Стали с нитридным (карбонитридным) упрочнением

В горячекатаном состоянии наиболее заметно упрочнение марганцовистой стали (типа 16Г2) влияют нитриды ванадия, молибдена и вольфрама (повышение предела текучести до 50%), но после нормализации степень упрочнения снижается на 20-30 % при одновременном существенном повышении ударной вязкости при минусовых температурах (на уровне 40-60 Дж/см² при -40° С). Не установлено упрочняющего влияния нитридов циркония, а нитриды алюминия незначительно упрочняют низколегированную сталь (примерно на 15%).
По данным работ, хорошее сочетание свойств достигается при наличии в низколегированной стали 0,04-0,06 % нитрида алюминия; с повышением степени легирования стали эффект упрочнения увеличивается. Растворение нитрида алюминия завершается при 1350° С, а кинетика его выделения изучена в работе. Обычно горячекатаная сталь содержит мало нитридов алюминия (он выделяется при скоростях охлаждения около 2° С/мин). Интенсивно нитрид алюминия выделяется при нагреве выше 500° С.

Наиболее широкое применение низколегированных сталей с нитридами алюминия наблюдается в Японии, где разработаны стали типа IN, содержащие 0,04-0,075 % AlN. В горячекатаном состоянии марганцовистая сталь IN-60 обеспечивает получение предела текучести 420 Н/мм² при высокой хладостой кости. Столь высокие хладостойкие свойства сталь типа 1N приобретает благодаря ультрамелкому зерну феррита (балл 10-12), что достигается, по данным работы, применением схемы прокатки, включающей неполное растворение нитридов алюминия при нагреве (до 1150° С) и низкую температуру конца прокатки. Оставшиеся после нагрева нерастворенные частицы нитрида алюминия измельчают зерно. В этом же направлении действует низкая температура конца прокатки.

Хороший комплекс механических свойств показывает низколегированная сталь с нитридами алюминия и в нормализованном состоянии. В этом случае нитриды алюминия образуют барьеры, препятствующие росту зерна (размер зерна 7— 10 мкм).

В установленных пределах марочного состава нормализованная сталь 16Г2АЮ обеспечивает получение предела текучести не менее 400 Н/мм² при высоких вязкости и хладноломкости, поэтому она может успешно заменять сталь МК-40, поставляемую в улучшенном состоянии.

Обращают на себя внимание высокие прочностные свойства стали с нитридами ванадия и повышенная хладостойкость (по волокнистой составляющей в изломе В) у стали с нитридами ниобия. Нитриды ванадия более легко управляемы, чем другие; это является одной из причин широкого использования таких нитридов в качестве измельчителей зерна (карбид ванадия вызывает дополнительно дисперсионное твердение). Растворение нитрида ванадия завершается при 1100° С, но при наличии достаточного количества алюминия эта температура повышается до 1350° С. Интенсивное выделение нитридов ванадия происходит в феррите (600-700° С) при сравнительно небольших скоростях охлаждения (10-100° С/мин), хотя и возможно выделение в аустените (900-800° С) при длительных выдержках. При совместном легировании ванадием и алюминием и содержании последнего до ~0,025 % преобладает тенденция к образованию нитрида ванадия, а при больших количествах алюминия—нитрида алюминия.

Количество алюминия в ванадийсодержащих сталях с азотом необходимо строго регламентировать, так как при чрезмерном его количестве будет преобладать нитрид алюминия (уменьшаются устойчивость аустенита и эффект дисперсионного твердения), а при недостатке этого элемента имеется опасность интенсивного роста зерна при нагреве выше ~ 1050° С.

Сталь 16Г2АФ содержит 0,08-0,15 % V, 0,015-0,030% N₂ и алюминий, который присаживают для раскисления (0,6-0,8 кг/т). При более высоком содержании ванадия и наличии других элементов на верхнем пределе марочного состава сталь приобретает в результате дисперсионного твердения высокую прочность, но при этом снижаются вязкость и особенно пластичность.

Механические свойства стали 16Г2АФ зависят от ряда факторов, в том числе и технологических. При обычных условиях горячей обработки давлением на толстолистовых станах (температура конца прокатки для листов толщиной 14 мм и более 870-950° С) горячекатаная сталь 16Г2АФ характеризуется чрезмерными прочностными свойствами при недостаточной пластичности и вязкости. Снижение температуры прокатки до 820-850° С сопровождается существенным упрочнением и, самое главное, улучшением вязких свойств, особенно при пониженных температурах. Нормализация несколько смягчает сталь (снижение прочности на 50-100 Н/мм²), но существенно улучшает ударную вязкость. Оптимальной температурой нормализации считается 920-950° С (по металлу), а при температурах нормализации, превышающих 1000° С наблюдается растворение карбонитридов и рост зерна, что приводит к ухудшению ударной вязкости при минусовых температурах.

При скоростях охлаждения до 10° С/мин сталь 16Г2АФ имеет феррито-перлитную структуру, а при больших скоростях (до 300° С/мин) образуются также продукты промежуточных превращений (до 25 %). В нормализованных листах толщиной до 25 мм балл зерна находится в пределах 9-11 (размер зерна 6-10 мкм), а у горячекатаных примерно на 1-2 балла больше. Структура относительно однородна по сечению проката; поэтому прокат стали 16Г2АФ толщиной до 32 мм характеризуется примерно одинаковым уровнем механических свойств.

Бейнитная структура в стали типа 16Г2АФ формируется при скоростях охлаждения проката более 80° С/мин, причем образование такой структуры сопровождается снижением предела текучести (объясняется неполным превращением аустенита и сохранением части карбидов ванадия в растворе).

Ударная вязкость на образцах с полукруглым надрезом при -90° С превосходит 30 Дж/см², а условный порог по 50 %-ный доле вязкой составляющей в изломе находится в области 0° С. Нижняя граница критического интервала хрупкости стали 16Г2АФ лежит при (-90... — 110° С), что значительно ниже, чем у обычных низколегированных сталей. После деформационного старения условные пороги хладноломкости смещаются в сторону положительных температур примерно на 40—70° С, что не больше, чем у обычных низколегированных сталей. Высокое сопротивление хрупкому разрушению стали 16Г2АФ подтверждается испытаниями на растяжение крупномерных образцов с надрезами. Прочность надрезанных образцов не снижается ниже предела текучести гладких образцов до -120° С. Создание более жесткого надреза нанесением усталостной трещины практически не сказалось на прочности стали и температуре условных порогов хладноломкости. Высокое сопротивление хрупкому разрушению стали 16Г2АФ подтверждается также испытаниями на излом крупных проб, которые показали 99-100% волокнистой составляющей в структуре до -20° С.

Разновидностью этой стали является сталь марки 15Г2АФ, содержащая меньше углерода (до 0,18% вместо 0,20% у 16Г2АФ) и кремния (до 0,37 % вместо 0,6 %); она использовалась для изготовления газопроводных труб методом горячей правки. Благодаря пониженному содержанию кремния эта сталь несколько легче деформируется в холодном состоянии и обладает повышенной вязкостью при минусовых температурах. Нормализованная сталь 15Г2АФ в пределах марочного состава обеспечивает получение предела текучести не менее 380 Н/мм², временного сопротивления не менее 550 Н/мм² и ударной вязкости при -40° С не менее 40 Дж/см².

Производство сталей с модифицирующими добавками или нитридной фазой осуществляется по обычной технологии для низколегированных сталей и не представляет затруднений. Важно тщательно контролировать содержание азота в жидкой стали, а также количество вводимых раскислителей, в первую очередь алюминия. Нормализацию проката при содержании элементов на нижнем пределе целесообразно осуществлять при более высокой температуре (950-960° С), чем при наличии элементов на верхнем (920-940° С). Следует иметь в виду, что высокий отпуск 600-650° С нормализованной стали 16Г2АФ (скорость охлаждения менее 50° С/мин) практически не влияет на уровень ее механических (незначительное снижение при 650-700° С) и хладостойких свойств.

При высоких скоростях охлаждения (~ 100° С/мин) дополнительный отпуск в интервале 350-500° С может привести к некоторому повышению предела текучести.

Стали с модифицирующими добавками обладают хорошими технологическими свойствами (деформирование в холодном состоянии, штампуемость, свариваемость и т.д.). Многочисленные исследования и практика показали, что такие стали могут подвергаться ручной и автоматической сварке в широком диапазоне режимов без значительного ухудшения физико-химических свойств, однако для получения устали 16Г2АФ наилучшей хладостой кости максимальные тепловложения целесообразно ограничить величинами, обеспечивающими получение мгновенной скорости охлаждения при 600° С не менее 3-5° С/с. Сварные соединения из этой стали равнопрочны основному металлу; ударная вязкость металла швов удовлетворяет требованиям, предъявляемым к основному металлу.

Ванадий и ниобий не являются активными раскисляющими элементами. Это дало возможность создать не полностью раскисленные (полуспокойные) стали с нитридным упрочнением. Полуспокойные стали, по сравнению со спокойными, не содержат титан и алюминий; в их составе значительно меньше кремния. Установлено, что отсутствие титана и алюминия не снижает качества сталей с нитридным упрочнением; более того, отсутствие этих элементов способствует активизации ниобия или ванадия как источников дисперсной фазы, обеспечивающей, с одной стороны, достаточно высокую степень упрочнения, а с другой, — эффективное измельчение аустенитного и феррито-перлитного зерен. Поэтому особенности химического состава полуспокойных сталей не оказывают отрицательного воздействия на механические свойства проката; в то же время полуспокойные стали с нитридным упрочнением обеспечивают повышенный выход годного, и их себестоимость ниже, чем спокойных сталей такого же состава.

При оценке качества проката для строительных конструкций серьезное внимание обращают на однородность его свойств. Исходя из условий раскисления полуспокойных сталей, можно считать, что их химическая и, следовательно, механическая неоднородность должна быть выше, чем неоднородность спокойных сталей. Однако масса и условия разливки современных крупных стальных слитков влияют настолько значительнее, чем степень раскисления, что по химической неоднородности и макроструктуре полуспокойные стали с нитридным упрочнением практически не отличаются от спокойных. Механические свойства толстолистового проката из полуспокойных сталей такие же, как и проката из спокойных сталей.

В микроструктуре полуспокойных сталей, в отличие от микроструктуры таких же спокойных сталей, отсутствуют нитриды алюминия и титана. Это приводит к росту зерна аустенита при более низких температурах, чем у спокойных сталей. Титан, обычно применяющийся при раскислении спокойных низколегированных сталей, из-за большого сродства к азоту активно взаимодействует с ним и образует крупные частицы, часто играющие роль неметаллических включений. При существующей технологии производства нитриды титана не образуют в стали дисперсной фазы и не приводят к ее дисперсионному твердению. Поэтому в сталях с нитридным упрочнением титан является вредным элементом, мешающим эффективному действию азота в соединениях с ванадием и ниобием. Так, в частности, даже при производстве стали марки 16Г2АФ титан был исключен из ее химического состава. Таким образом, полуспокойные мелкозернистые стали без титана по уровню механических свойств могут превосходить спокойные стали с титаном. Однако оптимальные температуры аустенитизации полуспокойных сталей без титана должны быть примерно на 50° С ниже, чем у спокойных сталей.