Повышение деформируемости труднодеформируемой стали 20Х23Н18 микролегированием
На примере труднодеформируемой стали 20Х23Н18 показана возможность повышения деформируемости нержавеющих сталей методом микролегирования комплексом элементов: бором, РЗМ, кальцием, титаном и ванадием....
Збережено в:
| Дата: | 2012 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
2012
|
| Назва видання: | Процессы литья |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/115060 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Повышение деформируемости труднодеформируемой стали 20Х23Н18 микролегированием / Ю.Я. Скок // Процессы литья. — 2012. — № 1. — С. 68-73. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-115060 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1150602017-11-18T13:16:50Z Повышение деформируемости труднодеформируемой стали 20Х23Н18 микролегированием Скок, Ю.Я. Новые литые материалы На примере труднодеформируемой стали 20Х23Н18 показана возможность повышения деформируемости нержавеющих сталей методом микролегирования комплексом элементов: бором, РЗМ, кальцием, титаном и ванадием. На прикладі труднодеформованої сталі 20Х23Н18 показана можливість підвищення деформованості неіржавіючих сталей методом мікролегування комплексом елементів: бором, РЗМ, кальцієм, титаном і ванадієм. By the example of steel 20Cr23Ni18 is shown the possibility of increasing the deformability of stainless billets using microalloying by system of elements – bоrоn, RE, calcium, titanium and vanadium. 2012 Article Повышение деформируемости труднодеформируемой стали 20Х23Н18 микролегированием / Ю.Я. Скок // Процессы литья. — 2012. — № 1. — С. 68-73. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 0235-5884 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/115060 669.14.018.4:539.374 ru Процессы литья Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Новые литые материалы Новые литые материалы |
| spellingShingle |
Новые литые материалы Новые литые материалы Скок, Ю.Я. Повышение деформируемости труднодеформируемой стали 20Х23Н18 микролегированием Процессы литья |
| description |
На примере труднодеформируемой стали 20Х23Н18 показана возможность повышения деформируемости нержавеющих сталей методом микролегирования комплексом элементов:
бором, РЗМ, кальцием, титаном и ванадием. |
| format |
Article |
| author |
Скок, Ю.Я. |
| author_facet |
Скок, Ю.Я. |
| author_sort |
Скок, Ю.Я. |
| title |
Повышение деформируемости труднодеформируемой стали 20Х23Н18 микролегированием |
| title_short |
Повышение деформируемости труднодеформируемой стали 20Х23Н18 микролегированием |
| title_full |
Повышение деформируемости труднодеформируемой стали 20Х23Н18 микролегированием |
| title_fullStr |
Повышение деформируемости труднодеформируемой стали 20Х23Н18 микролегированием |
| title_full_unstemmed |
Повышение деформируемости труднодеформируемой стали 20Х23Н18 микролегированием |
| title_sort |
повышение деформируемости труднодеформируемой стали 20х23н18 микролегированием |
| publisher |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України |
| publishDate |
2012 |
| topic_facet |
Новые литые материалы |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/115060 |
| citation_txt |
Повышение деформируемости труднодеформируемой стали 20Х23Н18 микролегированием / Ю.Я. Скок // Процессы литья. — 2012. — № 1. — С. 68-73. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
| series |
Процессы литья |
| work_keys_str_mv |
AT skokûâ povyšeniedeformiruemostitrudnodeformiruemojstali20h23n18mikrolegirovaniem |
| first_indexed |
2025-07-08T08:16:57Z |
| last_indexed |
2025-07-08T08:16:57Z |
| _version_ |
1837065953855143936 |
| fulltext |
68 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2012 № 1 (91)
Новые литые материалы
4. Газы в цветных металлах и сплавах / Д. Ф. Чернега, О. М. Бялик, Д. Ф. Иванчук и др. − М.:
Металлургия, 1982. − 176 с.
5. Антонова М. М. Свойства гидридов металлов: Справочник. − Киев: Наук. думка, 1975.
− 128 с.
6. Водород – легирующий элемент алюминиевых сплавов / В. К. Афанасьев, М. В. Попова,
А. Н. Прудников и др. // Изв. вузов. Чер. металлургия. − 2005. − № 6. − С. 36-40.
7. Кудь П. Д. Использование стружки и повышение свойств поршневих алюминиевых сплавов:
Автореф. дис. ... канд. техн. наук. − Киев, 1987. − 25 с.
8. Синявский В. С., Вальков В. Д. Коррозия и защита алюминиевых сплавов. − М.: Метал-
лургия, 1979. − 224 с.
УДК 669.14.018.4:539.374
Ю. я. скок
Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев
пОВЫшЕНИЕ ДЕфОРМИРУЕМОсТИ
ТРУДНОДЕфОРМИРУЕМОй сТАЛИ 20х23Н18
МИКРОЛЕгИРОВАНИЕМ*
На примере труднодеформируемой стали 20Х23Н18 показана возможность повышения де-
формируемости нержавеющих сталей методом микролегирования комплексом элементов:
бором, РЗМ, кальцием, титаном и ванадием.
Ключевые слова: микролегирование, микролегирующий элемент, пластичность, дефор-
мируемость.
На прикладі труднодеформованої сталі 20Х23Н18 показана можливість підвищення
деформованості неіржавіючих сталей методом мікролегування комплексом елементів: бором,
РЗМ, кальцієм, титаном і ванадієм.
Ключові слова: мікролегування, мікролегуючий елемент, пластичність, деформованість.
By the example of steel 20Cr23Ni18 is shown the possibility of increasing the deformability of
stainless billets using microalloying by system of elements – bоrоn, RE, calcium, titanium and
vanadium.
Keywords: microalloying, microalloying element, ductility, deformability.
Сталь 20Х23Н18 (ЭИ417 – ГОСТ 5632-72) обладает достаточно высокими жа-5632-72) обладает достаточно высокими жа-
ропрочностью, жаростойкостью, коррозионной стойкостью и поэтому при-
меняется для изготовления деталей, которые эксплуатируются под нагрузкой при
температурах до 1000 0С. Существенным недостатком стали этого типа является
низкая технологическая пластичность (деформируемость) при ковке слитков и
прокатке заготовок. Деформируемость стали обычно оценивают по качеству по-
верхности заготовок после пластической деформации по количеству и характеру
поверхностных дефектов [1].
*В работе принимали участие А. Г. Ковалев, З. Л. Козлова
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2012 № 1 (91) 69
Новые литые материалы
Ю. М. Чижиков [2] сделал попытку провести количественную оценку деформи-
руемости по результатам прокатываемости заготовок на клин. Величина пластич-
ности ε = (Н-h), где Н и h – толщина полосы до и после прокатки. По величине этой
характеристики металлы и сплавы могут быть разделены на пять категорий: наи-
высшая пластичность (ε = 0,8-1,0); высокая (ε = 0,6-0,8); средняя (ε = 0,4-0,6);
пониженная (ε = 0,2-0,4); низкая (ε ≤ − технически нековкие металлы). Однако в
производственных условиях не всегда придерживаются этих критериев [3].
Оптимизация химического состава стали 20Х23Н18 в пределах марочного не при-
вела к существенному повышению деформируемости заготовок. Однако, имеются
сведения о том, что увеличение содержания углерода и никеля в этой марке стали
повышает ее пластичность [3].
М. Я. Дзугутов [4] все случаи пониженной пластичности высоколегированных
сталей и сплавов при высоких температурах подразделяет на четыре вида: первые
три вида связаны с химическим свойством и структурой сплавов, четвертый вид
пониженной пластичности (ПП4) обусловлен уменьшением межкристаллитной
связи при температурах горячей пластической деформации, а также присутствием
легкоплавких примесей цветных металлов (свинец и др.).
Многочисленные эксперименты по повышению деформируемости слитков из
стали 20Х23Н18 методом микролегирования РЗМ на разных заводах не дали одно-
значных положительных результатов [3]. Это можно объяснить несовершенством
методов введения РЗМ в жидкий металл, нестабильным и высоким их угаром [5].
Положительные результаты улучшения деформируемости стали 20Х23Н18 были
получены при микролегировании ее бором с расчетом на 0,002-0,003 %мас.
[3, 6, 7]. Применение ступенчатого нагрева слитков перед прокаткой (нагрев
до 1200-1220 0С, выдержка 4 ч, затем повышение температуры до 1260-1270 0С
и 4 ч томление) позволило в 5-10 раз увеличить количество раскатов с чистой по-
верхностью [3].
Исследования [8] показали, что комплексным микролегированием можно суще-
ственно повысить пластические свойства труднодеформируемой стали при высоких
температурах.
Цель данного исследования − проверка возможности повышения технологично-
сти стали 20Х23Н18 методом комплексного микролегирования в производственных
условиях ЗАО «Невский завод».
Опытно-промышленные плавки стали 20Х23Н18 проводили в основной электро-
дуговой печи ДСП-12Н вместимостью 16 т жидкого металла. Сталь выплавляли путем
переплава отходов малоуглеродистых высоколегированных марок сталей, за 5-7 мин
перед выпуском плавок шлак раскисляли смесью алюминиевого порошка (1 кг/т) и
извести (1 кг/т) и на штанге вводили первичный кусковой алюминий (0,5 кг/т).
Микролегирование стали ванадием проводили в печи из расчета на 0,1 %. В ковше
сталь микролегировали титаном из расчета на 0,05 %, бором – 0,004 % и лигатурой
ФС30РЗМ20 – 1,5 кг/т. Ферротитан вводили на дно ковша и засыпали алюминиевым
порошком из расчета 1,0-1,2 кг/т. При выпуске металла за счет регулирования на-
клона печи первую половину плавки выпускали с минимальным количеством шлака.
При наполнении ковша примерно на 1/3 высоты под струю вводили лигатуру РЗМ,
которая дополнительно содержала в себе алюминий (7-8 %) и кальций (8-10 %). Всего
было выплавлено четыре плавки микролегированной стали, их химический состав
по основным элементам находился в пределах марки стали 20Х23Н18. Содержание
микролегирующих элементов было следующим (%мас.): ванадий − 0,096-0,12; титан
− 0,02-0,03; бор − 0,002-0,004; РЗМ − 0,02-0,04; кальций − 002-0,005.
Исследование структуры литой стали 20Х23Н18 проводили на слитках массой по
25 кг, разлитой фракционно из базовой плавки 180-200 кг и микролегированной в
раздаточных ковшах. Исследования показали, что слитки массой 25 кг представляют
70 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2012 № 1 (91)
Новые литые материалы
собой адекватную модель промышленных слитков, потому что в них выявляются все
те же характерные структурные зоны, что и в слитках большой массы.
При травлении слитков нержавеющей стали аустенитного класса обычно выяв-
ляется кристаллитная структура, которая является вторичной (грануляционной) по
отношению к первичной (дендритной), формируется она после полного затверде-
вания стали при температуре на 100-200 0С ниже солидуса в результате развития
процессов полигонизации и рекристаллизации [10, 11].
В центральной зоне исследованных слитков стали 20Х23Н18 выявили глобу-
лярную структуру шириной 20-30 мм. Протяженность зоны транскристаллизации
L определяли составом, физическими константами стали и теплофизическими
условиями ее охлаждения после кристаллизации, она может быть представлена
следующей зависимостью:
(1)
где А – коэффициент; К – коэффициент затвердевания, мм/мин-1/2; V – скорость
роста кристаллов, мм/мин; G – температурный градиент в слитке, К/мм; λ – тепло-
проводность твердой стали, Вт/(м∙К); Т
л
и Т
с
– температура ликвидуса и солидуса
соответственно, К.
Среднюю ширину транскристаллитов d можно определить следующим выра-
жением [12]:
л с( - )
= .
Т Т VF
d K
l (2)
Транскристаллиты в слитках были сориентированы в направлении отвода тепла.
С целью уменьшения содержания оксидов и карбонитридов в стали, предотвра-
щения затягивания стаканов в промежуточных воронках их диаметр был увеличен
на 5 мм, это было предусмотрено технологией для данной массы слитка, то есть
микролегированную сталь разливали с увеличенными скоростями. При этом отли-
вали слитки массой 1,8; 2,7 и 3, 5 (всего было отлито 24 слитка микролегированной
стали). Все слитки передавали в кузнечный цех под термосом в нагревательные
газовые печи горячим всадом.
Слитки нагревали до температуры 1180-1200 0С и после выдержки в течение
4-5 ч проводили биллетирование их на круг ∅ 450х800 и 450х400 мм. Заготовки
нагревали до 1180 0С в течение 4 ч и проводили осадку до высоты 160 мм и про-
шивку отверстия ∅ 300 мм. Операция осадки является наиболее неблагоприятной
с точки зрения возможности образования разрывов и трещин. Из четырех плавок
микролегированной стали 20Х23Н18 было изготовлено 64 заготовки колец. Одна
заготовка ∅ 450х800 мм была забракована из-за образования трещины глубиной 80
и длиной 120 мм на боковой поверхности кольца. Остальные заготовки имели отно-
сительно чистую поверхность или с трещинами глубиной до 8 мм, которые удаляли
огневой или механической зачисткой. Таким образом из 64 заготовок производили
63 годных кольца и одно забраковали. При сравнении с аналогичными деталями из
контрольной стали брак снизился в 8-12 раз.
Из зоны трещин забракованной детали был отобран металл для изучения струк-
туры и характера разрушения. В трещине визуально четко выявили типичное меж-
кристаллитное разрушение, потому что отколы проходили по границам кристаллитов
литой структуры, аналогичные результаты описаны в работе [8]. На рис. 1 приведена
микростуктура стали 20Х23Н18 вблизи разрывины после ковки кольца. Микрострук-
туру выявили электролитическим травлением шлифа в водном растворе щавелевой
л c
= ,
-
VG
L AK
T T
l
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2012 № 1 (91) 71
Новые литые материалы
кислоты. Трещины, которые образовались
при ковке слитков, проходят чаще всего по
границам зерен. Когда трещина развивается,
она может проходить как по границам, так и
телу зерна.
Выборочное травление на карбид в реакти-
ве Гросбека, Вилелла и цветное окрашивание
в реактиве NaOH + K2MnO4 подтвердило, что
на границах зерен микроструктуры выделя-
ются карбиды хрома Сr23С6 (рис. 2). Карбо-
нитриды располагаются как по объему, так и
границам аустенитных зерен. При нагревании
стали до 1150 0С карбиды хрома растворяются
в аустените объемов зерен, карбонитриды
остаются неизменными до температур выше
1300 0С.
Из заготовок колец диаметром 300 мм
и высотой 160 мм были откованы пластины
толщиной 25 мм для определения механи-
ческих свойств стали при комнатной и высо-
кой температурах. Механические свойства
стали 20Х23Н18 определяли на установке
ИМАШ20-75 на пластинчатых образцах се-
чением 5х5 и 3х3 мм (таблица).
Исследования показали, что микролеги-
рованная сталь при комнатной температуре
и до 1150 0С имеет несколько более высокую
прочность, обусловленную дисперсным упроч-
нением ее карбонитридами ванадия и титана.
В довольно широком диапазоне температур горячей пластической деформации
характеристики пластичности микролегированной стали (δ и ψ) существенно более
Температура, оС σв, МПа σ, МПа σ, % σ, % КСU,
Дж/см2
20 784
736
524
483
58,1
46,1
59,6
52,4
306
248
900 184
152
128
112
48,6
41,2
54,2
47,4
238
206
1000 136
110
102
86
52,8
43,4
57,4
51,2
186
158
1100 68
57
54
48
54,6
41,4
59,3
45,6
242
192
1150 52
44
46
38
73,2
54,4
76,6
58,4
176
134
1200 31
28
27
25
82,6
61,3
78,7
63,4
127
78
1250
25
23
23
21
51,5
48,3
52,4
44,2
52
43
1300
16
14
12
11
42,2
24,2
46,1
28,1 –
Примечание: числитель – микролегированная сталь; знаменатель –
контрольная сталь
Влияние микролегирования на механические свойства стали
20х23Н18 при комнатной и высоких температурах
Рис. 1. Трещины в структуре стали
20Х23Н18, х50
Рис. 2. Панорама развития трещины,
х100
72 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2012 № 1 (91)
Новые литые материалы
высокие, чем контрольной (1250-1100 0С). В этом температурном интервале следует
проводить горячую деформацию с максимальными степенями обжатия.
В некоторых случаях в качестве критерия деформируемости сталей используют
ударную вязкость [4]. Однако последняя не может служить надежным критерием
деформируемости заготовок, потому что ее величина зависит как от пластично-
сти, так и прочности стали. В зоне максимальной пластичности ударная вязкость
существенно уменьшается из-за снижения прочности стали (см. таблицу). Такими
критериями в первом приближении могут быть характеристики пластичности при
растяжении образцов − δ и ψ.
Низкая деформируемость хромоникелевых сталей и сплавов обусловлена их не-
достаточным раскислением и легкоплавкими примесями, которые образуют жидкие
пленки по границам зерен (красноломкость) при температурах горячей деформации
[4]. М. И. Виноград [9] считает, что одной из основных причин малой пластичности
сплава Х20Н80 является присутствие в металле кислорода. Наиболее вредными
соединениями кислорода могут быть стеклообразные легкоплавкие окислы – SiО
и SiО
2
. При кристаллизации сплава моноокись кремния на границах кристаллитов
образует жидкие пленки или субдисперсные неметаллические включения.
На свойства и характер разрушения стали существенное влияние оказывает со-
стояние границ зерен и, в первую очередь, сегрегация на них вредных примесей.
Д. Мак Лин получил следующее выражение для оценки сегрегации примесей на
границах зерен [10]:
гр
exp ( / )
= ,
1+ exp ( / )
AC Q RT
C
C Q RT (3)
где С
гр
и С – концентрация примеси на границе и в объеме зерен соответственно;
А – постоянная; Q – теплота адсорбции; R – постоянная Больцмана; Т – абсолютная
температура.
Обычно содержание примесей на границах зерен оценивают коэффициентом
сегрегации К = В1/х, где В – постоянная, а х – растворимость примеси или добав-
ки в твердом состоянии. Результаты экспериментов, полученные методом Оже-
спектроскопии и спектроскопии вторичных ионов, показывают, что коэффициенты
сегрегации серы, фосфора, сурьмы, бора и других элементов в стали могут достигать
103-105. Как правило, это приводит к хрупкости стали [11]. Для уменьшения сегре-
гации примесей на границах зерен В. И. Архаров предложил принцип конкурентной
поверхностной активности.
На границах зерен металлов и сплавов действуют растягивающие напряжения.
Принимая во внимание большую разницу в размерах ионов железа и микролегирую-
щих элементов (РЗМ, кальция, бора), следует ожидать, что последние будут выде-
ляться на зернограничных дислокациях и, в первую очередь, в местах наименьшего
совпадения атомов, тем самым уменьшая сегрегацию на границах зерен вредных
элементов (например, атомов цветных металлов). Согласно Р. Л. Флейшеру [12],
энергию взаимодействия такого типа можно выразить следующей формулой:
2 3
2
в
= ,
G R
U
C rp
e
(4)
где G – модуль сдвига; ε – относительная разница модулей упругости растворителя
и растворенного вещества; в – вектор Бюргерса; С и R – атомная концентрация и
радиус растворенного вещества соответственно, расстояние между дислокацией
и атомом примеси.
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2012 № 1 (91) 73
Новые литые материалы
Таким образом, снижение загрязненности границ зерен избыточными фазами и
уменьшение на них сегрегации вредных примесей комплексным микролегирова-
нием повышает пластичность стали при высоких температурах, а также деформи-
руемость заготовок из труднодеформируемых сплавов.
Выводы
Малая деформируемость стали 20Х23Н18 при высоких температурах обусловлена
высокой загрязненностью границ зерен избыточными фазами и сегрегаций на них
лекгоплавких примесей.
За счет конкурентной поверхностной активности микролегирующих элементов
(кальция, РЗМ, бора) существенно нейтрализуется действие вредных примесей и
повышается пластичность стали в широком диапазоне температур.
Микролегирование комплексом элементов (бором, РЗМ, кальцием, титаном и
ванадием) позволяет в значительной мере решить проблему деформируемости
труднодеформируемых аустенитных сталей типа Х23Н18.
1. Колмогоров В. Л., Богатов А. А., Мигачев Б. А. Пластичность и разрушение. − М.: Метал-
лургия, 1977. − 336 с.
2. Чижиков Ю. М. Прокатываемость стали и сплавов. − М.: Металлургия, 1961. − 452 с.
3. Булат С. И., Тихонов А. С., Дубровин А. К. Деформируемость структурно неоднородных
сталей и сплавов. − М.: Металлургия, 1975. − 352 с.
4. Дзугутов М. Я. Пластическая деформация высоколегированных сталей и сплавов. − М.:
Металлургия, 1977. − 480 с.
5. Скок Ю. Я., Ефимов В. А. Способы введения раскислителей и модификаторов в жидкую
сталь: Обзорная информация. Сер. Сталеплавильное производство. − М.: Черметинфор-
мация, 1985. − Вып. 1. − 65 с.
6. Мухина М. А., Комельков Е. М., Комиссаров А. И. Прокатка слитков труднодеформируе-
мых сталей на блюмингах //Сталь. − 1986. − № 1. − С. 55-57.
7. Подобедова Н. В., Остапенко В. П., Рабинович А. В. Повышение горячей пластичности
литой стали типа Х23Н18 // Там же. − 1986. − № 5. − С. 81-84.
8. Скок Ю. Я. Підвищення пластичності важкодеформівних сталей аустенітного класу //Ме-
талознавство та обробка металів. − 2005. − № 1. − С. 3-9
9. Виноград М. И. Включения в стали и ее свойства. − М.: Металлургиздат, 1963. − 252 с.
10. Мак Лин Д. Границы в металлах. − М.: Металлургиздат, 1960. − 321с.
11. Бокштейн Б. С., Копецкий Ч. В., Швиндлерман Л. С. Термодинамика и кинетика границ
зерен в металлах. − М.: Металлургия, 1986. − 224 с.
12. Fleisher R. L. // Acta Мetalurgica. − 1963. − № 11. – p. 203-211.
Поступила 16.11.2011
|