Низколегированные стали с высокими z -свойствами

Необходимость повышения эксплуатационных свойств проката по толщине особенно актуальна при использовании в конструкциях листов толщиной свыше 20 мм.

В работах исследована анизотропия механических свойств в сталях обычной чистоты. Оценка механических свойств образцов, вырезанных поперек проката (стандартное направление), и образцов, вырезанных в направлении толщины листа (z-направление), показала их существенное различие.

Аналогичные результаты получены в многочисленных отечественных и зарубежных работах, выполненных в большом объеме в 70-х гг. и обобщенных, например, в трудах ЦНИИСК им В. А. Кучеренко. Низкие свойства толстых листов в z-направлении могут привести к отказам при изготовлении и эксплуатации сварных конструкций, прежде всего при воздействии нагрузок по толщине проката: во фланцевых соединениях, в узлах примыкания балок к колоннам, монтажных «рыбках» и целом ряде других. Наконец, при сварке толстых листов из-за низких z-свойств могут возникать трещины под влиянием действующих по толщине остаточных растягивающих напряжений, поскольку они соизмеримы с пределом текучести. В результате разрушения металла при растягивающих нагрузках в z-направлении образуется характерный излом, подробно описанный в литературе, в том числе в работах. Морфология такого излома резко отличается от излома «чашечкой», получающегося при испытаниях образца, вырезанного в стандартном направлении.

Аналогичные разрушения сварных соединений классифицируются как ламиллярные трещины или слоистое растрескивание. В некоторых работах отмечается, что слоистое растрескивание является основным дефектом сварных современных конструкций. Слоистое разрушение развивается с малой энергоемкостью по микровязкому «ямочному» механизму.

При электронномикроскопическом анализе на дне неглубоких ямок хорошо видны неметаллические включения, в первую очередь сульфиды марганца.

Причиной снижения свойств в z-направлении и слоистого разрушения на микроструктурном уровне является действие неметаллических включений, в первую очередь строчечных сульфидов, строчечных и точечных оксидов, а также силикатов. Крайним случаем снижения z-свойств толстых листов является расслой, вызванный, главным образом, скоплением крупных хрупких силикатов. Разумеется, неметаллические включения влияют не только на свойства в z-направлении. По мере снижения содержания серы протяженность и количество сульфидов уменьшается.

Проблема повышения чистоты стали на современном этапе решается с использованием ковшовой металлургии или Специальных агрегатов. Такое производство налажено на ряде отечественных металлургических комбинатах, где проводится десульфурация в ковше с помощью синтетических шлаков, продувка синтетическими порошками, вакуумирование стали, продувка аргоном, обеспечивающая удаление газов и перемешивание стали.

Особо эффективным является десульфурация синтетическими шлаками, имеющими обычно следующий состав: около 50—55% СаО; менее 7% MgO; 37-43 % Аl₂0₃; менее 7% SiO₂, — и температуру плавления 1300-1400° С. Рафинирование стали дает хорошие результаты при комплексном использовании синтетических шлаков, вдувании в ковш порошкообразных соединений кальция, а также обработке металла в ковше силикокальцием, ферросилицием, ферротитаном. Комплексное рафинирование и модифицирование неметаллических включений, проводимое на комбинате «Азовсталь» имеет, высокую эффективность.

Комплексное рафинирование особенно эффективно при обработке металла в ковше редкоземельными элементами, так как в этом случае особенно активно происходит глобулирование неметаллических включений.

Весьма перспективным способом уменьшения расслоения стали является применяемое на металлургическом комбинате «Азовсталь» вакуумирование металла в комплексе с понижением содержания кремния и продувкой аргоном. При этом резко снижается содержание крупных хрупких включений в осевой зоне листа.

При исследовании влияния вышеуказанных факторов на комбинате «Азовсталь» кремнемарганцовистую сталь С345 (ГОСТ 27772-88) подвергали различной обработке. В одной плавке было снижено содержание кремния с 0,60 % до 0,35 %, одну плавку вакуумировали. Все три плавки обрабатывали соединениями кальция и продували аргоном. Как показало исследование сплошности проката методом УЗК, вакуумирование является высокоэффективной операцией по устранению несплошности стали, в то время как снижение содержания кремния не дало ощутимых результатов. Таким образом, в результате применения новых металлургических технологических операций можно значительно улучшить эксплуатационные свойства толстого проката и в особенности повысить z-свойства стали. Кроме того, комплексное рафинирование в значительной степени устраняет появление в прокате расслоя металла в виде несплошностей.

В основе ГОСТ 28870-90, так же как и международного стандарта ISO 7773 «Стальной лист с заданными характеристиками по толщине», лежит нормирование требований по критерию ψ_z (сужение в z-направлении), оцененному при испытаниях цилиндрических образцов, вырезанных в z-направлении.

Теперь, после введения в действие отечественного стандарта, можно заказывать листовой прокат трех групп качества.

Таким образом, применение процессов десульфации и модифицирования неметаллических включений позволяет получить высокие z-свойства у толстых листов из сталей повышенной и высокой прочности, а вакуумирование металла снижает количество расслоев в прокатке.