Финишная термическая обработка релейной стали

Г. В. СЕМЕНЧЕНКО, Г. П. САЛТЫКОВ, С. Д. ЗИНЧЕНКО и др.
ЦНИИЧЕРМЕТ (г. Череповец), Череповецкий металлургический комбинат
ISSN 0026-0819. «Металловедение и термическая обработка металлов», № 10. 1991 г.

Необходимые окончательные свойства изделий из релейной стали (низколегированной электротехнической стали, ГОСТ 3836—83) создаются термической обработкой, которая проводится потребителями этой стали, при условии осуществления на металлургическом заводе «дрессировки» с оптимальной степенью деформации. Большие различия в проведении окончательной обработки у изготовителей реле вызвали необходимость сопоставления свойств стали после различных способов отжига, проводившихся по одному и тому же температурному режиму.

Цель данной работы — определение оптимальных режимов отжига (финишной термической обработки) релейной стали, которые можно рекомендовать ее потребителям для получения максимально высоких магнитных свойств.

Исследовали магнитные свойства после отжига по двум вариантам: в вакууме (10^-1-10^-2 Па) и в азотно-водородной смеси (96 % N₂+ 4 % Н₂) при расходе 3 м³/ч и избыточном давлении в печи 29-39 Па. При отжиге в азотно-водородной смеси применяли сухую (температура точки росы — 20 °С) и влажную (температура точки росы + 20 °С) атмосферы. При отжиге в вакууме использовали образцы без дополнительной обработки и с предварительным окислением поверхности при 600 °С различной продолжительности (3,5 и 10 мин). Во всех случаях перед термической обработкой образцы обезжиривали. Режим отжига следующий: нагрев с печью до 600 °С, далее со скоростью 50 °С/ч до 860-870 °С, выдержка 6 ч, охлаждение со скоростью 50 °С/ч до 600 °С, далее с печью, выгрузка из печи при 150 °С. Длительность выдержки при 860 °С обусловлена выравниванием температуры при больших садках металла у изготовителей реле и достаточно полным рафинированием металла от элементов внедрения. Уменьшение выдержки при 860 °С до 3 ч при отжиге в лабораторных печах не ухудшало свойств стали, тем не менее обработку осуществляли при выдержке 6 ч. После отжига образцы подвергали старению по стандартному режиму: при 120 °С 120 ч.

Магнитные свойства после отжига определяли в соответствии с ГОСТ 12119-80 методом сброса, размер зерна — методом случайных секущих по ГОСТ 5639-82. Количество азота и кислорода определяли методом вакуумплавления на эксхалографах «Бальцерс» EAN-202 и ЕАО-202, а углерода — на анализаторе АН-60.

Одна из важнейших магнитных характеристик релейной стали — коэрцитивная сила, которая наиболее чувствительна к таким особенностям структуры, как дефекты кристаллического строения, упорядоченность, размер зерен, дисперсность и распределение вторичных фаз.

Следует отметить, что при различных способах окончательного отжига укрупняется зерно, изменяется количество и дисперсность вторых фаз, таких как карбиды, нитриды и сульфиды [1]. Вследствие этого подбирают режимы отжига, обеспечивающие удаление максимального количества включении или нейтрализацию их отрицательного воздействия, а также формирование крупнозернистой структуры в готовой стали.

При отжиге в сухой азотно-водородной смеси (стандартная атмосфера при аттестационной обработке на заводах-изготовителях) происходит заметное обезуглероживание стали (см. табл.), однако азот при этом практически не удаляется, так как при температурах ниже 900 °С скорость абсорбции и десорбции азота зависит от состава атмосферы [2] и контролируется его диффузией в металле. Чем меньше отношение водорода к азоту в окружающей среде, тем меньше скорость выделения азота, поэтому десорбции азота из стали при отжиге в азотно-водородной смеси исследуемого состава практически не наблюдается. Увеличение содержания водорода в азотно-водородной смеси до 9-10 % приводит к частичной деазотизации [2]. При увлажнении используемой атмосферы скорость удаления азота не изменяется, а углерода — заметно возрастает, так как с повышением влаги в атмосфере увеличивается скорость окисления углерода в стали. Интенсивное удаление углерода из стали способствует укрупнению зерна феррита и, вследствие этого, уменьшению коэрцитивной силы. При большом количестве остаточного азота и значительном содержании углерода (отжиг в сухой азотно-водородной атмосфере) процесс старения развивается интенсивно, что приводит к заметному приращению коэрцитивной силы. При таком же количестве азота и уменьшении содержания углерода (отжиг во влажной азотно-водородной атмосфере) коэффициент старения (ΔН_с) снижается, но все же в некоторых случаях он может оставаться значительно выше требований ГОСТ 3836-83.

Обработка	% N	% C	a, мкм	H_c, A/м	ΔH_c, A/м
Исходное состояние	0,011	0,009	—	—	—
Отжиг в азотно-водородной смеси:
сухой (t_т.р. = -20°C	0,011	0,005	124	67	34
влажной (t_т.р. = +20°C	0,010	0,003	289	47	8
Отжиг в вакууме	0,004	0,008	283	53	8
Отжиг в вакууме с предварительным окислением в течение, мин:
3	0,005	0,004	542	34	4
5	0,007	0,004	607	32	3
10	0,010	0,003	595	32	14

При отжиге в вакууме предварительно неокисленных образцов удаление атомов внедрения начинается практически сразу с десорбции азота, так как естественная пленка оксида на металле восстанавливается очень быстро. Деазотирование при этом протекает достаточно интенсивно, так что в металле остается меньше азота, чем при отжиге в азотно-водородной смеси и при вакуумном отжиге предварительно окисленных образцов. В этих же условиях обезуглероживания практически не наблюдается.

Предварительное окисление образцов значительно изменяет процесс удаления атомов внедрения при отжиге в вакууме. Наличие искусственно созданного оксидного слоя на поверхности металла полностью подавляет процесс деазотирования, так как FeO является непреодолимым барьером для атомов азота (плотная оксидная пленка используется для защиты от азотирования [3]). Пока азот не удален из металла, он интенсифицирует удаление углерода, так как увеличивает его диффузионную подвижность [4]. Десорбция азота развивается только после исчезновения слоя оксидов на поверхности. Деазотирование после удаления углерода протекает интенсивнее, чем в предварительно неокисленных образцах вследствие того, что углерод значительно замедляет диффузию азота [5]. Таким образом, при вакуумном отжиге предварительно окисленных образцов рафинирование металла от атомов внедрения двух типов (углерода и азота) разделено во времени и атомы одного типа ускоряют удаление атомов другого типа. Это приводит к тому, что за одно и то же время (по сравнению с другими видами отжига) успевают осуществиться последовательно происходящие процессы удаления углерода и азота.

Полнота удаления углерода из стали зависит от количества искусственно созданных оксидов на поверхности. При недостаточном их количестве углерод удаляется не полностью, что приводит к уменьшению диффузионной подвижности атомов азота и замедляет их последующее удаление из металла. Однако это не всегда оказывает влияние на количество остаточного азота в процессе длительных выдержек при отжиге. При чрезмерно большом количестве оксидов на поверхности углерод из металла удаляется более интенсивно и оставшееся количество соответствует его равновесному содержанию в стали, при этом еще какое-то количество оксидов остается на поверхности. Поверхностные оксиды затрудняют десорбцию азота и если пленка этих оксидов плотная, то совершенно подавляют деазотирование, увеличивая эффект старения. Для создания оптимального количества оксидов на поверхности при предварительном окислении необходимо учитывать не только исходное содержание углерода в металле, но и габаритные размеры изделия.

По данным работы [6], в широком интервале температур отношение толщины слоев гематита (Fе₂O₃), магнетита (Fе₃O₄) и вюстита (FeO) к общей толщине оксидов при установившемся режиме практически не изменяется и составляет 1; 4 и 95 % соответственно. Вследствие этого для технических расчетов можно считать, что слой оксидов состоит из вюстита. Тогда поверхностную реакцию при обезуглероживании можно записать как

2FeO + C = 2Fe + CO₂.

Так как процесс восстановления вюстита протекает в глубоком вакууме, то диоксид углерода удаляется из зоны реакции, прорывая плотный слой оксидов.

В соответствии с приведенной выше реакцией определили количество оксидов, необходимое для удаления углерода до равновесного содержания в стали. В тех случаях, когда реальное количество искусственно созданных на поверхности оксидов близко к расчетному (при окислении в течение 3 мин), происходит интенсивное удаление углерода и азота. При этом содержание углерода такое же, как во влажной азотно-водородной атмосфере, а азота — как при отжиге образцов в вакууме без предварительного окисления. Если же количество оксидов меньше расчетного, то углерод удаляется в меньшей степени, а азот вследствие достаточно большой длительности отжига — полностью.

Одновременное уменьшение содержания углерода и азота приводит к снижению коэрцитивной силы и уменьшению эффекта старения, причем азот на процесс старения влияет в большей степени, чем углерод. При чрезмерно большой толщине искусственно созданного оксидного слоя на поверхности образцов углерод удаляется до равновесного содержания (0,002-0,003 %), а азот при этом не удаляется (при окислении в течение 10 мин). В этом случае происходит интенсивное старение, хотя коэрцитивная сила после отжига достаточно низкая (Н_с = 32 А/м). В то же время при очень высоком содержании углерода (вакуумный отжиг неокисленных образцов) и низком содержании азота старения не наблюдается, хотя коэрцитивная сила составляет ~ 53 А/м.

Наиболее высокие значения коэрцитивной силы наблюдаются после отжига в сухой азотно-водородной атмосфере (Н_с = 67 А/м) с большим разбросом коэффициента старения (ΔН_с), зависящим от исходного содержания азота. При увлажнении азотно-водородной смеси за счет более интенсивного обезуглероживания при неизменном содержании азота среднее значение коэрцитивной силы уменьшается до 47 А/м. Несколько уменьшается и коэффициент старения, но все же он в отдельных случаях превышает допустимые значения (ΔН_с = 6 А/м).

После отжига в вакууме предварительно окисленных в течение 3 и 5 мин образцов коэрцитивная сила ниже (Н_с — 32-34 А/м). Обработка в вакууме неокисленных образцов приводит к получению примерно таких же средних значений магнитных свойств (при большем разбросе данных), как и обработка во влажной азотно-водородной атмосфере.

Содержание кислорода в стали при всех видах отжига практически не изменяется (0,01-0,03 %) за исключением отжига тонких образцов во влажной азотно-водородной смеси и в вакууме предварительно окисленных в течение 10 мин образцов (0,08 %). Сам по себе кислород практически не влияет на коэрцитивную силу и не повышает склонность стали к старению [7, 8], но резко увеличивает диффузионную подвижность азота, а углерода — уменьшает. Кроме того, он изменяет растворимость этих элементов в ОЦК-железе и, связывая нитридообразующие элементы в оксиды, увеличивает долю свободного азота, что приводит к повышению эффекта старения.

Таким образом, из всех рассмотренных разновидностей финишной термической обработки релейной стали наиболее перспективным является отжиг предварительно окисленных образцов (деталей) в вакууме. Окисление можно осуществлять как в отдельном печном агрегате, так и в той же печи, в которой осуществляют отжиг в вакууме. При отсутствии вакуумного оборудования обработку можно проводить во влажной азотно-водородной атмосфере, но при этом магнитные свойства будут значительно ниже и не во всех случаях гарантируется получение нестареющей стали. При отжиге в сухой азотно-водородной смеси магнитные свойства, характерные для обработки во влажной атмосфере, можно получить при увеличении расхода газа.

Выводы:
1. Наилучшие магнитные свойства релейной стали достигаются после отжига в вакууме предварительно окисленных образцов (деталей), что обусловлено полнотой последовательно протекающих процессов обезуглероживания и деазотирования.
2. Отжиг в сухой и влажной азотно-водородной атмосфере образцов (деталей) релейной стали не во всех случаях позволяет предотвратить старение.

Список литературы:

1. Сера в электротехнических сталях / Б. В. Молотилов, А. К. Петров, В. М. Боревский и др. М.: Металлургия, 1973. 176 с.
2. Морозов А. Н. Водород и азот в стали. М.: Металлургия, 1968. 281 с.