Разработка нержавеющей стали AISI 416 на небольшом сталелитейном заводе (Часть первая)

Во многих случаях условия поставки материалов предъявляют очень строгие требования к механическим свойствам, таким как твердость при отжиге, прочность в условиях закалки и отпуска, а также коррозионная стойкость и стойкость к окислению. В этой статье описывается процесс плавки мартенситной нержавеющей стали AISI416, которая является сталью с самым высоким уровнем производительности механической обработки среди всех разновидностей нержавеющей стали. Путем выплавки в индукционной печи и корректировки параметров рабочего процесса в процессе ковки была успешно разработана нержавеющая сталь AISI416. Нержавеющая сталь AISI416 пригодна для термической обработки и проста в обработке, что снижает затраты на ее обработку. Низкое трение этой стали снижает износ и заедание, что означает, что она считается наиболее экономичной разновидностью нержавеющей стали во многих областях применения и может даже заменить AISI410 во многих будущих областях применения.

AISI416 относится к ферритно-мартенситной стали, очень похожей на AISI410. Содержание хрома примерно на 0,5% больше, чем у AISI 410, и содержит не менее 0,15% серы. Углерод обеспечивает необходимую прочность, хром повышает коррозионную стойкость, а сера улучшает характеристики обработки. Из-за множества влияющих факторов, таких как микроструктура, размер зерна, термическая обработка, химический состав, твердость, предел текучести и текучести, а также другие физические свойства, включая модуль упругости, теплопроводность, коэффициент теплового расширения и характеристики наклепа, сложно прогнозировать производительность механической обработки. Другими важными факторами влияния также являются условия эксплуатации, материал и геометрия инструмента, а также параметры процесса обработки.

Сера полностью растворена в стали в виде FeS с температурой плавления 1190°С, но при низкотемпературном равновесии образует эвтектику FeFeS с температурой плавления 983°С. Поэтому при нагреве под ковку эта низкотемпературная эвтектика будет выделяться и плавиться по границам зерен, в результате чего сталь становится горячеломкой. Мы рекомендуем конвертировать FeS в MnS, поскольку MnS полностью растворяется в Fe. MnS плавится около 1400°C, но в отличие от FeS не образует легкоплавких эвтектик на границах зерен при высоком содержании кислорода в ванне расплава.

Рассеянная сталь — это сталь, которую полностью раскисляют путем добавления добавок перед разливкой, так что в процессе затвердевания не происходит осаждения газов. Характеризуется высокой химической однородностью и отсутствием дефектов пористости. Этот тип стали называется «спокойной сталью», потому что она спокойно затвердевает в форме, не образуя пузырей. Для облегчения идентификации в качестве маркера используется буква «К». В данном исследовании алюминий используется в качестве раскислителя; алюминий реагирует с растворенным в стали газом с образованием оксида алюминия. Выделение оксида алюминия дает дополнительные преимущества для закрепления границ зерен, что предотвращает рост зерен во время термообработки.

AISI416 представляет собой ферритно-мартенситную сталь, в которой в процессе ковки присутствуют как дельта-феррит, так и аустенит. Дельта-феррит вреден для производительности горячей обработки, особенно при низких температурах, поэтому содержание ферритообразующих элементов, таких как Si и Cr, должно быть как можно меньшим. Однако для поддержания выхода Cr содержание Si следует поддерживать выше 0,30%. Серу можно добавлять в сталь с помощью плавильных слитков серы, FeS (пирита) или MnS (пирротита). Прямое использование серы не рекомендуется из-за риска загрязнения воздуха и пожара. Добавление серы завершается в стальном котле, а Al (концентрация Al в ванне расплава составляет 0,030%) используется для предварительного раскисления.

Из-за небольшого размера сталеразливочных ванн на большинстве небольших сталелитейных заводов мы решили добавлять в печь только половину количества после завершения восстановления Al и до разливки стали. Если добавка находится в форме порошка, ее можно поместить в тонкостенную жестяную банку для облегчения добавления и впитывания. Оба препарата имеют содержание серы от 35% до 45%. Они не содержат каких-либо обнаруживаемых вредных примесей. Ожидается, что степень извлечения серы достигнет 50–60%, а из-за отсутствия щелочного шлака десульфуризации степень извлечения серы может быть ближе к верхнему пределу. Начальное целевое содержание серы составляет 0,35% (а не 0,4%). Целевое содержание серы будет скорректировано до более низкого значения в последующем процессе литья. Добавление 1 кг FeS и MnS на тонну стали снизит температуру стали на 0,2°C. По оценкам, для достижения содержания серы 0,4% температура понизится на 0,8°C. Ниже приведены подробные рекомендуемые этапы процесса.

(1) Контролируйте содержание хрома на уровне нижнего предела указанного диапазона (от 12% до 14%); (2) Поддерживайте низкое содержание кремния, но не менее 0,30%. (3) Поддерживайте содержание серы на уровне от 0,15% до 0,2%; (4) Mn составляет от 1,10% до 1,21%; (5) Al ≥ 0,03%; (6) Рекомендуется добавлять в печь половину количества FeS или MnS после восстановления Al и перед разливкой стали, а оставшуюся часть добавлять в стальной котел. Если добавка находится в виде порошка, поместите ее в тонкостенную консервную банку, но непосредственно в процессе разливки стали ее следует добавлять; (7) После того, как стальной слиток вынут из формы, охладите его на воздухе и быстро поместите в печь для отжига.

По поводу минимального содержания марганца единого мнения нет. Установщики стандартов также допускают увеличение максимального содержания Mn до 1,25% в определенном диапазоне. Сталелитейные заводы могут поддерживать соотношение Mn/S на уровне 5:1, то есть поддерживать содержание S на уровне от 0,20% до 0,25%, а содержание Mn на уровне от 1,20% до 1,25%. С термодинамической точки зрения снизить содержание FeS до нуля невозможно, но можно контролировать в более низких пределах. Когда сталь медленно нагревается или охлаждается в диапазоне температур от 950 до 1000°C, этот зернограничный FeS разжижается (его температура плавления составляет 983°C). Если сталь выдерживать или медленно нагревать/охлаждать в этом диапазоне температур, материал будет стремиться достичь равновесного состояния, и в это время образуется расплав FeS, который нарушит сплошность металла. Поэтому он должен быстро пройти этот температурный диапазон. После того, как стальной слиток вынут из формы, его следует охладить на воздухе, а затем быстро поместить в печь для отжига. Температура отжига должна быть ниже 900°С.