3 (72), 2013 / 179 УДК 669 .74 Поступила 06.09.2013 е. П. БАРАДыНцеВА, Н. А. ГлАзуНоВА, с. В. стеФАНоВич, о. В. РоГоВцоВА, оАо «БМз – управляющая компания холдинга «БМк» влияНие водорода На пластические своЙства арматурНого проката В данной статье описано исследование, проведенное в лаборатории металловедения, по определению наличия водо- рода в арматуре в зависимости от времени вылеживания и профиля арматуры, а также его влияния на пластические свойства арматурного проката. Для выявления наличия водорода в готовом арматурном прокате был применен метод глицериновых проб, суть которого заключается в том, что при выделении газа из металла пузырьки задерживаются на поверхности поперечных образцов под слоем глицерина. Выявленные закономерности позволяют рекомендовать меро- приятия для обеспечения стабильных механических свойств термоупрочненной арматуры путем создания условий для снижения насыщенности стали водородом, предупреждая, тем самым, появление водородного охрупчивания армату- ры на оАо «БМз – управляющая компания холдинга «БМк». The research carried out in laboratory of metal science on detection of hydrogen presence in reinforcement depending on period of aging and reinforcement profile and also its influence on plastic properties of reinforcing bar is described in this article. The method of glycerine tests was applied for identification of hydrogen presence in finished reinforcing bar, the essence of which is in the fact that at gas emission from metal the bubbles stay too long on the surface of cross samples under glycerin layer. The revealed regularities enable to recommend actions for providing stable mechanical properties of the heat-strengthened reinforcement by creation of conditions for lowering of steel saturation with hydrogen, preventing thereby occurrence of hydrogen embrittlement of reinforcement on JSC «BMZ» – management company of holding «BMK». Арматурный прокат является одним из самых массовых видов продукции черной металлургии, который находит широкое применение в строи- тельной индустрии . В последнее время наиболее широкое распространение получила высокопроч- ная арматура класса 500–800 . Термомеханическое упрочнение стержневой арматуры в потоке мелкосортных станов с преры- вистым охлаждением позволяет повысить на 20– 30% пластические характеристики, сопротивляе- мость повторным нагревам при сохранении задан- ного уровня прочности . Получаемая таким спосо- бом арматура признана высокоэффективной про- дукцией, надежной при использовании в строи- тельных конструкциях . Однако наряду с неоспо- римыми достоинствами выявились и некоторые негативные моменты, в частности, термическое и термомеханическое упрочнение стали способству- ют усилению чувствительности к повышенному содержанию в ней металлургического водорода . Водород, присутствующий в стали, влияет на ее эксплуатационные свойства и приводит к специ- фическим металлургическим дефектам: образо- ванию флокенов и водородному охрупчиванию стали . Водородное охрупчивание в арматуре про- является снижением пластических свойств метал- ла [1, 2] . Основными методами, позволяющими преду- предить водородное охрупчивание арматуры, яв- ляются вылеживание непрерывнолитой заготовки перед прокаткой и вылеживание готового арматур- ного проката . Для определения эффективности процедуры вылеживания арматуры после дефор- мации на ОАО «БМЗ – управляющая компания холдинга «БМК» было проведено исследование по определению наличия водорода в арматуре в зави- симости от времени вылеживания и профиля ар- матуры, а также его влияния на пластические свойства . Для исследования был выбран массив плавок арматуры профилей № 10–32 класса проч- ности 500 с более низкими и более высокими по- казателями относительного удлинения, получен- ных при первичных механических испытаниях . Выплавку, разливку и прокатку плавок армату- ры из взятого массива осуществляли согласно тех- нологической документации в одинаковых усло- виях . Химический состав испытанных образцов со- ответствовал требованиям нормативных докумен- тов . Значительных различий в процентном содер- 3 (72), 2013 180 / жании химических элементов между образцами с более низкими и более высокими показателями пластичности не выявлено . Результаты механических испытаний первич- ных и после вылеживания некоторых плавок при- ведены в таблице . Результаты первичных и повторных (после вылеживания) механических испытаний арматуры Номер плавки Про- филь Марка Первичные испытания Повторные испытания 1 16 А500HW Agt min-10,1; max-16,4; cр-12,6 min-12,1; max-17,0; cр-14,0 (через 21 день) 2 32 S500 d5 min-12,9; max-14,4; cр-13,7 min-15,5; max- 20; cр-17,7 (через 14 дней) 3 28 А500С d5 min-10,5; max-13,5; cр-12,0 min-14,5; max-17,5; cр-16,2 (через 5 дней) 4 28 А500С d5 min-12,5; max-15,5; cр-14,0 min-15,5; max-18,5; cр-17,0 (через 4 дня) 5 20 А500HW Agt min-10,5; max-14,0; cр-12,3 min-14,0; max-14,8; ср-14,4 (через 14 дней) 6 10 А500С d5 min-21,0; max-23,0; cр-21,7 Как видно из таблицы, после вылеживания ар- матуры пластические показатели улучшаются . В макроструктуре поперечного сечения иссле- дуемых образцов несплошностей, вызванных на- личием усадочных раковин, рыхлостей, пузырей, трещин, расслоений, шлаковых включений, не вы- явлено . Существенных различий в макро-, микро- структуре и загрязненности неметаллическими включениями не обнаружено . Кольцо самоотпуска – ярко выраженное с четкими границами по периме- тру (рис . 1) . Микроструктура образцов с более низкими и бо- лее высокими показателями пластичности пред- ставляет собой у поверхности структуру отпуска, в центре – структуру закалки . Различий в структу- ре и химической неоднородности не выявлено . Дальнейший металлографический анализ показал, что различий в размере аустенитного зерна нет . Размер аустенитного зерна всех образцов соответ- ствовал 7, 6,8 номерам шкалы ГОСТ 5639 . Металлографические методы исследования и анализ технологии производства арматурного проката не позволили однозначно установить при- чину получения пластических характеристик ар- матуры на нижнем допустимом пределе . Анализ литературы показал, что в большин- стве случаев изменение механических свойств ар- матурного проката на других металлургических предприятиях не могло быть объяснено изменени- ем химического состава стали, параметров прокат- ки и термического упрочнения . Более того, наблю- далось также изменение пластических свойств термомеханически упрочненной арматуры при вы- леживании, что указывало на возможное водород- ное охрупчивание . Содержание водорода в арматурной стали на ОАО «БМЗ – управляющая компания холдинга «БМК» не регламентируется . Для определения наличия водорода в арматур- ном прокате использовали метод глицериновых проб, суть которого заключается в том, что при выделении газа из металла пузырьки задержива- ются на поверхности поперечных образцов под слоем глицерина [3] . Для проверки степени влияния водорода на пластические свойства арматуры проведены ис- следования по определению наличия водорода в ар- матуре в зависимости от времени вылеживания и профиля арматуры . От прутков арматуры с более низкими значениями относительного удлинения, а также для сравнения от прутков с более высоки- ми показателями пластичности вырезали попереч- ные образцы толщиной 10 мм и помещали в ем- кость с глицерином . На поверхности поперечных сечений образ- цов с более низкими значениями относительного удлинения через 3 ч начиналось выделение газо- вых пузырьков . Через 1 сут количество пузырь- ков увеличивалось, а на следующий день увели- чивался их размер . В последующие дни размер и количество пузырьков не менялись . В течение недели каждый день от той же пробы на расстоя- нии 50 мм от последнего реза вырезали по одному образцу толщиной 10 мм и также помещали в ем- кость с глицерином . С каждым днем вылеживания арматуры количество выделившихся пузырьков на поверхности поперечных образцов уменьшалось а б Рис . 1 . Макроструктура: образца плавки № 5 с более низки- ми показателями пластичности при первичных механиче- ских испытаниях (а); образца плавки № 5 с более высокими показателями пластичности при первичных механических испытаниях (б) 3 (72), 2013 / 181 и через неделю выделение практически прекраща- лось . Аналогично исследовали пробы из разных па- кетов одной плавки с более высокими пластиче- скими показателями, полученными при механиче- ских испытаниях в первые сутки после прокатки . На всех пробах выделилось разное количество пу- зырьков . Такое распределение пузырьков говорит о неравномерной газонасыщенности образцов по длине и сечению . Но в данном случае количество и размер пузырьков были незначительными . Проведенные опыты показали, что количество газа уменьшалось с увеличением времени выле- живания арматуры после прокатки . Также выявле- на закономерность: чем крупнее профиль, тем больше его газонасыщенность, так как требуется больше времени для выхода газа на поверхность . Поэтому при первичных механических испытани- ях более низкие показатели пластичности получе- ны в основном на профилях № 16–32 . Фотографии глицериновых проб плавок № 5 и 6 приведены на рис . 2 . Плавка № 5, арматура № 20 с более низкими показателями пластичности Проба № 1 в первые сутки после прокатки Проба № 2 после вылеживания арматуры 2 сут Проба № 3 после вылеживания арматуры 4 сут Проба № 4 после вылеживания арматуры 5 сут Проба № 5 после вылеживания арматуры 7 сут Проба № 6 после вылеживания арматуры 45 сут Плавка № 6, арматура № 10, пробы с более высокими показателями пластичности из разных пакетов после первичных испытаний Рис . 2 . Результаты испытаний арматуры методом глицериновых проб 3 (72), 2013 182 / Пробы с различными сроками вылеживания сфотографированы после нахождения их в глице- рине 1 сут . Для обеспечения стабильных механических свойств термоупрочненной арматуры необходимо создать условия для снижения насыщенности ста- ли водородом . Так, на одних предприятиях при производстве высокопрочного горячекатаного ар- матурного проката дегазация производится путем выдержки заготовок при температуре выше 400 °C [4], на других предприятиях дегазацию произво- дят при температуре 900–1000 °C в течение 3–6 ч [5] . На некоторых предприятиях апробирована тех- нология регламентированного охлаждения заго- товок, предназначенных для производства высоко- прочного арматурного проката, заключающаяся в применении медленного охлаждения (0,005– 0,006 °C/с) в интервале температур 850–600 °C [6, 7] . Многие предлагают пассивную форму борьбы с водородной хрупкостью, заключающуюся в вы- леживании готового проката до достижения им требуемых механических свойств [8–10] . Французские и американские ученые предла- гают для производства арматурного проката созда- ние сталей, не склонных к водородному охрупчи- ванию [11] . Существует предположение, что водород из стали полностью не удаляется, а, скапливаясь в кол- лекторах (пустотах), остается там [12] . В этих слу- чаях металл после вылеживания выдерживает стандартные испытания, но может разрушиться при статических нагрузках, особенно в зонах со значительным градиентом температур . Этот эффект наиболее опасен для высокопрочной термоупроч- ненной арматуры, так как арматурный прокат клас- сов А800 и А1000 является предварительно напря- гаемым . Также важное значение имеет подразделение водородной хрупкостью на обратимую и необра- тимую . Под обратимостью водородной хрупкости понимают восстановление пластичности металла в результате десорбции водорода из металла в про- цессе вылеживания при комнатной температуре или в результате отжига либо отпуска на воздухе или в вакууме . Если после удаления водорода из металла в нем остаются дефекты, снижающие пластичность, то водородную хрупкость называют необратимой . Для предотвращения появления водородного охрупчивания арматуры на ОАО «БМЗ – управля- ющая компания холдинга «БМК» необходимо уже- сточить контроль влажности материалов и обору- дования при выплавке и разливке, перед прокаткой производить вылеживание непрерывнолитой заго- товки . Выводы 1 . Проведенные исследования наличия водо- рода в арматуре методом глицериновых проб дают основание утверждать, что причиной сниже- ния пластических свойств арматуры является во- дород . 2 . Результаты исследований говорят о неравно- мерной газонасыщенности образцов по длине и се- чению, а также выявлена закономерность: чем крупнее профиль, тем больше его газонасыщен- ность, так как требуется больше времени для вы- хода газа на поверхность . 3 . При вылеживании арматуры после прокатки наблюдается улучшение пластических свойств тер- момеханически упрочненной арматуры . Длитель- ность вылеживания должна варьироваться в зави- симости от химического состава стали, профиля арматуры, температурных параметров окружаю- щей среды . 4 . При возникновении необратимой водород- ной хрупкости арматуры метод вылеживания не эффективен . 5 . Для недопущения образования в арматурном прокате водородной хрупкости целесообразно пе- ред прокаткой производить вылеживание непре- рывнолитой заготовки . Литература 1 . К у д р и н В . А . Теория и технология производства стали . Учеб . для вузов . М .: Мир, ООО «Изд-во АСТ», 2003 . 2 . К а с а т к и н Г . Н . Водород в конструкционных сталях . М .: Интермет Инжиниринг, 2003 . 3 . М о р о з о в А . Н . Водород и азот в стали . Л .; М .: Металлургиздат, 1950 . 4 . Г у л я е в А . П ., И л ь ч е н к о М . М . Исследование и совершенствование технологии производства арматурной стали 23Х2Г2Т // Сталь . 1977 . № 8 . С . 751–753 . 5 . А . с . СССР № 1102816: Способ изготовления стальных кольцевых изделий / В . И . Шаповалов, Н . В . Антипова, В . В . Трофименко и др . Б . И . 1984 . № 26 . Бюл . изобрет ., 1984 . № 3 . 6 . Водородное охрупчивание высокопрочной низкоуглеродистой кремнемарганцовистой арматурной стали / В . Т . Черненко, О . Г . Сидоренко, И . П . Федорова и др . // Сталь . 1988 . № 6 . С . 85–89 . 7 . А . с . СССР № 1335573: Способ производства высокопрочной стержневой арматуры / О . Г . Сидоренко, В . К . Бабич, И . П . Федорова и др . Бюл . изобрет ., 1987 . № 3 . 8 . Влияние водорода на пластические свойства высокопрочной арматурной стали 80С / В . М . Тупилко, В . С . Сапиро, В . Т . Терещенко, К . С . Алферов // МиТОМ . 1971 . № 2 . С . 64–65 . 3 (72), 2013 / 183 9 . Исследование влияния водорода на комплекс сдаточных механических свойств термомеханически упрочненной арматур- ной стали . Отчет о НИР . Днепропетровск, 1989 . 10 . Влияние водорода на механические свойства готового проката / И . Н . Смияненко, М . А . Бабенко, В . А . Щур, И . А . Гунь- кин, Ю . Д . Костенко // Теория и практика металлургии . 2004 . № 3–4 . 11 . Atomic mechanism and prediction of hydrogen embrittlement in iron . Jun Song & W . A . Curtin . 12 . О природе разрушений высокопрочной термически упрочненной арматурной стали / Б . А . Кустов, Н . В . Пушница, Е . Д . Демченко и др . // Сталь . 1994 . № 6 . С . 69–74 .