CC BY
63
дйШ
м Щ
2007 --
ЕТАЛЛУРГИЯ
It is shown that the important factor for receiving of high quality of continuously-casted ingot is construction and state of machine equipment of the slug continuous casting.
Е. П. БАРАДЫНЦЕВА, Н. А. ГЛАЗУНОВА, И. А. КОВАЛЕВА, О. В. РОЖКОВА, РУП «БМЗ»
УДК 669.
КЛАССИФИКАЦИЯ ДЕФЕКТОВ МАКРОСТРУКТУРЫ ПОДШИПНИКОВОЙ СТАЛИ ШХ15СГ ПРОИЗВОДСТВА РУП «БМЗ»
В 2001 г. на РУП «БМЗ» впервые была опробована технология изготовления сортового проката подшипниковой стали из непрерывноли-тых заготовок сечением 300x400 и 250x300 мм. Для завода это новый вид продукции. За пять лет работы с подшипниковой сталью был отработан и собран определенный объем материалов по дефектам макроструктуры, которые были получены при производстве сортового проката диаметром 80—150 мм подшипниковой стали, изучено влияние различных параметров на эти виды дефектов и приняты меры по их устранению.
Макроструктуру непрерывнолитых заготовок исследовали только в процессе освоения нового вида продукции.
Качество сортового проката подшипниковой стали диаметром 80—150 мм контролируется в лаборатории металловедения на соответствие требованиям ГОСТ 801. Макроструктура подшипниковой стали оценивается по поперечному сечению образцов, отобранных от горячекатаных заготовок, и по продольному закаленному излому.
Грубые дефекты (усадочная раковина, усадочная рыхлость, флокены, газовые пузыри, пятнистая ликвация, крупные неметаллические включения) в макроструктуре проката подшипниковой стали не допускаются, так как они вызывают появление трещин при пластической деформации, при термической обработке, а также разрушение деталей в процессе эксплуатации. За весь период работы с подшипниковой сталью такие грубые дефекты, как флокены, газовые пузыри, пятнистая ликвация, шлаковые включения в стали производства РУП «БМЗ» не отмечались.
С целью снятия внутренних напряжений и исключения образования межкристаллитных трещин прокат подвергается термообработке в колодцах замедленного охлаждения.
Менее опасные макродефекты сортового проката, к которым относятся точечная неоднородность, центральная пористость и ликвационный
квадрат, являются следствием химической неоднородности непрерывнолитого слитка и нормируются шкалами ГОСТ 10243-75.
Рассматривая особенности кристаллического строения непрерывнолитой заготовки подшипниковой стали, отмечено, что в направлении продвижения фронта кристаллизации структура темплета неоднородна. После горячего травления в 50%-ном растворе соляной кислоты видно, что от корковой зоны мелких неориентированных трудноразличимых кристаллов вглубь непрерывнолитого слитка проходит зона столбчатых кристаллов, в центральной части темплета — усиленная зональная ликвация, обусловленная концентрацией ликвирующих элементов.
Процессы ликвации в непрерывнолитой заготовке легированной стали приводят к обогащению отдельных участков объема стали из-за вытеснения остаточного расплава фронтом кристаллизации одновременно несколькими ликвирующими элементами в одном направлении, что часто дает многократное усиление влияния этих элементов на структурные характеристики стали. Все это приводит к неравномерному распределению ликвирующих элементов в объеме стали, где особое место занимает осевая ликвация (рис. 1).
Рис. 1. Макроструктура непрерывнолитой заготовки сечением 300x400 мм из стали ШХ15СГ с ярко выраженной осевой ликвацией
/хттгп г г^/^ггшос
- 2 (42). 2007/ VII
Осевая ликвация представляет собой повышенную концентрацию ликвирующих примесей в сердЦевине. Из-за различной скорости роста столбчатых кристаллов, обусловленной неравномерностью фронта кристаллизации, как по периметру, так и по высоте слитка, столбчатые дендриты периодически образуют перехваты «мосты». Ниже «моста» кристаллизация происходит при недостаточном питании жидким металлом, а нижний конусообразный участок лунки, отсеченный от верхних питающих слоев затвердевшим металлом, представляет собой обособленную зону кристаллизации. В этой зоне могут возникать крупные усадочные поры — вторичные усадочные раковины. Поступающий в данную зону жидкий металл, обогащенный ликва-тами с пониженной температурой плавления, образует грубую К-образную и шнуровую ликвации. Избежать ликвации полностью невозможно.
Важным фактором получения высокого качества непрерывнолитого слитка является конструкция и состояние оборудования машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), немаловажное влияние на осевую ликвацию оказывают соотношение скорости, температуры разливки и интенсивности охлаждения.
Тесно связана с осевой ликвацией центральная пористость. Пористость обычно сопровождается ликвацией.
Центральная пористость представляет собой сосредоточение крупных и мелких пор вдоль теплового центра слитка в зоне встречи фронтов затвердевания и может быть двух типов ~ рассредоточенная и сосредоточенная.
Рассредоточенная Центральная пористость непрерывноли-той заготовки представляет собой усадочные поры небольшого сечения, разбросанные по осевой зоне, получает развитие в зоне равноосных кристаллов, ограниченных зоной столбчатых Дендритов. На рис. 2 показана макроструктура круглого проката из непрерывнолитой заготовки с дефектом «центральная пористость (рассредоточенная)».
Сосредоточенная пористость — это крупные усадочные поры, сконцентрированные по тепловому центру слитка, которые могут образовывать в осевой зоне несплошность. На рис. 3 показана макроструктура проката из непрерывнолитой заготовки с дефектом «центральная пористость (сосредоточенная)». На рис. 4 показан дефект «усадочная пора», выявленный в продольном изломе прокатанного металла.
Сосредоточенная пористость обычно обнаруживается при развитой столбчатой структуре и концентрируется вдоль вертикальной оси в виде прерывистых пустот. Высокое содержание углерода и хрома увеличивают вязкость стали, что затрудняет заполнение образующихся пор при ее затвердевании. Поэтому в подшипниковой стали центральная пористость развита значительно больше, чем в сталях с более низким содержанием углерода.
Наличие тугоплавких неметаллических включений (А12Оэ, БЮ2, нитридов) снижает жидкотеку-честь стали, а также затрудняет питание образую-
Рис. 2. Макроструктура проката из непрерывнолитой заготовки с дефектом «центральная пористость (рассредоточенная)»
Рис. 3. Макроструктура проката из непрерывнолитой заготовки с дефектом «центральная пористость (сосредоточенная)»
Рис. 4. Усадочная пора в продольном изломе проката подшипниковой стали
ШХ15СГ
ос//: г-.г г глш\г Гм!
и О / 2 (42). 2007 -
гр
щихся пор. Выделяющиеся при затвердевании двухфазной области слитка газы могут создавать в капиллярах противодавление течению жидкого металла и тем самым затруднять питание образующихся пор. Поэтому чем меньше вязкость металла, чем меньше неметаллических включений и газов в том жидком маточном сплаве, который накапливается в ходе кристаллизации в осевой зоне слитка, тем меньше при прочих равных условиях опасность образования центральной пористости, тем плотнее и здоровее будет сердцевина непрерывнолитой заготовки и полученного из нее проката.
Одним из условий, усиливающих центральную пористость и осевую ликвацию, является изменение геометрии сечения непрерывнолитой заготовки (раздутия) вследствие деформации слитка в поддерживающей системе установки. Раздутия вызывают специфические потоки в жидкой фазе, которые приводят к перераспределению легирующих элементов и примесей, образуя центральную пористость и осевую ликвацию. Причем с
увеличением разду- яр
тия непрерывного слитка центральная пористость и осевая ликвация возрастают.
Снижение центральной пористости достигается за счет перегрева металла перед выпуском в кристаллизатор на 20—30°С выше температуры ликвидуса, создания оптимального соотношения скорости разливки и интенсивности охлаждения.
Осевой пережог является одним из характерных дефектов проката из высокоуглеродистой стали и представляет собой грубые нарушения сплошности осевой зоны заготовки, имеющие вид периодически повторяющихся местных поперечных разрывов. В зоне мелких разрывов на макрошлифах наблюдается повышенная трави-мость. Из-за темного цвета участков с разрывами после травления в 50%-ном растворе соляной кислоты дефект называют "черновины" (рис. 5).
Темный цвет участков с разрывами — это следствие окисления металла в процессе нагрева под прокатку. В продольном сечении темплета от круглого проката "черновины" имеют вид темно-травящихся извилистых полосок (рис. 6).
При большой степени развития осевого пережога разрушение захватывает целые области осевой части обжатой заготовки.
В продольном изломе в местах "черновин" наблюдаются четкие кристаллические нити (рис. 7).
Относительно причин возникновения этого дефекта существуют различные точки зрения. Исследования поперечного сечения проката, изломов и микрошлифов подшипниковой стали показали, что одной из причин возникновения осевого пережога является усиленная зональная ликвация. Для борьбы с осевым пережогом, связанным с ликвацией хрома, углерода и других ликвирую-щих элементов, особое внимание уделяется процессу томления подшипниковой стали при нагре-
- -у " -- '
■в ЩеШ^ШшШщ
и
ь 6 -
Рис. 5. Горячекатаная заготовка из стали ШХ15СГ с дефектом макроструктуры «осевой пережог» («черновины») (а); при увеличении — темные пятна с выявляющимися надрывами в виде
сетки (б)
:111111
Рис. 6. Продольный макротемплет от круглого проката с дефектом осевой пережог «черновины»
Рис. 7. Излом с наличием осевого пережога
г.гт г-г г: г^шл тггп
- 2 (42). 2007
/37
ве под прокатку. Предусматривается выдержка металла в зоне температур 1100-1200°С (по стенке печи) в течение не менее 40% от общей продолжительности нагрева (гомогенизирующий нагрев). Пораженность метала осевым пережогом сопровождается, как правило, увеличением балла по центральной пористости и карбидной ликвации, а при микроконтроле дефектного металла наблюдается полное нарушение его сплошности в виде микропористости и микротрещин различной величины, часто располагающихся рядом с крупными карбидными и сульфидными включениями.
Микропоры и микротрещины являются грубым дефектом макроструктуры. Они встречаются в центральной части горячекатаных заготовок (рис. 8).
Микропоры характерны для проката диаметром 90 мм и выше. Они имеют вид мелких надрывов, пустот или трещин, расположенных под различными углами к направлению волокон; отдельные мелкие поры группируются в строчки или полоски, идущие вдоль волокна, в которых встречаются отдельные сульфидные включения или карбидная ликвация. Микропоры обычно располагаются в участках с повышенной концентрацией углерода и наличием карбидов. Существует предположение, что образование микротрещин связано с начальной стадией осевого пережога. Начальная стадия осевого пережога дает микропоры и микротрещины, а сильно развитый осевой
Рис. 8. Микропоры в осевой зоне проката подшипниковой стали ШХ15СГ: а ~ в поперечном сечении образца; 6 — в продольном сечении образца
пережог приводит к полному разрушению внутренней части заготовки.
Большинство дефектов макроструктуры являются концентраторами напряжений и очагами зарождения усталостных трещин в процессе производства и эксплуатации подшипников, поэтому весьма нежелательны большая общая и центральная пористость прутков, осевая ликвация.
Вывод
1. Важным фактором получения высокого качества непрерывнолитого слитка является конструкция и состояние оборудования машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ).
2. Большое влияние на осевую ликвацию оказывают оптимальное соотношение скорости разливки и интенсивности охлаждения.
3. На качество центральной зоны подшипниковой стали оказывают влияние химический состав стали, степень осевой ликвации, а также температура нагрева и время выдержки перед деформацией.
