CC BY
89
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2003 р. Вип. №13
УДК 669.017:539.291.1
Макуров С. Л."
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ Н РАСЧЕТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ЛИКВИДУС СЛОЖНОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
Методом термического анализа получены температурные интервалы кристаллизации сложнолегированных инструментальных сталей и предложены формулы для расчета температуры ликвидус этих сталей в зависимости от их химического состава.
Информация о температуре ликвидус стали имеет большое практическое значение, так как она определяет температурный режим от выпуска до окончания разливки плавки. Это дает возможность работать с низкой степенью перегрева металла, что снижает энергоемкость производства. Например, в работе [1] на основании экспериментальных данных по температуре ликвидуса сталей разработаны нормативы температуры металла в ковше, позволившие снизить пораженность слитков продольными трещинами. Однако, в реальных условиях температура ликвидус одной и той же марки стали может быть различной из-за различий в химсоставе, допускаемых стандартом.
Поэтому весьма актуальным является составление на основании экспериментальных данных расчетных формул для определения температуры ликвидуса стали в зависимости от химсостава. В работах [2,3] такие формулы выведены для сталей различного сортамента, однако среди них отсутствуют данные по сложнолегированным сталям с высоким содержанием ванадия.
Цель настоящей работы - экспериментальное исследование интервалов температур кристаллизации сложнолегированных инструментальных сталей и вывод расчетных формул для определения температуры их ликвидуса в зависимости от химсостава.
Исследования проводили методом термического анализа, который в настоящее время является одним из наиболее точных методов, применяемых для изучения процесса кристаллизации металлических расплавов. Экспериментальная установка и методика исследований достаточно подробно описана в работе [4].
Результаты измерения температуры образца регистрировали быстродействующим двухточечным электронным потенциометром типа КСП-4 с пределами показаний 0-5 мВ. Для установки заданного интервала температур применили источник регулируемого напряжения. Холодные концы термопар помещали в термостат, заполненный тающим льдом. Погрешность измерения не превышала ±2 °С.
Температуру начала кристаллизации определяли по излому кривых температура -время. Температуру ее конца находили как точку пересечения касательных к линиям участков затвердевания (плавления) и охлаждения (нагрева) металла в точках, соответствующих изменению кривизны.
Температуры начала и конца кристаллизации, определяемые методом термического анализа, в общем случае могут отличаться от равновесных температур ликвидуса (Тлик) и солидуса (Тсол) из-за неравновесности процесса. При этом вид экспериментальных кривых и положение критических точек (точки перегиба) зависят от темпа кристаллизации данного сплава и скорости охлаждения (нагрева) образца. Поэтому определение температур кристаллизации образцов сложнолегированных сталей проводили при нескольких фиксированных скоростях охлаждения и нагрева. Значения равновесных температур кристаллизации находили экстраполяцией полученных величин на нулевую скорость охлаждения. Окончательные значения температур ликвидуса и солидуса определяли как среднее арифметическое величин, полученных при нагреве и охлаждении образцов.
* ГТГТУ, д-р техн. наук, проф.
В работе исследовали стали: РОМ2СФЮ, Х18МФ6, Х12МФ4, Р6М5Ф4. Химсостав сталей и результаты экспериментовсведены в таблицу 1.
Из таблицы 1 видно, что на определяемую температуру начала затвердевания сталей РОМ2СФЮ и Р6М5Ф4 скорости нагрева и охлаждения практически не влияют, а у сталей Х18МФ6 и Х12МФ4 наблюдаются существенные различия в зависимости от скорости.
Таблица 1 — Результаты определения температурных интервалов кристаллизации сталей
8 Химический Режим Мощ- Продол- Скорость изменения Температура,
Н о состав стали, % исследования ность печи, жительн. фазового температуры,0 С/с и< »-ч
СЗ И кВт перехода, в твер- в твердо в жид- ликви- соли-
£ мин дой фазе жидкои фазе кои фазе дус дус
1 2 4 5 6 7 8 9 10 11
С=2,90; Мп=0,51; Нагрев 23,12 2,06 23,11 24,72 54,86 1309 1258
о 81=1,09; Мо=1,25; Охл. 9,97 4,00 16,62 13,50 27,69 1310 1256
е и г-) Сг=7,84; Си=0,13; Нагрев 22,78 3,38 15,45 15,68 41,61 1309 1256
№=0,23; \¥=0,51; Охл. — 0,88 30,00 60,92 79,88 1309 1256
о У=9,65; А1=0,019; Охл. 10,64 5,50 14,29 9,27 19,08 1307 1256
Рч Со=0,17; 8=0,019; Нагрев 17,92 5,59 12,63 10,37 16,24 1311 1253
11=0,01. Охл. — 2,17 52,99 26,31 60,94 1312 1255
С=1,88; Мп=0,41; Нагрев 29,97 0,31 15,0 93,4 61,2 1388 1360
ЧО е Я 81=0,38; Сг= 17,20; Охл. 8,70 1,69 15,0 10,6 6,3 1343 1325
№=0,35; Си=0,14; Нагрев 19,50 0,62 34,5 44,4 38,6 1371 1344
ос W=0,14; У=5,58; Охл. — 2,07 38,0 25,8 67,9 1333 1280
я Мо=0,48; Со=0,03.
С=2,34; Мп=0,39; Нагрев 21,74 1,72 20,6 9,90 52,7 1257 1240
81=0,44; Сг=12,61; Охл. 9,7 3,58 12,0 10,4 15,9 1315 1277
о г-) №=0,25; Си=0,11; Нагрев 21,45 0,69 15,4 35,4 66,1 1295 1273
W=0,19; У=3,94; Охл. — 1,00 37,0 25,2 60,9 1298 1273
X Мо=1,05; Со=0,04 8=0,018.
С=1,74; Мп=0,37; Нагрев 23,8 0,25 69,1 80,8 58,5 1395 1375
81=0,28; Сг=4,00; Охл. 14,3 3,97 4Д 5,4 17,7 1397 1375
е V) №=0,19; Си=0,19; Нагрев 18,6 0,69 8,97 23,9 19,5 1393 1377
ЧО Рч W=5,62; У=3,94; Охл. — 0,75 44,9 24,9 13,4 1393 1374
Мо=5,06; Со=0,01.
Обработкой экспериментальных данных получены значения температуры ликвидуса Т[ и солидуса Т3 исследованных сталей, которые приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Значения температуры ликвидуса и солидуса сталей, полученные экстраполяцией экспериментальных данных
Марка стали Температура Температура Интервал
ликвидус, °С солидус, °С Ть-Т3, °с
РОМ2СФЮ 1310 1256 54
Х18МФ6 1343 1325 18
Х12МФ4 1315 1277 38
Р6М5Ф4 1397 1375 22
Представляет практический интерес оценить влияние содержания примесей в стали на температуру начала и конца ее затвердевания. Известно, что примеси снижают температуру ликвидуса и солидуса расплавов на основе железа.
Для высоколегированных сталей в работе [2] рекомендуются следующие уравнения:
Ть=ТпЛ(Ре)-£ДТщ), (1)
Т$=Тпл(Ре)-£АТ5(р1, (2)
где АТщ), AT su,— изменение температуры ликвидуса и солидуса в соответствии с диаграммой состояния бинарной системы Fe-i при концентрации компонента i, равной его содержанию в стали.
Вычисленные по уравнению (2) значения температуры солидуса сталей, а также определенные по диаграмме состояния системы Fe-C в большинстве случаев плохо согласуются с опытными данными. Отклонения результатов расчета от экспериментальных величин, как правило, превышают 10 °С и достигают в ряде случаев 50-80 °С [2 - 4].
Это связано с сильным влиянием легирующих элементов на вид фазовых диаграмм. Известно, что Cr, W, Мо, сужают у-область; Ni, С, Mn, Си являются аустенитообразующими компонентами стали. Незначительные изменения в содержании легирующих элементов и примесей могут привести к изменению состава фаз и смещению линий солидуса. Поэтому расчетные методы определения температуры солидуса в общем случае недостаточно надежны.
Разброс данных по температуре солидуса частично связан с различием в химическом составе исследованных образцов стали, особенно по таким элементам, как С, Р, S, которые наиболее сильно влияют на величину Ts. Различия в содержаниях углерода в 0,10 %, фосфора и серы - в 0,01 % могут вызвать разницу в определяемых значениях Ts приблизительно в 25 °С. Следует отметить, что такой разброс по химическому составу для многих сталей находится в пределах, допускаемых стандартом.
В работах [2,3] приведены формулы для расчёта температуры ликвидус углеродистых и легированных сталей, основанные на полиномных выражениях, которые в обобщенном виде могут быть представлены следующим образом:
Ть=Тплав 1с-1(а,*|1|). (3)
где TnjiABFe - температура плавления чистого железа (по данным работы [5] TnnABFe=1539 °С, работы [2] - 1537 °С); а, - коэффициент значимости для соответствующего элемента i, содержащегося в стали данной марки (в работе [3] представлена таблица с коэффициентами a¡ для компонентов стали, вычисленными рядом авторов); [i] - содержание элемента i в стали данной марки, %.
В таблице 3 приведены 11 вариантов коэффициентов значимости, которые при подстановке в уравнение (3) дают соответствующие расчетные формулы.
Таблица 3 - Значения коэффициентов значимости элементов для расчета температуры ликвидус сталей [2, 3]
Вариант расчета TmiaB.Fe? °С Коэффициент а.
С Si Mn Cr Ni Mo V Ti w
1 1530 71 9,7 4,9 1,6 3,9 1,8 2,0 0 0,9
2 1530 70 8,0 5,0 1,5 4,0 2,0 2,0 0 1,0
3 1530 73 12,0 3,0 1,0 3,5 з,о 2,0 0 1,0
4 1530 90 6,2 1,7 1,8 2,9 1,5 1,3 0 1,0
5 1539 70 7,6 4,9 1,3 ЗД 2,0 2,0 0 0
6 1539 78 7,6 4,9 1,3 ЗД 2,0 2,0 18 0
7 1539 67 7,8 5,0 1,5 4,0 2,0 2,0 0 0
8 1539 80 13 4,8 1,5 4,3 0 2,0 0 0
9 1539 80 14 4,0 3,5 1,4 3,4 1,2 0 0
10 1539 75 8,0 5,0 1,5 4,0 2,0 2,0 0 0
11 1539 64 14,3 4,8 1,0 4,7 2,6 1,6 10 0,2
Результаты расчетов, проведенных по этим формулам, представлены в табл. 4. Таблица 4 — Результаты расчетов температуры ликвидус образцов исследованных сталей
Вариант расчета Марка стали и температура ликвидус, °С
РОМ2СФЮ Х18МФ6 Х12МФ4 Р6М5Ф4
1 1276 1350 1327 1373
2 1281 1354 1331 1374
3 1271 1356 1328 1365
4 1232 1318 1286 1345
5 1292 1366 1342 1389
6 1268 1351 1323 1375
7 1298 1368 1346 1393
8 1258 1343 1316 1380
9 1246 1313 1291 1358
10 1275 1362 1328 1387
11 1308 1381 1353 1395
Анализ полученных результатов показал, что:
- Для расчета температуры ликвидус сталей РОМ2СФЮ и Р6М5Ф4 применима формула по варианту № 11, расхождения с экспериментальными данными составляют до 0,5 %.
- Для расчета температуры ликвидус сталей Х12МФ4 и Х18МФ6 применима формула по варианту № 8, расхождения с экспериментальными данными составляют до 0,1 %.
Очевидно, что исследования необходимо продолжить как для уточнения известных формул, так и для расширения номенклатуры сталей.
В дальнейшем, одним из наиболее вероятных путей улучшения известных способов определения TL может быть учет в расчетах взаимодействия между химическими элементами при их влиянии на снижение температуры ликвидус. Такие способы, основанные на законах термодинамики растворов, известны. Однако, их практическое применение в настоящее время затруднительно из-за недостаточной методической проработки этих методов применительно к стали основного массива промышленных марок.
Выводы
В результате обработки полученных опытных данных по температуре ликвидуса сложнолегированных сталей получены формулы, позволяющие производить расчет этой температуры в зависимости от химического состава стали с погрешностью 0,5 - 3,0 %. Исследования необходимо продолжить для уточнения известных формул и расширения номенклатуры сталей с целью создания базы данных.
Перечень ссылок
1. Макуров С.Л. Оптимизация технологии производства крупных стальных слитков С. Л. Макурое II Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: Сб. науч. тр. -Мариуполь, 1999. - Вып. 7. -С. 165-175.
2. Howe A.A. Estimation of liquidus temperatures for steels/ A.A. Howe II Ironmaking and Steelmaking. - 1988. - V. 15. - №3. - P. 134-142.
3. Расчет температуры ликвидуса стали / А.Н Смирное., Л. Неделъкоеич., М. Джурджееич и др. //Сталь, - 1996.-№3,-С. 15-19.
4. Казачков Е.А. Экспериментальное исследование теплофизических свойств сталей в жидком, двухфазном и твердом состоянии/ Е.А Казачков., С.Л. Макуров II Исследование процессов с участием окисных и металлических расплавов: Сб. науч. тр./ МИСиС. - М.:Металлургия, 1983. - Вып. 148. - С. 120-127.
5. Жидкая сталь/Б.А Баум., Г.А Хасин., Г.В. Тягунов и др. - М.: Металлургия, 1984. - 208с.
Статья поступила 03.03.2003
