CC BY
28МЕТАЛЛУРГИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
УДК 621.746
Д.В. Руцкий, С.Б. Гаманюк, Н.А. Зюбан, В.В. Шмаль, А.Я. Пузиков
ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ В СЛИТКАХ РАЗЛИЧНОЙ ГЕОМЕТРИИ
Волгоградский государственный технический университет
Приводится исследование распределения неметаллических включений на различных горизонтах слитков с различной геометрией: слитка обычной геометрии массой 24,2 т стали 38ХН3МФА и слитка с измененной геометрией донной части (выпуклым поддоном, обеспечивающим повышенный выход годного в поковку) массой 22,5 т стали 38ХН3МФА. Установлено, что применение слитка новой геометрии не ухудшает качества металла, является технологичным, и в связи с увеличением выхода годного может быть рекомендовано к широкому промышленному внедрению.
Ключевые слова: слиток, неметаллические включения, оксиды, сульфиды, оксисульфиды.
Целью данной работы являлось исследование распределения неметаллических включений на различных горизонтах слитков с различной геометрией: слитка обычной геометрии массой 24,2 т стали 38ХН3МФА и слитка с измененной геометрией донной части (выпуклым поддоном, обеспечивающим повышенный выход годного в поковку) массой 22,5 т стали 38ХН3МФА. Для достижения поставленных целей в опытном и сравнительном слитках на четырех горизонтах исследовали количественное распределение и размер включений, по формуле (1) подсчитывалась загрязненность стали неметаллическими включения:
и(1)
I
где .Ь - цена деления окулярной шкалы при данном увеличении в мкм;
а - среднее значение размеров включений в делениях окулярной шкалы; т - количество включений данной группы; I - длина подсчета в мкм.
Предельную ошибку (аох) загрязненности вычисляли по формуле:
, " -1,65
' (2)
где о - среднее квадратичное отклонение распределения на 25 см длины подсчета;
1,65 - постоянный множитель для вероятности 0,9;
I - выбранная длина для подсчета, см. Ошибка при определении загрязненности составляла 0,0001.
Природу включений определяли металлографическим методом [1], по которому включения изучаются под микроскопом непосредственно на полированном шлифе, вырезанном из металла.
© Руцкий Д.В., Гаманюк С.Б., Зюбан Н.А., Шмаль В.В., Пузиков А.Я., 2012.
Загрязнённость стали неметаллическими включениями и размер неметаллических включений определяли с помощью метода Л по ГОСТ 1178-70. Оценку загрязнённости стали включениями производили под микроскопом на нетравленых шлифах.
В соответствии с результатами проведенных металлографических исследований в опытном и сравнительном слитках стали 38ХН3МФА были выявлены следующие типы сложных оксидных включений: Fe0•Mn0; 2FeO•SiO2; 2МпО^Ю2; МпО^Ю2; пБеОтМпО^Ю2; FeO•V2Oз; FeO•Cr2Oз; ^е0-Мп02>Сг20з; FeO•Fe2Oз; FeO•Al2Oз. Твердый раствор оксидов железа и марганца Fe0•Mn0 является наиболее часто встречающимся типом сложных оксидных включений (по результатам идентификации его содержание в общем объеме включений составляет 25%).
Данный тип оксидных включений встречается в виде глобулей (капель) с большим содержанием ^еО) потому, что содержание марганца в стали данной марки (по результатам химического анализа) не превышает 1% [2]. Расположение случайное, наблюдались группы из 3-5 включений.
Признаки включений и химический состав стали указывают на то, что в ней также имеются стекловидные шарообразные включения силикатов. Включения файялита, то есть -силиката железа (2FeO•SiO2), содержатся в количестве до 20%.
Следующий, наиболее часто встречающийся тип оксидных включений в слитке, представлен силикатами марганца (2МпО^Ю2) - тефроит и (МпО^Ю2) - роданит, содержащиеся в слитке в количестве 20 и 15% соответственно. Включения имеют глобулярную форму. Расположение силикатных включений случайное.
В слитке встречаются сложные силикаты железа и марганца (nFeO•mMnO•pSiO2), содержание которых составляет 10 %. Включения имеют случайное расположение. По признакам, описываемым в литературе, при идентификации установлены также ванадиты Fe0•V203 в количестве около 1,5.
Предположительно, по химическому составу слитка, в нём могут присутствовать в небольшом количестве (3 %) оксиды хрома Сг^^
Наряду с хромитами, были идентифицированы сложные включения, состоящие из хромитов, внедренных в массу твердого раствора FeO•MnO, их содержание примерно 3 %.
В небольшом количестве (до 0,5 %) выявлено содержание Fe0•Fe203. Включения FeO присутствуют в количестве 1,5%, также в слитке содержатся алюминаты FeO•Al2O3, в количестве 0,5%.
Сульфидная фаза в слитке представлена в виде твердого раствора сульфида железа и марганца. При соотношении марганца и серы, равного примерно 5 %, содержание железа в сульфидах составляет около 3 %. Расположение наблюдалось случайное в виде глобулей.
Оксисульфидная фаза в слитке представлена сложными сульфидами марганца, содержащими оксиды ^еО,МпО^Ю2) и FeS.
Загрязнённость шлифов оценивали отдельно по кислородным, сульфидным и окси-сульфидным включениям.
Идентификация неметаллических включений была проведена в светлом, темном поле и поляризованном свете. При наблюдении неметаллических включений под микроскопом в трех полях зрения определялись форма, цвет, прозрачность, степень анизотропии и расположение неметаллических включений (рис. 1 -з).
Таким образом, идентификация неметаллических включений показала, что все включения имеют сложный состав, глобулярную форму, случайное расположение, что оказывает положительное влияние на технологические свойства стали. Так, например, по литературным данным В. Даля, Х. Хенгхтенберга, К. Дюрена оксидные включения сложного состава и сферической формы почти не ухудшают ударную вязкость, сульфидные включения деформируются наиболее легко, как и оксисульфиды [2].
Рис. 1. Группа оксидных включений в светлом поле зрения, х300
Рис. 2. Сульфидные включения в светлом поле зрения, х 300
Рис. 3. Включения оксисульфидов в светлом поле зрения, х 300
Рис. 4. Количественное распределение неметаллических включений по сечению слитка:
а - высота 700 мм от низа слитка; б - высота 1100 мм от низа слитка; в - высота 1800 мм от низа слитка; г - высота 2200 мм от низа слитка;
1 - оксиды; 2 - сульфиды; 3 - оксисульфиды
а -
Рис. 5. Изменение среднего размера неметаллических включений по сечению слитка:
высота 700 мм от низа слитка; б - высота 1100 мм от низа слитка; в - высота 1800 мм от низа слитка; г - высота 2200 мм от низа слитка;
1 - оксиды; 2 - сульфиды; 3 - оксисульфиды
Рис. 6. Индекс загрязненности неметаллическими включениями по
а - высота 700 мм от низа слитка; б - высота 1100 мм от низа слитка; в - высота 1800 мм от низа слитка;
1 - оксиды; 2 - сульфиды; 3 - оксисульфиды
сечению:
г - высота 2200 мм от низа слитка; слитка;
Анализ литературных данных показал, что существенное влияние на свойства стали, в том числе и технологические, оказывает помимо других параметров, размер неметаллических включений. Различные виды разрушения обусловлены наличием включений разного размера. При хрупком разрушении неметаллические включения опасны лишь как первичный очаг, когда их размер.
Неметаллические включения увеличивают анизотропию механических свойств деформированной стали, особенно показатели пластичности - относительное удлинение и сужение. Неметаллические включения, выходящие на поверхность или залегающие вблизи нее, могут стать очагом усталостной трещины.
В связи с этим в работе проводился сравнительный анализ размеров всех видов неметаллических включений.
Количественное распределение основных видов неметаллических включений представлено на гистограммах (рис. 4).
Как видно из гистограмм, представленных на рис. 4, на всех горизонтах двух слитков преобладают оксидные, сульфидные и оксисульфидные включения размером до 4 мкм. Для опытного слитка характерны включения, максимальный размер которых достигает 4 мкм, тогда как в сравнительном преобладают включения и других размеров. Следует отметить, что в сравнительном слитке количество оксидных включений больше в 3 раза, а оксисуль-фидных в 2,5-3 раза, чем в опытном.
Распределение среднего размера оксидов, сульфидов и оксисульфидов на различных горизонтах слитка представлено на гистограммах рис. 5.
Средний размер оксидных, сульфидных и оксисульфидных включений в опытном слитке у его поверхности в 1,1-1,3 раза больше, чем в сравнительном. На расстояние 1/2Я слитка размер оксидных включений в сравнительном слитке в 1,2 раза больше, чем в опытном. А сульфидных в 2,5-3 раза меньше, чем в опытном. Размер оксисульфидных включений на 1/2Я слитка в 1,3 раза больше, чем в сравнительном.
В центре слитка в сравнительном слитке оксисульфидные включения больше в 1,5-2 раза. Размер включений в обоих слитках с приближением к центру слитка стремится к увеличению.
Результаты оценки загрязненности неметаллическими включениями представлены в виде графических зависимостей, представленных на рис. 6.
В опытном слитке индекс загрязненности оксидами у поверхности слитка в 7 раз больше, на в 1,5 раза, чем в сравнительном. Загрязненность опытного слитка сульфидными включениями у его поверхности больше в 1,4 раза, а на расстоянии слитка в 1,5 раза меньше, чем в сравнительном. В осевой зоне сравнительного слитка индекс загрязненности сульфидами увеличивается в 1,4 раза. Индекс загрязненности оксисульфидными включениями в сравнительном слитке к центру увеличивается. В обоих слитках наблюдается большая загрязненность сульфидными и оксисульфидными включениями, чем оксидными.
Таким образом, на основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. На исследуемых горизонтах опытного и сравнительного слитков преобладают оксидные, сульфидные и оксисульфидные включения размером до 4 мкм.
2. Для опытного слитка характерны включения, максимальный размер которых достигает 4 мкм, тогда как в сравнительном преобладают включения и других размеров.
3. Количество оксидных и оксисульфидных включений в сравнительном слитке в 3 раза больше, чем в опытном.
4. В осевой зоне сравнительного слитка средний размер оксисульфидных включений в 2 раза больше, чем опытном. Размер включений в обоих слитках с приближением к центру слитка стремится к увеличению. Это свидетельствует о том, что диаметр включений больше там, где затвердевание металла идет наиболее медленно.
5. В опытном слитке у его поверхности индекс загрязненности оксидами и сульфидами больше в 7 и 1,4 раз соответственно, чем в сравнительном.
6. Индекс загрязненности сульфидными и оксисульфидными включениями в осевой зоне сравнительного слитка больше в 1,4 раза, чем в опытном.
7. В обоих слитках наблюдается большая загрязненность сульфидными и оксисуль-фидными включениями, чем оксидными.
Применение слитка новой геометрии не ухудшает качества металла, является технологичным, и в связи с увеличением выхода годного может быть рекомендовано к широкому промышленному внедрению.
Библиографический список
1. Червяков, А.Н. Металлографическое определение включений в стали / А.Н. Червяков, С.А.
Киселев. - М.: Металлургиздат, 1962. - 201 с.
2. Виноград, М.И. Включения в стали и ее свойства / М.И. Виноград. - М.: Металлургиздат,
1963. - 252 с.
Дата поступления в редакцию 10.01.2012
D.V. Rutsky, S.B. Gamanyuk, N. Zyuba, V. Schmal, A. Puzikov
INVESTIGATION OF THE DISTRIBUTION OF NONMETALLIC INCLUSIONS IN INGOTS OF DIFFERENT GEOMETRY
Volgograd State Technical University
In this article , the authors study the distribution of nonmetallic inclusions at various depths in horizontal ingots with different geometry: the geometry of conventional ingot of the weighing 24.2 tons of steel and 38HN3MFA with altered geometry of the bottom part (convex plate which allows the high yield in forging) a mass of 22.5 tons of steel 38HN3MFA.It is found out that the usage of an ingot of a new geometry does not affect the quality of the metal, it is technological, and due to the increased output of suitable may be recommended for wide spread commercialization.
Key words: ingot, non-metallic inclusions, oxides, sulfides, oxysulfides.
