Графитизация

Более опасной формой нестабильности структуры перлитных, углеродистых и молибденовых сталей является графитизация. Под графитизацией понимается распад карбида Fe₃C с выделением свободного углерода в виде графита. Процесс графитизации, связанный с распадом карбида Fe₃C и выделением при этом свободного углерода в виде графита, хорошо известен для чугуна и некоторых инструментальных сталей, т. е. для железоуглеродистых сплавов с высоким содержанием углерода и для некоторых сталей с повышенным содержанием кремния.

Внимание к процессу графитизации сталей, используемых в паросиловых установках, было привлечено аварией паропровода высокого давления, происшедшей в 1943 году на электростанции Спринг–Дейл в США. Паропровод был выполнен из труб диаметром 325 × 36 мм, изготовленных из 0,5%-ной молибденовой стали. Авария произошла после 5,5 лет эксплуатации паропровода при 505°С. Одна из труб разорвалась по всему поперечному сечению вблизи сварного стыка. Исследования показали, что характер разрушения трубы – хрупкий, разрушение произошло в зоне термического влияния сварного шва на расстоянии 3–4 мм от наплавленного металла, где были созданы наиболее благоприятные условия для графитизации – соответственная температура нагрева и напряжение, а возможно и деформация. Причиной разрушения оказалось интенсивное выделение графита в виде цепочек по границам зерен. В связи с аварией было произведено обследование структуры металла действующих паропроводов высокого давления, изготовленных из 0,5%-ной молибденовой стали, на 39 станциях США. В результате обследования на 16 установках были обнаружены выделения графита в зоне сварных стыков.

На Челябинском металлургическом заводе, на паропроводе одного из котлов, изготовленном из стали 15М, работающем при 450° в течение 20 000 часов, была также обнаружена графитизация. Этот котел был поставлен США Советскому Союзу во время войны.

Графитизация – одна из форм нестабильности структуры углеродистой и молибденовой котельных сталей при рабочих температурах свыше 450° для углеродистой и 485° для молибденовой стали (0,5% Мо). Однако не каждая плавка подобного состава оказывается склонной к графитизации. Явлению графитизации, как правило, предшествует сфероидизация цементита перлита. Во всех случаях при обнаружении в стали графита имел место далеко зашедший процесс сфероидизации. Однако не всегда полностью сфероидизированные стали оказывались в то же время и графитизированными.

Стали с крупным зерном имеют меньшую склонность к графитизации, чем стали того же состава с мелким зерном. Нормализация стали от 900°С способствует ускорению графитизации по сравнению с отжигом при этой же температуре. Неравномерное охлаждение образцов при термической обработке, вызывающее возникновение остаточных напряжений, резко снижает время до начала графитизации. Сосредоточенная графитизация, большие скопления графита в виде цепочек наблюдалась в тех образцах, которые в процессе термической обработки охлаждались неравномерно. Особенностью графитизации в паропроводе высокого давления оказалось то, что местами ее наиболее интенсивного развития является зона термического влияния сварки.

В наплавленном металле сварных соединений образования графита не наблюдалось. Не обнаружено также ускоренной и предпочтительной графитизации в зоне теплового влияния сварных швов при условии, когда шов выполняется многослойным и накладывается постепенно. Отпуск стали после отжига, нормализации или сварки при 700°С в течение 4 часов отдаляет время появления графита. Процесс графитизации ускоряет предварительная холодная деформация.

Одним из основных факторов, обусловливающих склонность углеродистой или молибденовой стали к графитизации, является метод ее раскисления. Установлено, что стали, выплавленные без применения алюминия для раскисления или с добавкой алюминия не более 0,25 кг на тонну стали, практически не графитизируются. Наоборот, стали, раскисленные алюминием в количествах 0,6–1 кг на тонну, в большинстве случаев имеют склонность к графитизации. Стали промежуточного типа ведут себя по-разному. Вероятно, аналогично алюминию действуют такие элементы, как никель и кремний. Препятствуют графитизации карбидообразующие элементы – хром, титан, ниобий.

Исследования показали, что хром эффективно понижает способность стали к графитизации.

Достаточно ввести в сталь 15М или 20М небольшое количество хрома (0,3–0,5%), чтобы предотвратить или резко замедлить процесс графитизации паропроводов высокого давления в рабочих условиях. Таким образом, взамен сталей марок 15М и 20М, подверженных графитизации в процессе работы при температурах свыше 480–455°, появилась новая сталь, содержащая дополнительно около 0,5% Сr – марка 12МХ.