і практичні результати роботи.

Сучасний стан виробництва сталей з регламентованими властивостями. Перший розділ присвячено аналізу шляхів підвищення експлуатаційної надійності високоміцних сталей, виходячи із сучасних уявлень про механізм руйнування і природи розсіювання енергії механічних коливань; оцінці впливу металургійних чинників на енергоємність руйнування конструкційних сталей і їхньої демпфіруючої спроможності, а також розгляду будови, виробництва і властивостей існуючих матеріалів із квазімонолитним зв'язком.

На підставі вивчення робіт із крихкого та в'язкого руйнування високоміцних сталей і розгляду методик розкладання ударної в'язкості на складові частини проаналізовані наявні літературні дані по впливу металургійних чинників на енергоємність руйнування високоміцних сталей. З огляду на те, що експлуатаційна надійність сучасних машин і механізмів неможлива без врахування вібропоглинаючих властивостей матеріалів, з яких вони виготовлені, проаналізовані також основні механізми високого демпфірування. Показано, що істотного підвищення експлуатаційної надійності високоміцних сталей при сучасних вимогах до їхнього рівня міцності можна очікувати у випадку застосування високочистих сталей з дисперсною кристалічною структурою й ультра малим розміром аустенітного зерна, а також із шаруватою структурою. У випадку шаруватої структури вихід тріщини, що виникла у металі, у розшарування призводить до припинення її просування і до релаксації розтягуючих напружень у її вершині. Для руйнування наступного шару в ньому повинна утворитися нова тріщина, але вже в умовах близьких до одновісного напруженого стану на гладкій поверхні, на що потрібна додаткова енергія. Показано також, що найбільш прийнятною основою для створення високоміцної сталі високого демпфірування є сплави з різко вираженою гетерогенною структурою і, зокрема, композиційні і шаруваті матеріали. Виходячи з цього, основним напрямком при розробці засобу виробництва високоміцної сталі з регламентованими властивостями став напрямок, що передбачає одержання сталі високої металургійної якості з великим опором зародженню тріщини і створення в ній шаруватості, що сприяє істотному підвищенню опору сталі поширенню тріщини. Металургійною базою для одержання високочистої сталі з однорідною структурою обрано електрошлаковий переплав, як один з найбільш ефективних та економічних засобів переробки сталі. Аналіз різноманітних засобів створення шаруватості в матеріалі показав, що найбільш прийнятними для розглядуваного випадку є засоби, що забезпечують так названу квазішарувату структуру. Така структура властива новому класу матеріалів із заданою анізотропією властивостей (квазімонолітних і квазішаруватих), розробленому в ІЕЗ ім. Є.О. Патона під керівництвом Б.Є. Патона і Б.І. Медовара на початку 80-х років. Характерною ознакою цих матеріалів є те, що в процесі технологічних операцій (різанні, зварюванні, вигинанні і т.п.) вони поводяться як монолітні, а під дією ударного навантаження вони розшаровуються на шляху прямування тріщини. У цьому випадку межа поділу шарів повинна мати більш низьку міцність, в порівнянні з міцністю основного металу. Тоді при підході тріщини до поверхні поділу на цій поверхні (або біля неї) виникає розшарування внаслідок розтягуючих напружень, рівнобіжних площині тріщини і частина підведеної енергії витрачається на утворення поверхні розшарування.

Є декілька технологічних схем одержання квазішаруватої сталі. Їх аналіз дозволив зробити вибір на користь технологічної схеми прокатування пакетів, набраних з листової сталі. Вона зручна для експериментальних робіт, забезпечує одержання металу з більш точною геометрією і співвідношенням товщини шарів, є більш гнучкою у відношенні схеми шаруватості і може застосовуватися для виготовлення порівняно невеликих партій металу.

Вибір напрямку досліджень і методика роботи. Виходячи з загальної мети роботи і приймаючи до уваги висновки попереднього аналізу наявних даних до розглядуваної проблеми, був зроблен вибір напрямку досліджень і накреслені задачі, що необхідно було вирішити при розробці засобу виробництва високоміцної квазішаруватої сталі ЕШП з регламентованими властивостями, що одержала назву “квазіпласт”. Постановка задач була зроблена з урахуванням вже відомих даних в обраному напрямку. Було визнано слушним застосування ЕШП як металургійного чинника підвищення роботи зародження тріщини в матеріалі шару. Разом з тим, застосування ЕШП у канонічному виді недоцільно через формування значної стовпчастої кристалічної структури, що сприяє утворенню грубозернистої структури металу. Умови для створення дрібної рівновісної структури при ЕШП можуть бути створені шляхом організації утворення центрів кристалізації перед фронтом затвердіння в області двухфазного стану. Утворення таких центрів можна досягти введенням у розплав нерозчинних домішок і каталізаторів, що викликають гетерогенне утворення зародків кристалів -- модифікуванням. Визнано доцільним дослідження ефективності модифікування високоміцної сталі шляхом застосування сполук рідкоземельних металів як компонентів флюсу при ЕШП. Ще більшого посилення ефекту рафінування розплаву від неметалічних вкраплень і вплив на їхню форму і склад очікували від обробки рідкої сталі кальцієм. Уведення кальцію здійснювали подачею спеціальної Са-Cu-Al-Ni лігатури, що містила 15% Са. Подачу лігатури здійснювали однаковими порціями, рівномірно по ходу переплаву з розрахунку 1,5 кг на тонну металу, що переплавляється.

Доцільність підвищення опору поширенню руйнування і поліпшення демпфіруючої спроможності сталі шляхом створення шаруватої структури сталі з квазімонолитним зв'язком шарів продиктувала необхідність дослідження процесів формування зони з'єднання шарів і, насамперед, дослідження явищ, що протікають у герметизованому зазорі, при нагріванні пакетів високоміцної сталі ЕШП і наступному їх прокатуванню. При цьому в зв'язку з неоднозначним трактуванням у літературі поводження азоту, одною з головних задач при дослідженні явищ, що протікають у герметизованому зазорі, стало з'ясування ролі азоту. Дослідження проводили з використанням методів ОЖЕ-спектроскопії. Поверхню зразків піддавали травленню пучком іонів аргону. Аналіз хімічного складу металу проводили по ходу травлення і віддалення від контактної поверхні зразка в його глибинні шари через кожні 1х10^-5 мкм. Використовуваний метод дозволяє визначати загальний вміст хімічних елементів у металі від 0,01% і вище. Можливість розчинення азоту в меншій кількості оцінювали за методом вторинної іонної масспектроскопії (ВІМС), що дозволяє визначати вміст елементів на рівні 0,0001%. Крім того, на відміну від методу ОЖЕ-спектроскопії, що визначає загальний вміст газу, метод ВІМС дозволяє встановити вміст газу, пов'язаного в хімічну сполуку. Дослідження поверхні стравленого зразка й електронна спектроскопія неметалічних вкраплень на цій поверхні проводилися на скануючему мікроскопі JSM-T200.

Одним з найважливіших чинників, що визначають поводження матеріалу як квазімонолитного, є міцність зв'язку між шарами шаруватого матеріалу. З огляду на недостатність наявних даних про необхідну міцність зв'язку між шарами високоміцної сталі ЕШП, що працює в умовах високошвидкісних динамічних і циклічних навантажень, було визнано необхідним досліджувати вплив міцності з'єднання шарів на характер руйнування і демпфіруючу спроможність квазішаруватої сталі.

Не менш важливим і також мало висвітленим у літературі є питання про вплив різноманітних зовнішніх чинників на міцність зв'язку між шарами, що утворюється при автовакуумному зварюванні тиском. Наявні в літературі відомості по цьому питанню в кращому випадку дають якісну характеристику цього впливу, не даючи можливості цілеспрямовано регулювати цю міцність. Тому одною з основних задач цієї роботи стало дослідження характеру формування зони з'єднання шарів і кількісна оцінка впливу різноманітних зовнішніх чинників на властивості цієї зони. При цьому з'ясовували вплив на міцність з'єднання складу атмосфери зазору пакета, якості підготовки контактних поверхонь, режимів прокатування пакетів і термічної обробки. З'ясовували також роль проміжних прошарків з стороннього матеріалу. Існуючі методи оцінки якості з'єднання передбачають випробування зразків на зріз, відрив, загин, металографічні макро- і мікроструктурні дослідження зони з'єднання. При цьому тільки визначення міцності з'єднання шарів на зріз і відрив є кількісним. З огляду на умови роботи стали “квазіпласт” і характер діючих навантажень, міцність з'єднання шарів визначали за допомогою спеціальних зразків на відрив. Товщина зразка відповідала товщині квазішаруватого листа. Площина прикладання навантаження в зразку була розташована на висоті, що відповідає 1/2, 2/3 товщини листа (у залежності від кількості і товщини шарів, що складали лист). При цьому, відстань від цієї площини до досліджуваного з'єднання (тобто до площини, по якій відбувається відрив) складала половину товщини шару. У процесі досліджень фіксували зусилля при якому відбувалося руйнування зразка, відрив одного шару від іншого. Міцність з'єднання визначалася відношенням отриманого зусилля до площі відриву (у_відр.). Для порівняння визначали показники міцності по товщині вихідного монолітного металу у_відр.м. Оцінка міцності з'єднання шарів провадилася у відносних величинах (у_відр../у_{відр.м..}).

Для визначення можливості керування властивостями зони з'єднання шарів вивчали особливості формування зони з'єднання шарів квазішаруватої сталі. При цьому основна увага приділялася формуванню в цій зоні неметалічних вкраплень, пор і несуцільностей. Це дало можливість встановити залежність міцності з'єднання шарів від природи і кількості цих інтрузитів у зоні з'єднання шарів. Дослідження неметалічних вкраплень проводили разом із Запорізьким машинобудівним інститутом металографічним і петрографічним методами з використанням оптичної й електронної мікроскопії, склад неметалічних вкраплень визначали мікрорентгеноспектральним аналізом за допомогою мікрозонда “Камека“ MS-46. Вміст неметалічних вкраплень встановлювали за методом “П” ДСТ 1778--70, а також за допомогою телевізійного мікроскопа. “Квантимет-360“ (тип ІІ).

Поряд зі стандартними випробуваннями стали “квазіпласт” на розтягання й ударний вигин проводили спеціальні випробування. Оцінка ефективності сталі протистояти руйнуванню під дією високошвидкісного динамічного навантаження проводилася в порівнянні з її монолітним варіантом при випробуваннях на підрив разом із ЦНДІ А.Н.Крилова.

Дослідження демпфіруючих властивостей, сталі “квазіпласт” проводилися разом з Інститутом проблем міцності НАН України на установці КД-1М. Електромагнітною системою збуджувалися резонансні коливання зразка. Після досягнення зразком наперед заданої амплітуди, робили зрив збудження і запис вільних загасаючих коливань зразка. Запис і обробка загасаючого процесу здійснювався за допомогою автоматичної системи виміру характеристики демпфірування коливань механічних систем на основі мікро-ЕОМ. Частота резонансних коливань зразків знаходилася в межах 150-155 Гц.

Вишукування шляхів підвищення енергоємності руйнування високоміцної сталі. (Можливості ЕШП ). Електрошлаковий переплав здійснювали по трьох технологічних варіантах у зливки розміром 100х200х400мм.

У першому варіанті переплав вели під флюсом АНФ-32, у другому -- під флюсом АНФ-32, що має в складі оксиди РЗМ. Вміст оксидів РЗМ становив 20% загальної маси використовуваного флюсу.

У третьому варіанті, крім флюсу, що містить оксиди РЗМ, застосовували модифікатор, що містить кальцій, який вводили через шлак. Модифікуючий сплав (вміст кальцію 10-15%), завдяки своїй підвищеній щільності - 3,0-3,5 г/см³ (щільність флюсів при ЕШП дорівнює 2,4-2,5 г/см³), дозволяє робити обробку металу кальцієм на межі метал -- шлак.

Це створює сприятливі умови для засвоєння кальцію рідкою сталлю і дозволяє ефективно знижувати в ній вміст кисню, сірки і фосфору (Таблиця 1). Виплавлені зливки прокатували на лист товщиною 13мм.

Механічні властивості отриманого прокату в поперечному напрямку після загартування з відпуском подані в таблиці 1. Отримані дані дозволили зробити висновок, що використання оксидів РЗМ при ЕШП Cr-Ni-мо-V сталі дає можливість підвищити її ударну в'язкість приблизно на 15%. Додаткове введення модифікатора, що містить кальцій забезпечує подальше підвищення ударної в'язкості. Крім того, спостерігається ефективне зниження кисню (~ на 60%), сірки (~ на 50%) і значна (~ на 30%) дефосфорація сталі.

Разом з тим, одержуване підвищення енергоємності руйнування сталі недостатньо для забезпечення надійної роботи сталі в умовах високошвидкісного динамічного навантаження. Подальше підвищення опору сталі поширенню тріщини здійснювали за рахунок створення квазішаруватої структури в сталі ЕШП.

Таблиця 1. Вміст домішок і механічні властивості Сr-Ni-Mo-V сталі після ЕШП по різноманітних технологічних варіантах

* - у вихідній сталі 0,008% S; 0,023% P; 0,0072% кисню.

**- середні значення за результатами випробування не менш 3 зразків.

(Можливості шаруватої структури). Формування зони з'єднання шарів квазішаруватої сталі відбувається в умовах високих температур і тисків. Вирішальний вплив на процеси формування зони з'єднання мають явища, що протікають у герметизованому зазорі при нагріванні пакетів і наступному їх прокатуванні.

Вивчення цих явищ проводили шляхом нагрівання і прокатування герметизованих пакетів, набраних зі сталевих пластин, з наступним дослідженням складу металу в зоні контактних поверхонь після їхнього нагрівання й охолодження, а також після прокатування.

Результати досліджень свідчать про те, що розчинення азоту в металі приповерхньої зони в процесі нагрівання під прокатування не відбувається. Інакша справа що до кисню.

Його вміст на поверхнях контрольного і дослідного зразків приблизно однаков і пов'язан з наявністю адсорбованого кисню.

Проте, якщо в металі контрольного зразка вміст кисню у міру віддалення від поверхні різко падає, то в металі дослідного зразка, навпаки, збільшується, досягая максимального значення 24-25 % на глибині порядку 0,08 мкм, а потім плавно падає до рівня контрольного металу на глибині біля 0,22 мкм від поверхні.

При охолодженні пакета кисень, виділяючись із твердого розчину, утворює оксиди. Мікроскопічний аналіз поверхні зразка, стравленого на глибину 0,06 мкм, і електронна спектроскопія неметалічних вкраплень на цій поверхні, показали, що утворюються складні, у вигляді глобулей, кремніймарганцеві оксиди.

При цьому методом ВІМС вдалось встановити, що в оксиди зв'язується практично весь кисень. При прокатуванні пакета термодинамічні умови взаємодії азоту, що знаходиться в зазорі, з металом істотно змінюються через різке підвищення тиску в зазорі. Експериментальна перевірка показала, що залишений в зазорі та не розчинений азот поводиться подібно інертному газу, перешкоджаючи утворенню з'єднання шляхом створення замкнутих макро- і мікропорожнин, заповнених газом. Вміст азоту в металі змінюється від 7,20 % ат (2,13 % по масі) на поверхні практично до 0 вже на відстані 0,4 мкм від неї. Істотного підвищення мікротвердості на межі поділу не спостерігається. Виявити скільки-небудь значну кількість нітридів у цій зоні також не вдалося.

Це свідчить про те, що ні у твердому розчині, ні в хімічній сполуці азот у зазначеній зоні не є присутнім. Лише при дослідженні вугільних реплік на електронному мікроскопі в цій зоні були виявлені плівкові вкраплення складного складу (Рис. 1), що можуть містити азот. Товщина таких вкраплень складала до 0,05 мкм.

Поміж технологічних чинників, що істотно впливають на міцність з'єднання шарів, одним із найважливіших є склад атмосфери зазора пакета. З досліджуваних чотирьох технологічних варіантів (атмосферні гази, вакуум, азот і аргон) вакуумування зазора забезпечує максимальну міцність з'єднання шарів, а заповнення зазора інертним газом - мінімальну. Міцність з'єднання шарів залежить також від чистоти і засобу попередньої механічної обробки контактних поверхонь.

При цьому, чим менше шорсткість поверхонь і чим гостріше мікронерівності на них, тим вище міцність. Найбільш кращими засобами обробки контактних поверхонь є стругання та фрезування. Міцність з'єднання шарів високоміцної сталі в більшому ступені, чим сталі порівняно низької міцності, залежить і від термодеформаційого режиму прокатування. Підтверджується відомий висновок про те, що зі збільшенням ступеня сумарної деформації і відносної деформації за прохід, а також температури прокатування ця міцність збільшується. При цьому встановлено, що при однаковому ступені деформації, чим менше товщина отриманої квазішаруватої сталі, тим легше метал зони з'єднання утягується в пластичну деформацію і тим більше міцність з'єднання.

Міцність з'єднання шарів можна регулювати застосуванням проміжних прошарків, що можуть сприяти інтенсифікації утворення з'єднання або перешкоджати цьому, виконувати роль геттера, поглинаючи при нагріванні пакета під прокатування гази, що знаходяться в зазорі.

При цьому встановлено, що для високоміцних сталей таким геттером може бути прошарок нікелю, що дозволяє при нагріванні пакета істотно знизити кількість залишкового в зазорі азоту і полегшити процес формування з'єднання шарів, підвищуючи в результаті міцність з'єднання шарів.

У кінцевому рахунку, міцність з'єднання шарів обумовлюється мікронеоднорідністю структури, що визначається зовнішніми умовами утворення квазімонолитного зв'язку.

Встановлено, що свідомо сприяючи формуванню певних мікродефектів - інтрузитів у зоні з'єднання шарів квазішаруватої сталі, наприклад за рахунок зміни складу газового середовища в зазорі пакета (Рис.2), а також засобу підготовки контактних поверхонь та режиму прокатування можна регулювати міцність цього з'єднання (Рис.3). При цьому за допомогою коефіцієнтів кореляції визначено ступінь впливу окремих типів неметалічних вкраплень (Рис.4) на міцність з'єднання шарів високоміцної квазішаруватої сталі (Таблиця 2)

Таблиця 2. Ступінь впливу окремих типів неметалічних вкраплень на міцність з'єднання шарів квазішаруватої сталі.

Деякі технологічні аспекти виробництва сталі типу “квазіпласт”. Технологія виробництва сталі “квазіпласт” залежить від її призначення і включає дві групи обов'язкових технологічних операцій: одна група - отримання електрошлакового зливка, інша група - підготування електрошлакової заготовки під прокат і прокатування у заданому режимі.

Технологічний режим ЕШП передбачає обробку металу кальцієм і модифікування його РЗМ через флюс. Ціль цієї стадії технології - одержання металу шарів з максимальною енергоємністю роботи зародження тріщини.

Використання модифікатора й оксидів РЗМ збільшують вартість флюсу, що став останнім часом однієї з основних статей витрат при ЕШП.

На підставі аналізу наявних даних по ЕШП різноманітних марок сталі в якості критерію можливості повторного використання відпрацьованого шлаку, запропоновано коефіцієнт використання шлаку, тобто відношення маси переплавленого металу до обсягу шлаку, що прореагував з цим металом.

Для високоміцної Cr-Ni-Mo-V сталі рекомендовано повторне використання флюсу при значеннях коефіцієнта використання шлаку до 50 г/см³.

Таблиця 3. Регламентація властивостей при виробництві сталі “квазіпласт”

Ціль другої групи технологічних операцій - одержати задану міцність з'єднання шарів. Регламентацію міцності при виробництві сталі “квазіпласт” визначають умови її експлуатації (Таблиця 3). Для забезпечення максимальної в'язкості й опору квазішаруватої сталі високошвидкісним навантаженням необхідно забезпечити в ній відносну міцність з'єднання шарів 0,4-0,5. Якщо ж основною вимогою є демпфіруюча спроможність, то відносна міцність з'єднання шарів повинна бути вище - 0,70-0,75. У залежності від заданої міцності призначаються умови підготування заготовки під прокатування (склад атмосфери в зазорі, наявність прошарків, засіб підготування контактних поверхонь) і термодеформаційний режим прокатування.

Виробництво квазішаруватої сталі з регламентованими властивостями потребує витримки технологічних параметрів у вузьких, суворо заданих межах. Оцінка відтворювання одержуваних значень міцності з'єднання шарів показала, що максимальне відхилення цих значень від заданих лежить у межах 1,25- 8,0 %.

Особливості поводження сталі “квазіпласт” при різноманітних видах навантаження. Стандартні механічні випробування металевих матеріалів передбачають звичайно випробування на розтягнення і динамічний вигин. З огляду на специфіку сталі “квазіпласт” і недостатність наявних відомих даних по особливостях руйнування квазішаруватих матеріалів, поряд із специфічними випробуваннями сталі “квазіпласт” на підрив і демпфіруючі властивості, були проведені й випробування на розтягування і динамічний вигин із визначенням впливу відносної міцності з'єднання шарів на відповідні характеристики.

Випробування квазішаруватої сталі на розтягування проводили на плоских поперечних зразках. Встановлено, що характер руйнування квазішаруватої сталі відрізняється від руйнування монолітної сталі й істотно залежить як від кількості шарів, так і від міцності їх з'єднання (Рис.5).

Характерні риси руйнування квазішаруватих сталей виявляються в тому, що при зниженні міцності з'єднання шарів від 0,8 до 0,5 спостерігається розшарування зразків. При цьому декілька знижується і зусилля, при якому наступає пластична деформація, причому це зниження не залежить від кількості шарів. Розмір такого зниження несуттєвий, хоча і помітний на діаграмах руйнування. У значно більшому ступені змінюється розмір деформації, що збільшується зі зниженням міцності з'єднання і збільшенням кількості шарів. Як відомо, робота, витрачена на руйнування зразка пропорційна площі під кривою руйнування, тому у випробуваних нами зразках ця робота збільшується зі збільшенням кількості шарів і зниженням міцності їх з'єднання.

Руйнування зразків квазішаруватої сталі при випробуванні на ударний вигин дозволила встановити істотний вплив міцності з'єднання шарів на показники ударної в'язкості.

Найбільше значення ударної в'язкості досягалося при відносній міцності з'єднання шарів порядку 0,40 (Рис.6). Фрактографічні дослідження поверхонь руйнування зразків показали, що мікрозлами зразків зруйнованих при температурі +20⁰C, були в'язкими, ямковими.

При температурі випробування -40⁰С на фоні в'язкого, внутрішньозереного зламу з'явилися ділянки крихкого міжзереного зламу. Розкрита в результаті розшарування поверхня була без помітних слідів руйнування. Тільки в зразку з відносною міцністю з'єднання шарів рівною 0,8 спостерігалися окремі мікротріщини, що свідчить про початок переходу ініційованої надрізом тріщини з одного шару в інший. Характер розшарувань був ямковим, малорельєфним.

Дослідження демпфіруючої спроможності квазішаруватої сталі, показало, що демпфіруючі властивості, за інших рівних умов, визначаються міцністю з'єднання шарів, розташуванням зони з'єднання стосовно поверхні листа і наявністю прошарків, використовуваних при виробництві сталі (Рис.7-9).

Підвищення міцності з'єднання шарів квазішаруватої сталі за рахунок збільшення ступеня деформації призводить до підвищення демпфіруючої спроможності сталі. Як бачимо найбільшу демпфіруючу спроможність мали зразки з відносною міцністю з'єднання шарів 0,75. Збільшення декремента коливань у порівнянні з монолітним зразком досягає 2,4 рази. Крім того, чим ближче зона з'єднання шарів до поверхні зразка і, отже, чим більш вона напружена, тим більш високу демпфіруючу спроможність має матеріал. Використання металевих прошарків дозволяє ще більш істотно підвищити демпфіруючі властивості.

Найбільшу демпфіруючу спроможність має квазішарувата сталь з прошарком із високодемпфіруючого кобальтнікелевого сплаву. Навіть при товщині цього прошарка в зразку досліджуваної сталі до 10 мкм, збільшення декремента коливань, у порівнянні зі зразком без прошарка склало 1,4 рази. На підставі отриманих даних створена методика розрахункової оцінки демпфіруючої спроможності квазішаруватої сталі, що дозволяє адекватно описати не тільки якісні зміни демпфіруючих властивостей сталі, але і з задовільною точністю оцінити кількісно ці зміни.

На підставі результатів розрахунку і даних експерименту можна однозначно прогнозувати, що збільшення відносної частки зони з'єднання в товщині листа, наприклад за рахунок збільшення кількості шарів, особливо в найбільш напружених областях, призведе до росту демпфіруючої спроможності сталі.

Оцінка ефективності сталі “квазіпласт” протистояти руйнуванню під дією високошвидкісного динамічного навантаження проводилася на спеціально виготовленій дослідній партії з різноманітною відносною міцністю з'єднання шарів (0,0; 0,50 та 0,75) у порівнянні з її монолітним варіантом при випробуванні на підрив.

При оцінці враховувалася маса заряду, характер руйнування (якщо руйнування мало місце) і деформація лицьового та тильного шарів, що вимірювалася безпосередньо після підриву. Отримані дані дозволяють вважати, що з усіх випробуваних варіантів максимальну ефективність мала сталь із відносною міцністю з'єднання 0,50 у п'ятишаровому виконанні.

Загальні висновки

Анотація

Цикуленко К.А. Розробка та дослідження спеціальних засобів виробництва високоміцної сталі ЕШП з регламентованими властивостями. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук по спеціальності 05.16.07. - металургія високочистих металів і спеціальних сплавів. - Інститут електрозварювання ім. Е.О. Патона НАН України, Київ, 2000.

Дисертацію присвячено питанням експлуатаційної надійності високоміцних сталей, працюючих в умовах високошвидкісного навантаження. В дисертації теоретично обґрунтовано і розроблено спосіб отримання електрошлакової квазишаруватої сталі типу “квазіпласт”, що поєднує високу опірність сталі зародженню та поширенню тріщини при ударному навантаженні з високою демпфіруючою спроможністю сталі. Встановлено, що електрошлаковий переплав високоміцної сталі та подальше за певних умов гаряче прокатування многошарового пакету з цієї сталі надає можливість здійснити регулювання експлуатаційних властивостей сталі відповідно до наперед заданих вимог. Запропоновані технологічні методи підвищення якості сталі при електрошлаковому переплаві, а також підготовки многошарового пакету з електрошлакової сталі під прокатування та оптимальні режими прокатування. Розроблена технологія виробництва сталі “квазіпласт” і запропоновані рекомендації що до її промислового освоєння.

Ключові слова: електрошлаковий переплав, флюс, модифікування, гаряче прокатування, регламентована міцність з'єднання, ударна в'язкість, демпфірування.

Synopsis

Tsykulenko K.A. Development and exploration of special ways of manufacture of ESR high-strength steel with regulated behavior. - Manuscript.

Ph. D. thesis in speciality 05.16.07. - Metallurgy of High-Purity Metals and Special Alloys. - E.O. Paton Electric Welding Institute of The National Academy of Sciences of Ukraine.

The thesis is devoted to questions of a heightening of an operation reliability of high strength steels working in conditions of a shock stressing. The mode of production of a type “kvasiplast” electroslag lamellar steel combining high crack origin and growth resistance at a shock load with high damping ability of steel is theoretically proved and developed in the work. Is fixed, that an electroslag remelting process of high strength steel and consequent hot pack rolling of the steel under some conditions enable to realize an opportunity of regulation of operation properties of steel according to the beforehand given requirements. The technological methods of an improvement in quality of steel at an electroslag remelting process and also of electroslag steel multi-layer pack assembling for pack rolling and optimum conditions of pack rolling are offered. The "know-how" of steel production is developed and the recommendations for its industrial mastering are given.

Key words: electroslag remelting process, flux, inoculation, hot pack rolling, controlled joint strength, impact toughness, damping.

Аннотация

Цыкуленко К.А. Разработка и исследование специальных способов производства высокопрочной стали ЭШП с регламентируемыми свойствами. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.16.07.- металлургия высокочистых металлов и специальных сплавов. - Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины, Киев, 2000.

Диссертация посвящена вопросам повышения эксплуатационной надёжности высокопрочных сталей, работающих в условиях ударного нагружения. В работе теоретически обоснован и разработан способ получения электрошлаковой квазислоистой стали типа “квазипласт”, сочетающей высокую сопротивляемость стали зарождению и распространению трещины при ударной нагрузке с высокой демпфирующей способностью стали.

Основой технологии явился электрошлаковый переплав высокопрочной стали с учётом последних достижений в области ЭШП, способствующих получению мелкодисперсной структуры и модификации неметаллических включений. Показано, что применение флюса, содержащего окислы редкоземельных металлов, и добавок металлического кальция позволяет существенно (на 20-30%) повысить энергоёмкость разрушения электрошлаковой высокопрочной стали. Показано также, что последующая горячая прокатка при определённых условиях многослойного пакета из электрошлаковой высокопрочной стали позволяет реализовать возможность регулирования эксплуатационных свойств стали в соответствии с наперёд заданными требованиями.

Установлено, что существенное повышение сопротивления электрошлаковой высокопрочной стали распространению трещины (более чем в 2 раза) и её демпфирующей способности может быть получено за счёт создания слоистой структуры стали при металлургически чистом материале самих слоев, имеющим относительно малую величину аустенитного зерна.

Учитывая, что качество соединения слоев, его прочность является определяющим параметром для получения квазимонолитной связи, в работе исследовано влияние различных технологических факторов на прочность соединения слоёв. При этом исследовано влияние на прочность соединения состава атмосферы зазора пакета, качества подготовки контактных поверхностей, режимов прокатки пакетов и термической обработки. Выяснена также роль промежуточных прослоек из инородного материала.

Для определения возможности управления свойствами зоны соединения слоёв в работе изучены особенности формирования зоны соединения слоев квазислоистой стали. При этом основное внимание уделялось формированию в этой зоне неметаллических включений, пор и несплошностей. Это дало возможность установить зависимость прочности соединения слоёв от природы и количества этих интрузитов в зоне соединения слоёв. Определена степень влияния отдельных типов неметаллических включений на прочность соединения слоёв в электрошлаковой высокопрочной квазислоистой стали.

Исходя из того, что формирование интрузитов в зоне соединения слоёв во многом определяется процессами, протекающими в герметизированном зазоре при нагреве пакетов и последующей их прокатки, в работе исследовано влияние состава атмосферы в зазоре пакета на состав и морфологию интрузитов в этой зоне. При этом основное внимание уделено поведению азота. Установлено, что атмосферный азот практически не растворяется в электрошлаковой высокопрочной Cr-Ni-Mo-V стали при нагреве её под прокатку и дальнейшем охлаждении, а при прокатке его растворимость существенно ограничена. Для получения заметного количества нитридов в зоне соединения слоёв необходимо создание в зазоре атмосферы из чистого азота.

В работе сформулированы принципы построения технологического процесса получения электрошлаковой высокопрочной квазислоистой стали с регламентированными свойствами. Важнейшим вопросом технологии, нашедшим отражение в работе, явилось обеспечение необходимой прочности соединения слоёв в процессе производства стали “квазипласт” и регламентация свойств зоны соединения. При этом должное внимание уделено контролю получаемой прочности соединения и воспроизводимости результатов.

Конечным этапом проведенной работы стало определение особенностей поведения стали “квазипласт” при различных видах нагружения, прежде всего при испытании на растяжение и ударный изгиб, а также при высокоскоростных динамических нагрузках. Особое внимание уделено определению демпфирующих свойств стали “квазипласт”, зависимости их от прочности соединения слоёв и строения стали, а также возможности повышения демпфирующих свойств стали за счёт применения специальных прослоек. Установлено, что максимальная вязкость и сопротивление высокоскоростным нагрузкам обеспечиваются при относительной прочности соединения слоёв электрошлаковой высокопрочной Cr-Ni-Mo-V стали равной 0,40-0,50. Установлено также, что при повышении прочности соединения демпфирующая способность стали увеличивается. Максимальные демпфирующие свойства обеспечиваются при относительной прочности соединения слоёв равной 0,70-0,75 и использовании металлических прослоек из высокодемпфирующих материалов, например кобальтникелевого сплава. Даны рекомендации по промышленному освоению разработанной технологии производства стали “квазипласт”.

Ключевые слова: высокопрочная сталь, электрошлаковый переплав, флюс, модифицирование, горячая прокатка пакета, регламентированная прочность соединения, ударная вязкость, демпфирование.

Размещено на Allbest.ru