Влияние неметаллических включений на процессы разрушения литейных сталей

Неметаллические включения Неметаллические включения (НВ) являются важнейшим фактором, характеризующим «металлургическое» качество стали. В частности, включения снижают механические свойства и отрицательно влияют на коррозионную стойкость трубопроводов при эксплуатации. Например, сульфидные включения ухудшают ударную вязкость стали даже при самых малых содержаниях.
Согласно СТО Газпром 2-4.1-713–2013 [6] нормы загрязненности НВ стали для труб категории Е составляют (баллы, средний/максимальный): сульфиды 1.0/1.5, оксиды (строчечные, точечные) 2.0/2.5, силикаты (хрупкие, пластичные) 2.0/3.0, (недеформируемые) 2.5/3.0.
Химический и фазовый состав включений обычно сложный, и его важно знать для диагностики их происхождения. Но качество металла зависит не столько от общего количества (объемной доли) включений, сколько от [8-10]:
 вида, химического состава неметаллических включений;
 размеров, форм и размерного распределения неметаллических включений;
 прочности связи неметаллических включений с матрицей;
 прочности стали и величины приложенных напряжений.
Реально достигаемые содержания нежелательных примесей в трубных сталях составляют (%): 0.008-0.010 фосфора; 0.001 серы; 0.003 азота; 0.001 общего кислорода; 0.0001–0.0002 водорода [16]. Стандарты Американского нефтяного института (API) регламентируют только предельное содержание серы (≤0.06 %) и фосфора (≤0.04 %). Согласно СТО Газпром 2-4.1-713-2013 [6], регламентируются следующие предельные концентрации (%): 0.015 фосфора, 0.005 серы, 0.009 азота.
Вся сера, содержащаяся в металле, находится в сульфидных включениях, которые ухудшают эксплуатационные свойства сталей. По этой причине сталь необходимо подвергать десульфурации, а также модификации сульфидных включений. Большая часть серы удаляется уже в ходе доменного процесса и последующей десульфурации жидкого чугуна. Добиться сверхнизкого содержания серы можно только десульфурацией жидкой стали в ковше, что осуществляется с использованием реагентов, обладающих высоким сродством к сере – соды, магния, извести, соединений кальция и редкоземельных металлов.
Включения сульфидов, в частности, отрицательно влияют на коррозионную стойкость металла. Известно [17], что сульфид марганца является наиболее активным с коррозионной точки зрения в коррозионностойких сталях в хлоридных и бромидных средах (как в разбавленных, так и концентрированных) при рН от 0 до 7.
Такие элементы, как медь, олово, мышьяк и сурьма, не могут быть удалены с помощью обычных средств ковшовой металлургии. При снижении содержания серы и кислорода в стали возрастает влияние Sn, Sb, Pb, As на свойства металла как поверхностно активных элементов, обогащающих границы зерен и снижающих прочность и ударную вязкость металла, температуру хрупко-вязкого перехода и коррозионную стойкость. Суммарное содержание (As, Sb, Sn, P, Zn, Bi) не должно превышать 0.02%, (Cu, Ni, Cr) – 0.05 % (если не являются легирующими). Поэтому тщательный отбор скрапа, основного источника этих, как правило, вредных элементов в расплаве, является единственной возможностью свести к минимуму их содержание в стали.
В малоперлитных трубных сталях с Nb и Ti, а также в высокопрочных трубных сталях бейнитного класса, микролегированных B, азот является вредной примесью. Присутствуя в твердом растворе, он приводит к пoнижeнию предeлa текучести и временного сопротивления готового проката. Содержание азота более 0.007-0.010 % может вызывать избыточное выделение карбидной фазы ниобия в аустените, участвующего в процессе дисперсионного твердения феррита, вследствие уменьшения 23 растворимости Nb(C, N). Отрицательное влияние азота можно нейтрализовать путем введения микродобавок Ti для связывания азота в высокотемпературную фазу TiN. При этом необходимо, чтобы содержание титана превышало содержание азота по следующему соотношению: Ti (%) > 3.42 N (%).
Присутствие водорода в стали приводит к временному снижению пластичности. Ликвационные неоднородности способствуют водородному растрескиванию. Cопротивление разрушению понижается с увеличением количества перлита и сульфидов. Фосфор относится к числу элементов, обладающих наибольшей склонностью к ликвации и образованию сегрегации по границам зерен. Основными механизмами влияния фосфора на свойства стали являются интенсивное упрочнение за счет образования твердого раствора и ослабление межфазных и межзеренных границ вследствие образования сегрегаций [8, 9]. Влияние содержания фосфора (0.002– 0.040%) на Т50 зависит от типа структуры и условий охлаждения (характера разрушения). Влияние уровня прочности (типа структуры) на характер зависимости Т50 от содержания фосфора описывается следующей зависимостью: Т50 = 0.454σвР, где Р - содержание фосфора в % масс.
Сопротивление вязкому разрушению снижается с повышением содержания фосфора и прочности стали согласно уравнению: ΔKCVmax = –0.257 σв – 374Р. В низколегированной стали фосфор слабо снижает KCVmax (упрочнение твердого раствора), для более легированной стали влияние возрастает.
Эффект улучшения хладостойкости от снижения содержания фосфора, возрастает с укрупнением зерна, т.е. чем мельче зерно, тем меньше влияние фосфора. После изотермической выдержки при 550 °С (имитация смотки в рулон) влияние фосфора и зависимость от состава (типа структуры) усиливаются (отпускное охрупчивание).
Необходимо снижение содержания фосфора с 0.02 до 0.01 % для достижения высокой вязкости для сталей категорий прочности Х80-Х100 (σв