Бор, кальций, ниобий и цирконий в чугуне и стали

Винаров С.М.

Гизмет, 1961 г.

ВЛИЯНИЕ  ЦИРКОНИЯ  В С ТАЛИ

Первое обстоятельное исследование влияния циркония на свойства стали было предпринято в 1918 г. Джиллет и Макком (при Горнометаллургическом бюро США) после получения сведений о том, что этот элемент используется в Германии в производстве артиллерийской стали. Несколькими годами позже эти же исследователи [12, 16] опубликовали результаты изучения влияния ряда элементов и среди них циркония на механические свойства стали. В этих исследованиях сравнивались свойства сталей с 0,40% С, 1,45% Si, 0,85% Μn и 3,0% Ni с присадкой Zr (0.10— 0,40%) и без него. В результате введения циркония в экспериментальные .плавки сопротивление разрыву и твердость нормализованной стали повышались, а пластические свойства ухудшались. Наилучшие результаты были получены для сталей с <0,15% Zr. Бурджесс и Вудвард [11], подробно описавшие свойства опытных сталей, вьшлавленных Горнометаллургиче-ским бюро, установили, что цирконий повышает пластические свойства металла. Наиболее высокими пластическими свойствами и ударной вязкостью обладала сталь, содержащая 2,0% Ni.

Согласно [6], в США первая сталь, содержащая цирконий, получившая промышленное применение, была выплавлена в 1919 г. в 70-т мартеновской печи. Химический состав этой стали: 0,453% С; 0,75% Μη; 0,015% S; 0,015% Ρ; 1,310% Si; 3,100% Ni; 0,330% Zr.

Сталь была прокатана в листы, отожжена при 875°, закалена в масле с 845° и отпущена (в масле) при 180°. При этом был сделан вывод, что влияние присадки циркония подобно влиянию хрома, обычно вводимого в эту сталь в количестве 0,60—0,80%. Гарсон показал также, что применение циркония позволяет снизить содержание «никеля без ухудшения свойств стали.

РОЛЬ ЦИРКОНИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ СТАЛИ

Роль циркония в производстве стали связана с большим химическим сродством этого элемента к кислороду, азоту, углероду и сере, а также с его влиянием на размер зерна и прокаливаемость стали.

Беккет [13] и Фейлд [15] указали на особые преимущества введения циркония в сталь:

1) снижение содержания кислорода, азота и серы;

2) устранение красноломкости сталей с высоким содержанием серы;

3) повышение механических свойств листовой углеродистой стали.

Последующие исследования подтвердили эти выводы.

Согласно [27], цирконий, вводимый в сталь с 2% Ni в виде сплава (с 30—35% Zr), действует одновременно как раскислитель, десульфуратор и денитрификатор. Цирконий предотвращает взаимодействие других элементов с азотом и кислородом в жидкой стали. Интересно влияние бора. Присутствие циркония в так называемых борсодержащих интенсификаторах весьма успешно защищает бор от взаимодействия с кислородом и азотом.

Очень интересный способ переплава высокохромистого  стального скрапа описывается в [66]. В шлак электродуговой печи присаживают ферросиликоцирконий в количестве, обеспечивающем сохранение светло-зеленой окраски шлака. Такая присадка уменьшает вязкость шлака, который, обволакивая легкий скрап нержавеющей стали, предотвращает чрезмерное окисление или насыщение его азотом.

Цирконий лучше присаживать в жидкую сталь в ковш. Вейтцер [62], например, наблюдал угар 65% Zr при введении его в индукционную печь непосредственно перед выпуском, в то время как потеря циркония при присадке его в ковш составляла всего лишь 26%.

В 1937 г. Шарп [55] сравнивал эффективность различных методов раскисления и особенно эффективность методов предварительного и окончательного раскисления стали цирконием и сплавами силикокальция. Он пришел к заключению, что когда к неметаллическим включениям предъявляют жесткие требования, лучше всего сталь раскислять цирконием. По мнению Шарпа, дополнительные расходы, связанные   с   раскислением цирконием, во многих случах компенсируются повышением выхода годного проката и получением однородного металла. Мазаиоши [116] установил, что присадка малых количеств циркония уменьшает количество газовых пузырей, а также содержание кислорода и азота в слитках углеродистой стали.

Для введения циркония в сталь наиболее часто применяют два железоциркониевых сплава:

Сплав с 12—15% Zr более распространен, его присаживают в тех случаях, когда в стали допустимы относительно высокие содержания кремния и требуется введение малых количеств циркония. Сплав с 30—40% Zr используют для сталей с низким содержанием кремния и с более высокими добавками циркония. Применяют также сплав с 5—8% Zr и 40—45% Si.

Цирконий как раскислитель. Цирконий в качестве раскислителя широко используют в виде циркониевых ферросплавов. Известно, что цирконий обладает высоким сродством к кислороду, однако до сих пор константа равновесия реакции раскисления экспериментально не установлена.

Во многих экспериментальных плавках, раскисленных большими количествами циркония, были обнаружены скопления или «облака» оксидных включений, представляющие собой главным образом частицы силиката циркония. Симе с сотрудниками [98] постулировал теорию, которая предполагает существование некоторой формы циркониевого окисла (возможно ZrO), обладающего высокой растворимостью в жидкой стали. Растворимость этого окисла изменяется в зависимости от остаточного содержания циркония, растворенного в жидком металле, если допустить, что нерастворимая часть его присутствует в окисленной форме.