Остання редакція: 2026-05-25
Тези доповіді
Тріщини, які виникають внаслідок дії водню, називають флокенами (нім. Flocken – пластівці). На протравлених шліфах флокени виявляються у вигляді тонких тріщин, а на зламі загартованих зразків – овальних кристалічних плям срібно-білого кольору у вигляді пластівців (рис. 1).
Флокени виникають внаслідок високої швидкості охолодження заготовки після гарячої деформації або в процесі термічної обробки, коли недостатньо часу для видалення водню з металу, та є небезпечними дефектами, оскільки їх наявність у сталі призводить до зниження механічних властивостей і інтенсифікації процесу руйнування.
Найбільшу схильність до ураження флокенами мають вуглецеві сталі і леговані сталі мартенситного та перлітного класів.
Рисунок 1. Флокени на макрошліфах, вирізаних із різних ділянок сталевих виробів [1]
Основною причиною утворення флокенів являється наявність у сталі підвищеної кількості водню в зонах напружень розтягування (які виникають в процесі структурних перетворень сталі), пластичній деформації, нерівномірному охолодженні, в місцях концентрації напружень, дефектах кристалічної решітки, границях зерен, неметалевих вкрапленнях і лікваційних неоднорідностях.
Під час експлуатації виробу молекулярний водень, який знаходиться в колекторах, а також експлуатаційні циклічні та динамічні напруження, можуть призвести до утворення експлуатаційних флокенів і зародження на них тріщин.
Аналіз результатів досліджень показав, що видалення водню із сталі до рівня, при якому флокени не утворюються, можливе тільки у випадку, коли тиск водню в металі буде більше, ніж зовнішнього середовища (рис. 2).
Результати розрахунків показують, що тільки за вмісту нижче 0,001 % водень знаходиться в молекулярному стані та не буде виділятися у вигляді газових бульбашок із рідкої сталі (рис. 2). Однак цього вмісту водню достатньо для того, щоб у твердому стані тиск виділення водню досягав значень, порівнянних із границю міцності та текучості сталі, що сприяє утворенню тріщин у сталі. За вмісту водню більше 0,001 % тиск його виділення інтенсивно зростає поблизу інтервалу затвердіння, що супроводжується «водневим кипінням» сталі, яке уражає виливок або зливок газовими раковинами.
Рисунок 2. Тиск виділення водню під час охолодження сталі із рідкого стану та межа міцності (sв) і текучості (sт) сталей 35 і 38ХН3МФА
Тільки дуже низька концентрація водню (< 0,001 %) і максимально можлива повна дифузія і десорбція водню в атомарному стані під час охолодження можуть захистити виливок або зливок від утворення газових раковин, локальних напружень і тріщин.
Атомарний водень у твердій сталі за умови зростання температури або часу витримки виробу при термічній обробці дифундує на вільну поверхню. При контакті з колектором атомарний водень може асоціюватися в молекули, що передбачає завершення дифузії. Дифузія додаткових атомів водню в цей колектор і їх асоціація в молекули призводить до збільшення локального тиску до 1000 – 1800 МПа, що може перевищувати границю міцності сталі, викликати додаткові напруження та утворення локальних тріщин.
Формування молекулярного газу із атомарного водню можливе також у результаті реакції з карбідами та неметалевими вкрапленнями, наприклад:
; (1)
; (2)
Утворені молекулярні водневі сполуки, так як і молекулярний водень, не розчиняються в металі та не дифундують. Це призводить до розвитку всередині металу великих напружень та їх релаксації шляхом руйнування металу, тобто утворення тріщин.
Тиск водню досягає максимуму біля 200 °С, а інтервал 400–200 °С являється небезпечним для утворення флокенів.
Десорбція атомарного водню може протікати за нормальної температури, однак для цього процесу потребується дуже довгий час. Швидкість процесу десорбції атомарного водню значно збільшується при нагріванні сталі до 200–300 °С внаслідок зростання дифузійної рухливості водню. Ефективність десорбції водню зростає після витримки протягом від 6 до 20 год.
Аналіз впливу легування на флокеностійкість сталі показує, що зі збільшенням ступеню легування процес утворення флокенів сповільнюється. Наприклад, за вмісту водню 0,00027 % мас. умови для утворення флокенів у сталі 35 реалізуються за температури 250 °С, а у сталі 38ХН3МФА – за 190 оС (рис. 2).
В литому металі завдяки великій кількості пор у виливку, скупчення молекулярного водню розподіляється і його тиск у локальних ділянках зменшується. В поковках, через ущільнення металу, тиск водню більше, ніж в виливках.
Вуглецеві, низьколеговані та середньолеговані сталі розподіляються за флокеночутливістю на 4 групи (табл. 1):
1 група – низько флокенечутливі вуглецеві і леговані марганцем і кремнієм сталі, з вмістом вуглецю до 0,35 %;
2 група – мало флокенечутливі вуглецеві і леговані марганцем і кремнієм сталі, з вмістом вуглецю більше 0,35 %;
3 група – хромисті та хромомолібденові флокеночутливі сталі;
4 група – хромонікельвольфрамові та хромонікельмолібденові сталі підвищеної флокеночутливості.
Таблиця 1. Розподіл сталей за флокеночутливістю
Найбільш ефективним методом запобігання утворення флокенів у сталі є термічна обробка. Для попередження утворення флокенів, охолодження після гарячої обробки тиском проводять за режимами, які забезпечують видалення та рівномірний розподіл водню.
Заготовки із вуглецевих та низьколегованих сталей після гарячої обробки тиском потрібно охолоджувати на повітрі до 600–640 oC із швидкістю (V600-640, оС/год), що відповідає рівнянню (3) та наведено на рис. 3, а.
а
б
а: 1 – швидкість охолодження заготовок на повітрі від температур закінчення гарячої обробки тиском до 600–640 oC; 2 – час витримки заготовок за температури 600–640 oC; 3 – швидкість охолодження заготовок з 600–640 oC до 400 oC; 4 – швидкість охолодження заготовок від 400 oC до 250 oC
б: 1 – швидкість охолодження заготовок з 600–640 оС до 280–320 оС; 2 – час витримки за температури 280 – 320 оС; 3 – швидкість нагрівання від 280–320 оС до 630–650 оС; 4 – час витримки за температури 630 –650 оС; 5 – швидкість охолодження заготовок з 630–650 оС до 400 оС; 6 – температура закінчення охолодження; 7 – швидкість охолодження заготовок з 400 оС до температури закінчення процесу
Рисунок 3. Режими охолодження та витримки заготовок з вуглецевих та низьколегованих (а) і середньолегованих (б) сталей після гарячої обробки тиском
, R = 0,786, (3)
де d – максимальний розмір поперечного перерізу заготовки, мм;
R – коефіцієнт кореляції.
В залежності від максимального розміру поперечного перерізу, заготовки витримують (τ, год) за температури 600–640 оС відповідно до формули:
, R = 0,999. (4)
Після витримки за температури 600–640 оС поковки охолоджуються до 400 оС із швидкістю (V400, оС/год):
, R = 0,999, (5)
а від 400 до 250 оС:
, R = 0,934. (6)
Середньолеговані сталі (IV група флокеночутливості) характеризуються більш високою стійкістю аустеніту, ніж вуглецеві та низьколеговані сталі. Швидкість дифузії водню в аустеніті значно нижче, ніж у фериті. Тому в процесі охолодження заготовок після гарячої обробки тиском утворюються умови для розпаду аустеніту, а потім ізотермічною витримкою забезпечують видалення водню. Найбільш повний і прискорений розпад аустеніту в цих сталях досягається переохолодженням до 280–300 оС і наступним нагріванням до 600–650 оС.
Аналіз результатів досліджень показав, що оптимальними режимами охолодження заготовок із середньолегованих сталей після гарячої обробки тиском є їх охолодження на повітрі до температури 600–640 оС, потім з певною швидкістю до 280–320 оС, витримка, нагрівання до 630–650 оС, витримка, охолодження з певною швидкістю до 400 оС, а потім до температури закінчення охолодження.
Розрахунками встановлено, що оптимальні параметри охолодження заготовок із середньолегованих сталей після гарячої обробки тиском визначаються наступними рівняннями:
Швидкість охолодження (оС/год) заготовок з 600–640 оС до 280–320 оС:
, R = 0,999. (7)
Час витримки (год) за 280–320 оС:
, R = 0,999. (8)
Швидкість нагрівання (оС/год) від 280–320 оС до 630–650 оС:
, R = 0,993. (9)
Час витримки (год) за 630 –650 оС:
, R = 0,999. (10)
Швидкість охолодження (оС/год) заготовок з 630–650 оС до 400 оС:
, R = 0,999. (11)
Температура закінчення охолодження (оС):
, R = 0,993. (12)
Швидкість охолодження (оС/год) заготовок з 400 оС до температури закінчення процесу:
, R = 0,999. (13)
Результати розрахунків наведено на рис. 3, б.
В результаті аналізу встановлених аналітичних залежностей розроблено режими охолодження заготовок після гарячої обробки тиском, які дозволяють отримати якісні сталеві вироби без флокенів.
Література:
1. ДСТУ 8975:2019 Сталь. Методи випробування та оцінювання макроструктури. Чинний від [2021-01-01]. Київ, Державний стандарт України, 2012. – 41 с.