CC BY
442
УДК 621.74
Синицкий Е.В., Нефедьев А.А., Ахметова А.А., Овчинникова М.В., Хренов И.Б., Дерябин Д.А.
ОБЗОР РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ, НАПРАВЛЕННЫХ НА УЛУЧШЕНИЕ СВОЙСТВ ОТЛИВОК ИЗ ВЫСОКОМАРГАНЦЕВОЙ СТАЛИ*
Аннотация. В настоящей статье представлен обзор результатов исследований, направленных на улучшение свойств высокомарганцевой стали посредством воздействия на её расплав, совершенствованием режима термической обработки и физическим воздействием на готовое изделие из этой стали. Приведены результаты работ по улучшению процесса выплавки и внепечной обработки стали Гадфильда на различных заводах. Рассмотрены результаты комплексного легирования этой стали различными химическими элементами: хром, молибден, азот, титан и др. Представлены результаты работ зарубежных исследователей, которые направлены на исследование влияния химического состава на прочностные свойства высокомарганцевой стали, изучение формирования структуры после внешнего физического воздействия, а также описание механизмов упрочнения стали под действием внешних факторов. Рассмотрены результаты многочисленных работ по определению влияния скорости охлаждения отливок в литейной форме на показатели износостойкости. Кроме того, рассмотрены результаты работ, направленных на совершенствование литейной технологии изготовления отливок из стали Гадфильда, а также результаты других, не менее важных, работ по исследованию высокомарганцевой стали.
Ключевые слова: высокомарганцевая сталь, легирование, термическая обработка, скорость охлаждения, кристаллизация, литая структура, аустенит, вторичные карбиды.
Применение высокомарганцевой стали в качестве конструкционного материала, в частности стали Гадфильда, обусловлено комплексом уникальных свойств: высокая вязкость металла, сопротивление ударным нагрузкам, хорошая наклёпываемость и т.д. Кроме того, под действием динамических нагрузок в поверхности контакта образуется упрочненный слой, который обеспечивает высокую износостойкость этой стали [1, 2].
Сталь марки 110Г13Л применяют для изготовления таких изделий, как траки для гусеничной техники, щёки дробилок, крестовины и стрелочные переводы рельсовых путей, зубья ковшей экскаваторов и многие другие сменные детали. Основными потребителями упомянутой продукции является горнообогатительное, металлургическое и машиностроительное производство и многие другие промышленные предприятия.
Изделия из высокомарганцевой стали получают методом литья в разовые (песчаные) и металлические формы. После этого изделие подвергается термической обработке, заключающейся в нагреве стали до температуры ориентировочно 1100 °С и последующей закалке в воде [3, 4].
Изделия из стали Гадфильда практически не подвергаются механической обработке, так как она плохо обрабатывается резанием из-за наклёпа поверхности в процессе резания и, как следствие этого, быстрого износа обрабатывающего инструмента.
Несмотря на то, что сталь Гадфильда применяется в промышленности для получения фасонного литья с 1892 г. [2], интерес к ней не угасает по сегодняшний
* Исследование выполнено за счёт гранта Российского научного фонда (проект №15-19-10020). © Синицкий Е.В., Нефедьев А.А., Ахметова А.А., Овчинникова М.В., Хренов И.Б., Дерябин Д.А., 2016
день. Исследователи разных стран работают над вопросом повышения качества отливок из высокомарганцевой стали, изучением механизмов изнашивания, оптимизацией технологических процессов получения отливок с целью снижения их себестоимости.
В представленной статье изложены результаты исследований, проведённых российскими и зарубежными научными коллективами, направленных на изучение и повышение свойств отливок из высокомарганцевой стали.
Формирование свойств сплавов и, соответственно, отливок из них начинается на стадии подготовки жидкого расплава - подбор шихтовых материалов для их выплавки, технология выплавки сплава и внепеч-ной обработки.
В работах [1, 2, 5-7] подробно изложена технология выплавки высокомарганцевой стали в различных агрегатах и разными методами: в дуговых, индукционных и мартеновских печах, методами окисления и переплава. Наиболее широко распространённым является метод выплавки этой стали - с окислением. Это обусловлено более высоким качеством металла и повышенными значениями его свойств. При выплавке высокомарганцевой стали методом окисления этот процесс заканчивают при получении в ванне углерода > 0,15-0,20 % [1, 2] с последующим науглероживанием. В современных дуговых печах процесс окисления металла прекращают при содержании углерода на 0,3±0,15 % выше верхнего предела [7]. При этом в обоих случая следят, чтобы содержание фосфора не превышало 0,020-0,025 %, т.к. это может привести к снижению ударной вязкости металла и ухудшению всего комплекса свойств.
После окончания окислительного периода скачивают шлак с целью предотвращения обратного перехода фосфора в металл. Затем на некоторых заводах
проводят период предварительного легирования и раскисления. В работах [1, 2] говорится, что для этого отдают в печь кусковой ферросилиций и ферромарганец из расчёта получения этих элементов в металле до 0,6 и 1,5 % соответственно. Далее наводят шлак восстановительного периода с основностью 2,5-3,5 из извести, плавикового шпата, молотого просеянного кокса и мелкодробленого 45 %-ного ферросилиция или силикокальция. На тех заводах, где этап предварительного легирования и раскисления не реализован, сразу же наводят восстановительный шлак с последующим проведением осадочного раскисления металла алюминиевым порошком или стружкой в количестве 1,5-1,0 кг на 1 т стали. Как упомянуто в этих же источниках, на некоторых заводах осадочное раскисление заменяют диффузионным [8].
В конце плавки в качестве раскислителя довольно часто используют алюминий [2, 7]. Согласно источнику [2] на свойства высокомарганцевой стали вредное влияние оказывает высокая концентрация оксида марганца в расплаве. Для его удаления авторы рекомендуют проводить предварительное раскисление стали алюминием, введение которого на этом этапе плавки увеличивает её плотность и износостойкость.
В некоторых работах [1, 2, 5] говорится о технологии комплексного раскисления элементами: А1 + 0,2 % И, 0,05 % А1 + 0,15 % FeCe + 0,15 % SiCa. По мнению авторов, титан, входящий в состав такой смеси, снижает концентрацию кислорода, водорода, азота в металле. Оксиды и нитриды титана измельчают зерно, что приводит к увеличению механических свойств стали. Кроме того, рассмотрена технология раскисления высокомарганцевой стали силикокальцием в количестве 0,2 - 0,3 % на желобе печи, что положительно сказывается на механических свойствах.
Авторы источника [6] для повышения плотности и ударной вязкости стали предлагают удлинять период её раскисления в печи на 30 мин и давать выдержку в ковше в течение 20-40 мин, обеспечивая при этом оптимальную температуру разливки порядка 1440 °С. Авторами работы [7] предложена современная технология раскисления стали, позволяющая получать рациональное содержание алюминия в составе сплава.
Работа [9] посвящена совершенствованию технологии выплавки высокомарганцевой стали путём раннего наведения шлака и обработки его высокоактивным раскислителем - углеродистым шламом от производства первичного алюминия. Предложенное авторами статьи технологическое мероприятие позволило сократить длительность восстановительного периода на 30 %, расход электроэнергии на 4 %, расход марганецсодержащих ферросплавов на 12,4 кг на тонну годного литья. Кроме этого, существенно снижен расход вспомогательных материалов, таких как кокс, плавиковый шпат, известняк. В результате уменьшен брак отливок «звенья гусениц» на 1,8 %, а также снижены затраты на производство одной тонны литья на 1758 руб.
Перспективным направлением повышения свойств высокомарганцевой стали является обработка расплава в ковше.
В источниках [1, 2] рассмотрена технология струйного вакуумирования этой стали. При этом отмечено снижение общего количества неметаллических включений на 37 %, свободных оксидов - в 1,8 раза. Кроме этого, рассмотрена технология продувки стали аргоном на воздухе. Такой технологический процесс, по мнению авторов, не приводит к существенному уменьшению количества газов в расплаве, а улучшение механических характеристик стали происходит за счёт удаления неметаллических включений из объёма расплава. Наиболее эффективным является продувка стали аргоном после определённой выдержки в ковше и раскисления расплава алюминием в количестве 0,8 кг/т жидкого металла. Продувка осуществляется через магнезитовую пробку в днище ковша продолжительностью 7-8 мин при расходе аргона 0,6 м3/т стали.
Авторы источников [10, 11] представили результаты сравнения нескольких вариантов технологических процессов внепечной обработки высокомарганцевой стали: обработка кальций-стронциевым карбонатом (КСК) в количестве 1,5 кг/т при выпуске металла в ковш, продувка аргоном (0,3 м3/т) и комплексная обработка (КСК-Аг). Результаты этих вариантов проведения внепечной обработки оценивали по значению ударной вязкости. Установлено, что значение ударной вязкости после проведения различных видов внепечной обработки увеличивается на 5 - 17 %, а количество неметаллических включений уменьшается практически на 45 %. Максимальные показатели результативности обработки, выраженные в процентном отношении, соответствуют комплексной обработке стали в ковше. Из рассмотренных технологий менее эффективной с точки зрения удаления неметаллических включений, и с точки зрения достижения максимального значения ударной вязкости, оказалась обработка стали КСК. Помимо кальций-стронциевого карбоната, для обработки применяют и другие материалы, например силикокальций, барий-стронциевый карбонат (БСК), оказывающие также положительное влияние на свойства металла [12, 13, 25].
Авторы работ [15-19] предложили в качестве смеси для ковшевой обработки стали использовать ферросиликоалюминий совместно с титаном (ФС45А+И). Согласно представленным данным, использование этой смеси взамен вторичного алюминия, отдаваемого в ковш совместно с титаном, приводит к уменьшением размера зерна на 1-2 балла как в литом, так и термообработанном состояниях. Кроме этого, наблюдается увеличением ударной вязкости в среднем на 12 %, временного сопротивления на 14 % и относительного удлинения на 55 %, а также отсутствует брак по трещинам.
В работах [20-24] авторы подробно рассмотрели методику определения количества комплексной смеси
на основе ферросиликоалюминия и титана для ковшевой обработки высокомарганцевой стали. Рассмотренная методика позволила оптимизировать технологический процесс внепечной обработки этой стали. Сама методика заключается в измерении активности кислорода в расплаве, дальнейшем прогнозировании по разработанным номограммам суммарной концентрации оксидов марганца и железа в шлаке и последующем определении на основании полученных данных количества присаживаемой смеси для ковшевой обработки.
Авторы источника [25] представили результаты исследований механических свойств стали Гадфильда до и после её обработки барий-стронциевым карбонатом. Показано, что такая обработка способствует увеличению предела прочности стали на 21-28 %, предела текучести на 7-8 %, относительного удлинения на 46-51 %, относительного сужения на 20-46 %, ударной вязкости на 29-35 %. Также было установлено, что ударная вязкость непрерывно увеличивается при увеличении добавки БСК с 0,1 до 0,8 % от массы расплава. Увеличение свойств авторы объясняют уменьшением количества карбидной фазы, а также получением более благоприятной их формы. В работе [26] также отмечено положительное влияние стронций-барий-кальциевых карбонатов на механические свойства стали марки 110Г13Л. Согласно представленным данным, положительное влияние проявляется в увеличении предела прочности стали с 580 до 800 МПа, предела текучести с 340 до 520 МПа, а ударной вязкости от 2,1 до 3,3 МДж/м2
Много работ российский и зарубежных учёных посвящены исследованию влияния химического состава высокомарганцевой стали на уровень механических и эксплуатационных свойств.
Авторами работы [27] определено, что с увеличением содержания углерода в химическом составе стали от 0,94 до 1,1 % происходит снижение твёрдости со 199 до 191 НВ. Дальнейшее увеличение концентрации углерода до 1,26 % приводит к увеличению твёрдости до 199 НВ. Ударная вязкость снижается во всём интервале содержаний углерода.
Влияние марганца на твёрдость в интервале концентраций 12,3-13,4 % не проявляется, а при уменьшении его содержания в сплаве до 11,7 % или увеличении свыше 13,4 % приводит к увеличению твёрдости на семь единиц по шкале Бринелля. В то же время, согласно представленным данным [27], исследуемые стали имели максимальное значение ударной вязкости при содержании марганца в интервале от 12,3 до 13,4 %.
В работе [28] зарубежных авторов говорится о вредном влиянии серы и фосфора на свойства высокомарганцевой аустенитной стали. Авторы уделили большое внимание пластическим свойствам стали при повышенных температурах. Также отмечено негативное влияние серы и фосфора на эти свойства.
В работе [29] представлены результаты исследований влияния раскисляюще-легирующе-
модифицирующего комплекса, включающего в себя титан, ванадий и кальций, на твёрдость, предел прочности, ударную вязкость высокомарганцевой стали. Кроме того, в этой работе говорится о положительном влиянии хрома на температуру мартенситного превращения по сравнению с марганцем. Поэтому важно иметь отношение хрома к углероду в пределах 4-8, обеспечивающее хорошую износостойкость благодаря наличию в микроструктуре карбидов (Ее, Сг^Сэ. Также в этой работе показано положительное влияние ванадия, титана и хрома на коэффициент износостойкости, предел прочности, твёрдости и ударной вязкости. Максимальные значения этих свойств наблюдаются при содержании ванадия и титана в пределах 0,18-0,26 %, а хрома около 5 %. Максимальное значение ударной вязкости высокомарганцевой стали получено при содержании хрома в пределах 2,5 %. Представленные данные хорошо коррелируют с данными источников [1, 2].
В работе [30] освещены результаты по обработке стали Гадфильда модифицирующим комплексом титан-бор-кальций. В состав комплексного модификатора, для обработки одной тонны жидкой высокомарганцевой стали, входили следующие компоненты: силикокальций - 1 кг, ферротитан - 7 кг, ферробор -0,7 кг. Авторами статьи было установлено, что повышение содержание титана в стали марки 110Г13Л от 0,06 до 0,11 % приводит к увеличению объёмной доли карбидов с 0,67 до 0,93 %, а также снижению карбидов марганца, выделяющихся по границам зерен аустенита. При содержании в химическом составе титана в количестве 0,06 % размер зёрен уменьшается на два балла. Также авторами этой работы установлена оптимальная концентрация бора (0,004 - 0,005 %), при которой увеличивается плотность литой стали, повышается чистота по неметаллическим включениям. Малые добавки бора существенно уменьшают величину зерна стали как в литом, так и термообрабо-танном состояниях, а также стабилизируют аустенит.
Используемый модифицирующий комплекс Ть В-Са способствует увеличению абразивной износостойкости на 20 %, снижению неметаллических включений и уменьшению размера карбидов.
Работа [31] посвящена исследованию соотношения основных компонентов, таких как углерод и марганец, на износостойкость и твёрдость высокомарганцевой стали. В результате проведённых исследований установлены рациональные области концентраций углерода и марганца, которые могут быть использованы для разработки специальных износостойких сталей. Согласно представленным данным, содержание углерода в этих областях колеблется от 0,5 до 1,8 %, марганца от 11,0 до 17,0 % [31]. Кроме того, в этой же статье представлены адекватные математические зависимости свойств высокомарганцевой стали от содержания марганца и углерода в её химическом составе, а также для разных типов форм: сухая песчано-глинистая и кокиль.
Экспериментальные данные по соотношению углерода и марганца, представленные в работе [31], хорошо коррелируют с данными работы [32]. Авторы этой работы свидетельствуют, что наибольшее значение ударной вязкости (КСЦ) наблюдается для стали, содержащей 18 % Мп, а углерод в пределах 0,6-0,7 %. Кроме того, в этой же статье говорится, что для получения максимального значения ударной вязкости содержание фосфора в химическом составе стали должно быть не более 0,05 %, а заливка отливок должна быть осуществлена при температуре металла 14101430 °С с целью исключения формирования грубозернистой структуры сплава.
Д.А Цуркан, А.Н. Леонтьев, А.В. Ишков исследовали влияние молибдена, никеля и редкоземельных металлов на механические свойства стали Гадфильда [33]. В статье отмечено, что введение в состав высокомарганцовистой стали молибдена до 0,6 %, а никеля до 2,88 мас. % позволяет повысить предел прочности в 1,22 до 1,32 раза, а его ударную вязкость в 1,55 до 2,09 раза. Модифицирование стали феррогадолинием позволяет снизить содержание серы и фосфора в сплаве в 5-6 раз, соответственно, уменьшить его отпускную хрупкость.
Статья [34] посвящена изучению свойств высокомарганцевой стали после легирования азотированным феррохромом. Авторами установлено, что максимальное значение коэффициента износостойкости высокомарганцевой стали достигнуто при содержании хрома порядка 2,0 %, а также, что по мере увеличения количества хрома в химическом составе стали происходит увеличение общего количества карбидов в структуре сплава в литом состоянии, при одновременном уменьшении доли карбидов марганца и увеличении карбидов хрома. Кроме того, полученные результаты свидетельствуют о том, что при содержании хрома свыше 2,0 % в химическом составе стали аустенит имеет максимальную микротвёрдость, более 2300 до 2900 МПа в зависимости от скорости охлаждения сплава в литейной форме.
Также в этой статье установлено влияние скорости охлаждения расплава в литейной форме и содержания в нём хрома на коэффициент анизотропии зерна аустенита, т.е. отношение его длины к ширине. По мере увеличения содержания хрома в химическом составе стали Гадфильда происходит увеличение коэффициента анизотропии зерна аустенита. Это говорит об увеличении длины зерна аустенита при одновременном уменьшении ширины [34].
Зарубежные исследователи также уделяют большое внимание изучению влияния химического состава высокомарганцевой стали на её механические и эксплуатационные свойства. Довольно много работ посвящено изучению влияния на свойства высокомарганцевой стали легирующих элементов: ниобий, медь, алюминий, молибден и т.д.
В работе [36] рассмотрено влияние малых добавок ниобия (<0,1 %) на коэффициент трения высоко-
марганцевой стали в системе «палец-кольцо», а также на износостойкость этих сталей в целом. Отмечено, что небольшие добавки ниобия в высокомарганцевую сталь увеличивают износостойкость. Авторы работы связывают этот факт с образованием мелкодисперсных оксидов ниобия.
Авторы работы [37] представили результаты исследований влияния азота на механические свойства высокомарганцевой аустенитной стали, а также её микроструктуру. Было установлено, что увеличение содержание азота в стали приводит к повышению прочностных свойств высокомарганцевой стали, а также к изменению механизмов скольжения дислокаций в результате внешнего физического воздействия. Кроме того, определено расположение плоскостей скольжения в зависимости от степени деформации образца.
Работа [38] посвящена исследованиям стали Гадфильда при легировании её алюминием 0,1, 1,5 и 3,0 %. Согласно представленным в статье данным, добавка алюминия повышает предел текучести, но уменьшает прочность на разрыв и относительное удлинение. Авторы работы установили, что при добавлении алюминия в сталь Гадфильда более 1,5 % разрушение начинается с межзёренных границ. Кроме того, различное содержание алюминия влияет на механизм упрочнения стали под действием внешних нагрузок. Также было установлено, что наибольшей пластичностью аустенитные стали обладают при содержании алюминия в стали 1,5 %.
Вопросу легирования высокомарганцевой стали алюминием посвящён источник [39]. Авторы исследовали свойства высокомарганцевой стали при концентрации алюминия в химическом составе стали в интервале от 0,0 до 5,0 %. Влияние алюминия на свойства стали авторы связывают не с образованием межзеренных и внутризёренных трещин, как это описано в источнике [38], а с влиянием алюминия на энергию дефекта упаковки (ЭДУ). В работе рассмотрено влияние ЭДУ на режимы дислокационного скольжения и механического двойникования высокомарганцевой стали. Исследователями было установлено, что с увеличением энергии дефекта упаковки в интервале от 20 до 50 мДж/м2 наблюдается явное преобладание механизма дислокационного скольжения перед механическим двойникованием. Кроме того, было установлено, что увеличение концентрации алюминия в составе стали до 5,0 % приводит к увеличению энергии дефекта упаковки до 50 мДж/м2
В работе [40] представлены результаты исследования влияния молибдена в количестве до 2,0 % на твёрдость, пределы текучести и прочности, а также абразивную износостойкость. Авторами было установлено, что увеличение содержания молибдена, в указанных пределах, способствуют увеличению пределов прочности и текучести более чем на 7 %, относительного удлинения на 30 %. Кроме того, увеличение концентрации молибдена в указанном пределе способ-
ствовало увеличению коэффициента абразивной износостойкости на 30 %, а твёрдости стали на 50 %.
Помимо этого, в этой же работе представлены данные о свойствах высокомарганцевой стали после плазменной наплавки её поверхности. Качество наплавки оценивали при помощи определения твёрдости и абразивной износостойкости.
Авторы работы [41] основное внимание уделили изучению влияния меди на механические свойства высокомарганцевой стали. Концентрация меди в экспериментальных сплавах доводилась до 3,0 %. Авторами статьи было установлено, что предел текучести и относительное удлинение высокомарганцевой стали при достижении концентрации меди в сплаве около 3,0 % увеличиваются на 15 и 26 % соответственно. Но при этом наблюдается незначительное снижение величины предела прочности на 7,0 %. Такое изменение свойств обусловлено увеличением энергии дефекта упаковки высокомарганцевой стали и смены механизма упрочнения под действием внешних физических нагрузок. Также было установлено, что структура стали в области разрушения была полностью аустенитной без присутствия в ней включений мартенсита.
Довольно много работ зарубежных исследователей посвящены изучению вопроса деформации высокомарганцевых сталей, в частности стали Гадфильда, в условиях внешних физических нагрузок, а также изучению влияния на эти процессы различных факторов: внешнего физического воздействия, энергии дефекта упаковки и т.д.
Результаты исследования влияния энергии дефектов упаковки на скорость упрочнения стали под действием внешних физических нагрузок представлены в работе [42]. Авторы меняли значение энергии дефекта упаковки высокомарганцевой стали при помощи изменения концентрации марганца, кремния и углерода в её химическом составе. Было установлено, что с уменьшением энергии дефекта упаковки стали скорость упрочнения увеличивалась, т.к. при этом увеличивалась скорость образования мартенсита и деформационных двойников.
Работа [43] посвящена изучению влияния энергии дефекта упаковки и размера зерна на механизмы деформации аустенитной стали, приводящие к её упрочнению. Авторами отмечена особая роль термической обработки, в частности закалки, на размер зерна аустенита высокомарганцевой стали.
В работах [44-47] рассмотрены механизмы деформации высокомарганцевых аустенитных сталей, в частности стали Гадфильда, в условиях внешнего физического воздействия. Авторами статьи [44-46] установлено, что высокая скорость нагружения способствует деформации аустенитной стали по механизму двойникования. Механизм дислокационного скольжения при таких условиях отсутствует. Авторы также утверждают, что возможно управление механизмами деформации высокомарганцевой аустенит-
ной стали путём подбора соответствующего легирующего комплекса. В статье [45] особо отмечено, что при незначительном внешнем физическом воздействии образуется сетка тонких двойников. Увеличение нагрузки приводит к движению дислокаций (дислокационному скольжению), что разрушает образовавшуюся сетку двойников, результатом чего является резкое упрочнение высокомарганцевой стали и повышение её твёрдости.
Авторами источника [47] было установлено, что с увеличением степени статической пластической деформации количество как £-, так и а-мартенсита в стали увеличивается. Причем наиболее интенсивное увеличение количества а-мартенсита (до 50 - 60 %) в стали наблюдается при деформации, не превышающей 5 = 4-6 %, а затем количество а-мартенсита возрастает с увеличением степени пластической деформации менее интенсивно и достигает максимального значения 85-90 % при деформации в 20-22 %. Максимальное количество £-мартенсита (50-55 %) образуется при деформации 5 = 0,5-1,0 %. Затем его количество снижается до 25-30 % и в дальнейшем практически не изменяется.
Довольно много работ, опубликованных отечественными и зарубежными исследователями, посвящены упрочнению высокомарганцевых сталей различными методами внешнего физического воздействия.
Авторы работ [48-49] предлагают упрочнять изделия из стали Гадфильда методом дробеструйной обработки. Авторами источника [48] установлено, что с увеличением продолжительности обработки до 2 мин твёрдость увеличивается в 4 раза. При этом зависимость износостойкости от времени обработки имеет экстремум, находящийся в пределах от 0,5 до 1,0 мин. Кроме того, авторами было изучено распределение твёрдости в зависимости от удалённости от обрабатываемой поверхности. Отмечено, что по мере продвижения вглубь обрабатываемой поверхности наблюдается плавное падение твёрдости. При этом первоначальное значение твёрдости достигнуто на глубине ниже 400 мкм.
Кроме вопроса получения упрочнённого слоя при помощи дробеструйной обработки, авторы статьи [49] представили данные исследования влияние такой обработки на измельчение крупных зёрен аустенита. Помимо этого, приведены параметры микроструктуры после дробеструйной обработки стали, представлен термодинамический анализ получения аморфного зерна аустенита после дробеструйной обработки, а также рассмотрены условия для получения такого зерна.
В источнике [50] рассмотрена технология магни-тоимпульсной обработки изделий из стали Гадфильда и её влияние на такие свойства, как прочность и износостойкость, а также микроструктуру сплава. Авторы статьи сравнили свойства закалённой стали Гадфиль-да и после проведения магнитоимпульсной обработ-
ки. Согласно представленным данным предел прочности термообработанной стали составлял 820 МПа, а после магнитоимпульсной обработки - 1100 МПа, ударная вязкость 0,48 и 0,70 МДж/м2 соответственно. Кроме того, авторами было установлено, что у термо-обработанной стали потеря массы существенно выше (т.е. износостойкость ниже), чем у стали после магни-тоимпульсной обработки.
Ещё одним направлением повышения механических и эксплуатационных свойств стали Гадфильда является электроконтактная обработка изделий [51, 52]. Авторы указанных работ рассмотрели влияние её на микроструктуру изделий из стали Гадфильда, а также на механические свойства. Рассмотрены режимы электроконтактной обработки. Было установлено, что значительное упрочнение поверхности высокомарганцевой стали возможно лишь при силе тока более 1400 А, частоте вращения диска не более 250 об/мин и напряжении до 34 В. Наибольшее упрочнение наблюдалось в поверхностном слое на глубине не более 0,2 мм. Увеличив силу тока до 2800 А, авторы статьи обнаружили в обработанном слое мартенсит.
Тепловое воздействие оказывает влияние на прочностные свойства стали. В работе [52] приведены значения пределов прочности и текучести высокомарганцевой стали, относительных удлинений и сужений от температуры. Согласно представленным данным повышение температуры нагрева приводит к резкому снижению пределов прочности и текучести, а также незначительному повышению пластических свойств. Также авторами указанной статьи выявлена связь прочностных свойств стали Гадфильда с размером зерна аустенита. Показано, что увеличение толщины стенки отливки вне зависимости от размеров зёрен аустенита приводит к снижению прочностных свойств. При крупном зерне аустенита предел прочности, относительное удлинение и сужение снижаются более интенсивно при увеличении толщины стенки отливки, чем при мелкозернистом аустените в структуре сплава. Противоположная зависимость от толщины стенки отливки и размера зерна аустенита наблюдается для ударной вязкости.
В работах [53, 54] рассмотрена технология упрочнения изделий из стали Гадфильда, в частности, сердечников стрелочных переводов, при помощи высокотемпературной газостатической обработки (ВГО). Суть технологии заключается в нагреве изделия до 1180 °С, выдержке под давлением 150 ± % МПа и последующей закалке. Авторами были проведены исследования на образцах из стали Гадфильда, в результате чего установили, что износ испытываемых образцов на порядок меньше после высокотемпературной газостатической обработки, чем после классического режима закалки для этой стали. Экспериментальные данные были проверены на отливках «сердечники стрелочных переводов». Авторы отмечают, что практические данные подтверждают экспериментальные. Высокие механические свойства и износо-
стойкость стали Гадфильда после высокотемпературной газостатической обработки авторы статей объясняют более плотной макро- и микроструктурой, а также протеканием пластической деформации в теле изделия при ВГО, приводящей к искажению линий скольжения дислокаций и изменению субмикроструктуры. Авторами особо отмечено, что ВГО способствует «залечиванию» литейных дефектов в теле отливок.
Бочков В.С. в своей диссертационной работе [55] предлагает проводить упрочняющую обработку футе-ровок мельницы. Для этого автор предлагает осуществлять холостую работу мельницы полусамоиз-мельчения (без руды) с одними металлическими шарами. В работе установлена зависимость вида повышения твёрдости металлической поверхности, образующегося в результате ударного воздействия шаров, а также в зависимости от степени пластической деформации.
Современным направлением исследований, проводимых с целью увеличения механических и эксплуатационных свойств продукции из высокомарганцевых сталей, является обработка этой стали ультрадисперсными порошками: карбид вольфрама, ванадия и т.д.
В работах Федосеева С.Н., Лычагина Д.В с соавторами [56, 57] говорится о применение ультрадисперсных нерастворимых порошков для модифицирования отливок «сердечников стрелочных переводов» с целью увеличения их качества. Авторы отмечают, что применение этих модификаторов позволило улучшить однородность структуры, а также измельчить размер зерна аустенита. Дополнительным эффектом модифицирования является уменьшение количества и размеров неметаллических включений по границам и внутри зерна аустенита, а также отсутствие карбидов и газовых раковин. Согласно представленным данным, размер неметаллических включений до модифицирования находился в интервале от 18 до 145 мкм, а после модифицирования не превышал 15 мкм.
Довольно эффективным механизмом воздействия на свойства высокомарганцевой стали является регулирование при помощи технологических мероприятий скорости охлаждения отливки в литейной форме. Влияние скорости охлаждения проявляются через изменение параметров микроструктуры высокомарганцевой стали, чему посвящен ряд работ отечественных исследователей.
В работах [58, 59] упоминается о скорости охлаждения сплава при рассмотрении вопроса получения гомогенной аустенитной структуры. Авторы работ говорят о необходимости получения такой скорости охлаждения отливки в литейной форме, при которой не происходит выделение избыточной фазы. Однако они не приводят численное значение скоростей, при которых является возможным получение гомогенной аустенитной структуры высокомарганцевой стали. Наряду с этим авторы представили исследования вторичной фазы стали Гадфильда, согласно которым она
имеет разный стехиометрический состав, что было определено исходя из исследований микротвёрдости карбидов. Этот факт они объясняют различием в скоростях охлаждения при кристаллизации исследуемых образцов. Кроме того, авторы утверждают, что карбиды нестехиометрического состава, в которых содержание углерода занижено, устойчивы к последующим нагревам, что может сделать термическую обработку неэффективной с точки зрения получения гомогенной аустенитной структуры.
В работах [60-63] рассмотрено влияние скорости охлаждения стали Гадфильда в литейной форме на два основных параметра микроструктуры: размер зерна аустенита и параметры вторичной фазы, выделившейся по границам зёрен. Авторами было установлено, что наиболее интенсивное уменьшение размера зерна - более чем на один балл, происходит при увеличении скорости охлаждения в интервале кристаллизации с 1 до 5 °С/с. Дальнейшее увеличение скорости охлаждения в этом интервале не приводит к значительному снижению размера зерна. Кроме того, наиболее равномерная структура, с точки зрения размера зерна, формируется при скорости охлаждения в интервале кристаллизации, равной 4,5 °С/с. В отношении избыточных фаз было установлено, что при увеличении скорости охлаждения слава в температурном интервале выделения избыточных фаз наблюдается уменьшение температурного интервала выделения карбидов со 150 до 130 °С с одновременным снижением температур начала и окончания их выделения. Кроме того, увеличение интенсивности охлаждения приводит к снижению общего количества карбидной фазы в структуре стали с 14,8 до 2,1 %. Изменяется и морфология избыточной фазы, выделившейся по границам зёрен: при низких скоростях (14,4 °С/мин) толщина карбидов во границам зёрен достигает 30 мкм, а при увеличении до 60 °С/мин наблюдается снижение до 1 мкм. Если скорость охлаждения в этом температурном интервале превышает 300 °С/мин, то толщина избыточной фазы не превышает 0,3 мкм, а также происходит нарушение целостности карбидной сетки, располагающейся по границам зёрен.
Также авторами было установлено, что фосфид-ная эвтектика при низких скоростях охлаждения имеет пластинчатое строение, а с увеличением скорости охлаждения значительно уменьшается её дисперсность, при этом включения аустенита приобретают округлую форму, а не пластинчатую.
В работах [64 - 66] рассмотрен вопрос влияния скорости охлаждения сплава в литейной форме на эксплуатационные свойства высокомарганцевой стали, выраженные через коэффициент абразивной износостойкости. В работах приведена зависимость коэффициента износостойкости литой стали от скорости охлаждения сплава в литейной форме. По мнению авторов, высокое значение коэффициента износостойкости (1,25 ед.) сплавов в литом состоянии, за-
кристаллизовавшихся с низкими скоростями охлаждения, обусловлено большим количеством карбидной фазы (14,8 %) и значительной толщиной упрочнённого слоя. При увеличении скорости охлаждения сплав в интервале выделения избыточных фаз до 25 °С/мин количество карбидов уменьшается до 4,8 %. Вместе с этим уменьшается толщина упрочнённого слоя. Это снижает коэффициент износостойкости до 1,0 ед. Увеличение скорости охлаждения до 20 °С/мин способствует ещё большему уменьшению количества карбидной фазы в структуре стали и толщины упрочнённого слоя. При скоростях более 200 °С/мин количество карбидов уменьшается не значительно. Образовавшийся за счёт высоких скоростей охлаждения высоколегированный аустенит способствует формированию значительной толщины упрочнённого слоя, что повышает значение коэффициента износостойкости. Карбиды, присутствующие в литой структуре и воспринимающие на себя основные нагрузки от механического действия абразива, дополнительно стимулируют формирование упрочнённого слоя в области абразивного изнашивания. Это находит отражение в значениях коэффициента износостойкости. При скоростях охлаждения менее 50 °С/мин максимальный коэффициент износостойкости получается равным 1,25 ед., а при скоростях более 200 °С/мин - 1,09 ед.
В работе [67, 68] приведены данные исследований, направленных на изучение влияния скорости охлаждения сплава в литейной форме на энергию дефекта упаковки (ЭДУ) высокомарганцевой стали, а также на исследование влияния ЭДУ на абразивную износостойкость этой стали. Авторами установлено, что при значении ЭДУ более 48 мДж/м2 происходит качественная смена механизмов деформации с двой-никования на дислокационное скольжение. Сплавы, охлаждённые со скоростями менее 60 °С/мин и более 250 °С/мин, имеют ЭДУ менее 40 мДж/м2 В таких сплавах процесс деформационного двойникования протекает более интенсивно, а формирующийся упрочнённый слой более стоек к абразивному изнашиванию.
В работе [69] приведены данные по исследованию влияния скорости охлаждения стали Гадфильда на величину и тип литейных остаточных напряжений. Авторами установлено, что в зависимости от скорости охлаждения сплава в литейной форме величина напряжений может изменяться в четыре раза. Причём с увеличением скорости охлаждения сплава в интервале кристаллизации происходит качественная смена растягивающих напряжений на сжимающие. Это явление наблюдается при скорости охлаждения сплава около 12 °С/с.
Довольно много работ посвящено исследованию процессов эксплуатации литой детали, изготовленной из стали марки 110Г13Л.
Автор работы [70] отмечает низкий уровень показателей эксплуатационной стойкости отливок, изготовленных из высокомарганцевой стали, который
обусловлен недостаточной стойкостью их поверхности в условиях абразивного воздействия. Также в работе представлены данные по стойкости различных типов отливок: брони щековой дробилки, желоб дробилки, футеровки шаровой мельницы, брони конусной дробилки и т.д. Автор отмечает, что наряду с изнашиванием рассматриваемых деталей происходит их разрушение в виде отколов отдельных частей. Он объясняет это низкими механическими свойствами, что является результатом некачественной выплавки сплавов и финишных операций: раскисление, модифицирование и внепечная обработка.
Работа [71] посвящена исследованию процессов эксплуатации отливок «Броня» в мельнице полусамо-измельчения. Авторы работы выявили места наиболее интенсивного изнашивания, а также определили влияние литых дефектов в отливках «Броня» на показатели эксплуатационной стойкости.
В работе [72] представлены данные по стойкости отливок «Зуб ковша экскаватора». Показано, что стойкость зубьев в одних и тех же условиях может отличаться в 2,5 раза. Это связано с различием в показателях механических и эксплуатационных стали Гадфильда, из которой изготовлены эти детали. Кроме того, показан процесс кристаллизации отливки «Зуб ковша экскаватора» и определены зоны возможного образования дефектов усадочного происхождения и ликвации химических элементов.
В работе [73] рассмотрены дефекты, встречающиеся в отливке «Трак» гусеничной цепи. Основными являются: микропористость усадочного происхождения, раковины глубиной от 1 до 5 мм и глубиной до 3 мм. Кроме того, имеются трещины и незначительные подрывы на кромках отверстий. Всё этого говорит о неудовлетворительной технологической дисциплине производства литой детали «Трак», а также неэффективной термической обработке. Кроме того, подобного рода дефекты могут стать причиной преждевременного разрушения детали в процессе эксплуатации.
Влияние дефектов в литых заготовках, изготовленных из стали Гадфильда, на механические свойства сварных соединений рассмотрено в источнике [74]. Авторами рассмотрен процесс сварки литых заготовок из стали марки 110Г13Л с аустенитными катаными заготовками из стали марки 12Х18Н10Т, применяемых для производства сварных железнодорожных крестовин. Авторами установлено, что дефекты литья при попадании в стыковой шов приводят к образованию новых дефектов. В зависимости от условиях их образования (размера первоначального литого дефекта) они по-разному влияют на прочностные свойства сварных соединений.
Кроме вопросов повышения свойств отливок из стали Гадфильда, изучения процессов выплавки, легирования, модифицирования, довольно часто научные статьи посвящены технологии производства отливок из этой стали. Многие исследователи утверждают, что невозможно добиться высоких показате-
лей эксплуатационной стойкости отливок из высокомарганцевой стали при наличии в них литейных дефектов различного рода: усадочных раковин, пор, трещин и т.д. Добиться отсутствия этих дефектов в отливах возможно путём совершенствования литейной технологии их производства.
В работе [75] рассмотрена технология производства литых броней из стали марки 110Г13Л. Проанализированы все достоинства и недостатки применяющегося технологического процесса, а также приведён пример совершенствования литейной технологии посредством компьютерного моделирования. Моделирование позволило определить места залегания литейных дефектов, а также изменить конструкцию и место установки литниково-питающей системы. Это позволило устранить скрытые дефекты усадочного происхождения.
Подробно рассмотрен вопрос рационализации технологии изготовления отливок из высокомарганцевой стали в работах [76-83]. Детальное изучение этих работ позволило выявить, что авторы посредством компьютерного моделирования разработали вариант литниково-питающей системы с Г-образным шлакоуловителем, который способствует снижению коробления плит, трещинообразования и формирования утяжин. Также определены рациональные соотношения сечений разработанной литниковой системы для лёгкой, средней и массивной плиты.
Работы [84-85] посвящены анализу технологического процесса получения отливок из стали Гадфильда при помощи вакуумно-пленочной формовки. Авторы этих работ отмечают основные преимущества: минимальная температура заливки из-за высокой заполняе-мости; себестоимость отливок ниже на 25-30 %, чем с применением песчано-глинистых смесей; хорошее качество отливок (шероховатость отливок менее 100 мкм), возможность извлечения модели из формы без уклонов, а также более высокая точность размеров, что снижает процесс механической обработки отливок.
Рассмотрение свойств высокомарганцевой стали, в частности стали Гадфильда, с точки зрения детального изучения микроструктуры сплавов, описано в работах издания «Физика металлов и металловедение». Большинство работ этого издания посвящено износостойкости, фазовым превращениям в процессе деформации, исследованию микроструктуры и многим другим тематикам.
Работы [86 - 88] посвящены изучению процессов абразивного изнашивания и структурных превращений, протекающих в этот момент. В работе [86] представлены результаты исследований структурных превращений в поверхностном слое сплавов железа с 10 -40 % марганца. Авторами установлено, что коэффициент абразивной износостойкости (Ки) увеличивается с 1,6 до 1,7 ед. при увеличении содержания марганца в химическом составе сплава с 10 до 12 %. Далее при достижении концентрации марганца 16 % происходит резкое снижение Ки до 1,3 ед. При даль-
нейшем увеличении концентрации марганца с 16 до 36 % происходит плавное увеличение Ки с 1,3 до 1,7 ед. и незначительное его снижение до 1,6 при содержании марганца 40 % в сплаве. Кроме того, авторы работы установили, что в тонком (несколько мкм) поверхностном слое анализируемых материалов формируются ультрадисперсные структуры (УДС) а, у, £-фаз. Установлено, что присутствие большого количества (> 30 %) £-мартенсита в УДС железомарганце-вых сплавов, обуславливающих рост микротвёрдости на их поверхности, снижает сопротивление этих материалов абразивному изнашиванию. Это обусловлено малым сопротивлением УДС £-фаз микрорезанию.
Авторы работ [87, 88] представили результаты исследований кинетики упрочнения стали Гадфильда. Установлено, что в начальный период нагружения происходит резкий рост микротвёрдсти от 2500 до 7500-8000 МПа. При дальнейшем нагружении наблюдается плавное повышение микротвёрдости стали 110Г13Л до максимального уровня, который составляет 9500-10500 МПа и сохраняется на поверхности трения при дальнейшем фрикционном воздействии. Авторы сделали вывод, что наличие у УДС одновременно высокой прочности, а также способности к большим пластическим деформациям свидетельствует о том, что тонкий (1-5 мкм) поверхностный слой стали 110Г13Л находится при трении в состоянии, близком к сверхвязкому. Это обуславливает поглощение в нем значительной части подводимой к поверхности внешней механической энергии. Кроме того, отмечено, что важный вклад в высокое деформационное упрочнение стали 110Г13Л вносит взаимодействие между возникающими многочисленными дефектами кристаллического строения и атомами растворённого в аустените углерода. В работе [88] уточняется, что развитие на поверхности трения £-а превращения повышает интенсивность изнашивания же-лезомарганцевых сплавов. Увеличение стабильности сплава к £-а превращениям заметно снижает интенсивность изнашивания высокомарганцевой стали.
Механизм упрочнения стали Гадфильда и влияние структуры после деформации на механические свойства рассмотрены в статье [89]. Авторы связывают упрочнение стали с тем, что пробег дислокаций при нагружении ограничен не полем других дислокаций, а пересечением ими дефекта упаковки (или двойника), скольжение осуществляется, в основном, расщеплением дислокаций.
В работе [90] отмечено, что в аустенитных сталях с низкой энергией дефекта упаковки скольжение дислокаций затруднено. Для них существует альтернативный вариант реализации пластической деформации - деформационное двойникование.
Работы [90, 91] посвящены исследованию структуры высокомарганцовистой стали после деформирования под давлением. Авторами установлено, что сталь Гадфильда сохраняет аустенитную структуру при деформировании сдвигом под давлением 6 - 16 ГПа до истинной деформации £=8,4. Высокий уровень
упрочнения стали 110Г13Л обусловлен образованием в её структуре большого количества дислокаций, двойников деформации. Взаимодействие этих дефектов между собой и с атомами углерода, растворенного в аустените, приводит к сильному закреплению дефектов, что и является причиной высокой прочности стали [90]. В то же время авторы работы [91] уточняют, что упрочнение этой стали объясняется несколькими факторами: образованием атмосфер Сузуки на дефектах упаковки, образованием кластеров углерода в процессе деформации, перераспределением атомов углерода в поле напряжений дислокации при пластической деформации.
Работа [92] посвящена исследованию структуры стали Гадфильда в зависимости от скорости охлаждения при кристаллизации. Авторами установлено, что более высокая скорость охлаждения в твёрдом состоянии замедляет выделение карбидов. Высокая скорость кристаллизации приводит к образованию у -твёрдого раствора, находящегося в неравновесном состоянии по распределению легирующих элементов, что стимулирует процессы карбидообразования.
В работе [93] авторы представили результаты исследований магнитной фазы холоднодеформирован-ной стали 110Г13Л и продуктов истирания аустенит-ной стали Г40. Появлением ферромагнитной фазы в стали 110Г13Л объясняется образованием а-мартенсита деформации. Размер кристаллов мартенсита деформации составляет 200 нм. Кроме того, в ходе исследований авторы статьи обнаружили вторую ферромагнитную фазу с температурой Кюри порядка около 150 °С, определённую как легированный марганцем цементит, образовавшийся, вероятно, в процессе самоотпуска из мартенсита деформации.
Авторы работы [94] представили результаты исследований границ зерен образцов стали Гадфильда, закаленных в различных средах. По их мнению, низкотемпературное хрупкое интеркристаллитное разрушение стали Гадфильда может быть связано с повышенной концентрацией углерода на поверхности границ, а при замедленном охлаждении от температуры нагрева под закалку с выделением карбидов на границе зерна и обогащением границ вредными примесями. Авторами установлено, что сегрегация серы и фосфора на межзё-ренных границах стали Гадфильда может наблюдаться в интервале температур 400-700 °С.
Процессу сегрегации примесей на межзеренных границах посвящена работа [95]. В этой работе авторы говорят не только о температурном интервале протекания этого процесса (400-700 °С), но и о конкуренции между такими примесями, как азот, фосфор, сера. Они замещают друг друга при повышении температуры в соответствии с их поверхностной активностью. В результате при температуре около 700 °С на поверхности остаётся наиболее поверхностно-активный элемент - сера.
Вывод: проведя литературный обзор, установили, что интерес к высокомарганцевой стали, в частности стали Гадфильда, не пропадает по сегодняшний
день. Отечественные и зарубежные исследователи ведут исследования в области повышения прочностных и эксплуатационных свойства, а также в области изучения механизмов упрочнения. Следует отметить, что нет единого мнения о природе образования упрочнённого слоя под действием внешних физических нагрузок, а также в условиях абразивного и ударно-абразивного изнашивания. Практически все исследователи, за исключением небольшого количества, изучают влияния химического состава стали с точки зрения повышения механических свойств, но не определяют при этом износостойкость, что, несомненно, является определяющей для этой стали.
Список литературы
1. Давыдов Н.Г., Благих Б.М., Бигеев А.М. К вопросу повышения качества отливок из высокомарганцевой стали 110Г13Л. Томск: Изд-во Томск. Ун-та, 1972. 138 с.
2. Давыдов Н.Г. Высокомарганцевая сталь. М.: Металлургия, 1979. 176 с.
3. Термическая обработка марганцевой стали [Электронный ресурс]. URL: http://flightbook.ru/bio/metally-i-splaw/termicheskaya-obrabotka-marqancevoi-staN.html
4. Чуманов И.В., Порсев М.А. О влиянии химического состава металла на режим термической обработки отливок из стали марки 110Г13Л // Вестник Южно-Уральского государственного университета. 2012. № 39. С. 59-63.
5. Выплавка стали и производство стальных отливок / Крещановский Н.С., Ладыженский Б.Н., Хорин Я.Д. и др. М.: ЦНИИТМАШ, 1960. Вып. 13. С. 77-82.
6. Ладыженский Б.Н., Тунков В.П. Выплавка стали в машиностроении. М.: Металлругия, 1968. 328 с.
7. Вдовин К.Н., Феоктистов Н.А., Горленко Д.А. Выплавка высокомарганцовистой стали в дуговой сталеплавильной печи. Технология. Сообщение 1 // Изв. вузов. Черная металлургия. 2015. № 10. С. 735-739.
8. Чайкин В.А., Чайкин А.В., Феоктистов Н.А. Повышение эффективности диффузионного раскисления при выплавке стали в кислых и основных дуговых печах // Литейщик России. 2012. № 8. С. 40-42.
9. Гребнев Ю.В., Габельченко Н.И., Хмуров И.А. Совершенствование технологии выплавки стали 110Г13Л // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2014. № 9 (136), Т.9. С. 129-132.
10. Вдовин К.Н., Феоктистов Н.А., Горленко Д.А. Выплавка высокомарганцовистой стали в дуговой сталеплавильной печи. Внепечная обработка. Сообщение 2 // Изв. вузов. Черная металлургия. 2016. № 1. С. 23-28.
11. Технологические особенности внепечной обработки стали марки 110Г13Л / Вдовин К.Н., Феоктистов Н.А., Горленко Д.А., Хабибуллин Ш.М. // Труды VIII Международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии». М.: Лаборатория рекламы и печати, 2015. С. 225-227.
12. Вдовин К.Н., Феоктистов Н.А. Влияние серы, кальция, алюминия на пластические свойства металла // Теория и технология металлургического производства. 2010. № 1. С. 107-113.
13. Вдовин К.Н., Феоктистов Н.А. Влияние обработки стали 25Л силикокальцием на содержание неметаллических включений и механические свойства литой заготовки // Технология металлов. 2012. № 12. С. 21-26.
14. Вдовин К.Н., Феоктистов Н.А. Совершенствование технологии обработки литейной стали Са-содержащими материалами // Сталь. 2014. № 2. С. 34-36.
15. Тэн Э.Б., Базлова Т.А., Лихолобов Е.Ю. Влияние внепечной обработки на структуру и механические свойства стали 110Г13Л // Металловедение и термическая обработка металлов. 2015. № 3. С. 26-28.
16. Лихолобов Е.Ю. Повышение качества отливок из высокомарганцевой стали совершенствованием процесса её плавки и внепечной обработки: автореф. дис. ... канд. техн. наук. М., 2012. 26 с.
17. Тен Э.Б., Лихолобов Е.Ю. Повышение качества отливок из стали 110Г13Л, обработанной в ковше ферросиликоалюминием и титаном // Литейщик России. 2010. № 10. С. 18-21.
18. Тен Э.Б., Лихолобов Е.Ю. Эффективность ковшевой обработки стали 110Г13Л ферросиликоалюминием и титаном // Материалы международной научно-практической конференции «Гетерогенные процессы в обогащении и металлургии». Караганда: ХМИ им. Ж. Абишева, 2011. С. 328-329.
19. Тэн Э.Б., Базлова Т.А., Лихолобов Е.Ю. Влияние ковшевой обработки на строение излома стали 110Г13Л в литом и закаленном состояниях // Прогрессивные литейные технологии: труды VI междунар. науч.-практ. конференции. М.: МИСиС, 2011. С. 155-157.
20. Тен Э.Б., Лихолобов Е.Ю. Контроль окисленности жидкой стали 110Г13Л и оптимизация ее ковшевой обработки // Труды 4-й международной научно-практической конференции «Металлургия Прииртышья в реализации программы форсированного индустриальноинновационного развития «Казахстан-2030». Павлодар: ПГУ им. С. Торайгырова, 2011. С. 188-192.
21. Тен Э.Б., Лихолобов Е.Ю. Термодинамические предпосылки управления процессом плавки 110Г13Л измерением активности кислорода в расплаве // Труды международной научной конференции «Наука и образование - ведущий фактор стратегии «Казахстан-2030». Караганда: КарГТУ. 2011. С. 385-387.
22. Тен Э.Б., Лихолобов Е.Ю. Прогнозирование содержания в шлаке I(FeO + MnO) при плавке стали 110Г13Л по активности кислорода в расплаве // Прогрессивные литейные технологии: труды Vl междунар. науч.-практ. конференции. М.: МИСиС. 2011. С. 153-155.
23. Тен Э.Б., Лихолобов Е.Ю. Совершенствование технологии выплавки стали 110Г13Л путем контроля окисленности ее расплава // Литейщик России. 2011. № 12. С. 12-14.
24. Тен Э.Б., Лихолобов Е.Ю. Управление процессом плавки стали 110Г13Л измерением активности кислорода в расплаве // Изв. вузов. Черная металлургия. 2012. № 1. С. 45-48.
25. Обработка стали 110И3Л барий-стронциевыми карбонатами / Розум В.А., Задруцкий С.П., Бежок А.П., Баешко И.И., Горецкий Г.П. и др. // Литьё и металлургия. 2010. № 4 (58). С. 89-94.
26. Мусихин А.М. Влияние уникальных стронций-бариево-кальциевых карбонатов на структуру и свойства высокомарганцевых сталей // Современные наукоёмкие технологии. 2011. № 3. С. 32-34.
27. Исследование влияния химического состава стали 110Г13Л на её свойства / Бедрин Н.И., Стадничук В.И., Стадничук А.В., Миляев А.Ф. и др. // Литейные процессы. 2003. № 3. С. 36-42.
28. B. Lv, F.C. Zhang, M. Li, R.J. Hou, L.H. Qian, T.S. Wang. Effects of phosphorus and sulfur on the thermoplasticity of high manganese austenitic steel, Materials Science and Engineering A. 21-22 (2010) 5648-5653.
29. Колокольцев В.М., Долгополова Л.Б. Мулявко Н.М. Влияние химического состава на структуру и свойства хромомарганцевых аустенитных сталей // Литейные процессы. 2003. № 3. С. 31-36.
30. Сысоев А.М., Бахметьев В.В., Колокольцев В.М. Рафинирование и модифицирование стали 110Г13Л комплексом титан-бор-кальций // Вестник Магнитогорского
государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2008. № 1. С. 43-45.
31. Колокольцев В.М., Лимарев П.С. Влияние соотношения компонентов на структуру и свойства марганцовистых сталей // Ползуновский вестник. 2005. № 2 (ч. 2). С. 139-141.
32. Мирзаев Д.А., Корягин Ю.Д., Окишев К.Ю. Влияние металлургических факторов на механические свойства и износостойкость литых марганцовистых сталей // Известия Челябинского Научного Центра. 1999. № 3. С. 18-22.
33. Цуркан Д.А., Леонтьев А.Н., Ишков А.В. Повышение конструкционной прочности стали 110Г13Л и литых деталей, используемых в специальных машинах, легированием Мо, Ni и модифицированием РЗМ // Ползуновский Вестник. 2012. № 1/1. С. 334-336.
34. Исследование механических и эксплуатационных свойств высокомарганцевой стали, легированной азотированным феррохромом / Колокольцев В.М., Вдовин К.Н., Чернов В.П., Феоктистов Н.А., Горленко Д.А. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2016. № 3. С. 46-54.
35. Влияние легирования хромом на характеристики карбидной фазы высокомарганцевой стали / Вдовин К.Н., Феоктистов Н.А., Горленко Д.А., Нефедьев А.А.. Ахметова А.А. // Сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференции «Технические науки в мире: от теории к практике». 2016. С. 51-58.
36. Mejia I., Bedolla-Jacuinde A., Pablo J.R. Sliding wear behavior of a high - Mn austenitic twinning induced plasticity (TWIP) steel mi-croalloyed with Nb, Wear. 1-2 (2013) 590-597.
37. Iglesias C., Solorzano G., Schulz B. Effect of low nitrogen content on work hardening and microstructural evolution in Hadfield steel, Materials characterization. 9 (2009) 971-979.
38. Abbasi M., Kheirandish S., Kharrazi Y., Hejazi J. The fracture and plastic deformation of aluminum alloyed Hadfield steels, Materials Science and Engineering A. 513-514 (2009) 72-76.
39. Park K.T., Jin K. G., Han S.H., Hwang S.W., Choi K., Lee C.S. Stacking fault energy and plastic deformation of fully austenitic high manganese steels: Effect of Al addition, Materials Science and Engineering A. 16-17 (2010) 3651-3661.
40. Nasajpour A., Kokabi A.H., Davami P., Nikzad S. Effect of molybdenum on mechanical and abrasive wear properties of coating of as weld Hadfield steel with flux-cored gas tungsten arc welding, Journal of Alloys and Compounds. 659 (2016) 262-269.
41. Peng X., Zhu D., Hu Z., Yi W., Liu H., Wang M. Stacking fault energy and tensile deformation behavior of high-carbon twinning-induced plasticity steels: Effect of Cu addition, Materials and Design. 45 (2013) 518-523.
42. Xiong R., Peng H., Wang S., Si H., Wen Y. Effect of stacking fault energy on work hardening behaviors in Fe - Mn - Si - C high manganese steels by varying silicon and carbon contents, Materials and Design. 85 (2015) 707-714.
43. Kalidindi S.R. Modeling the strain hardening response of low SFE FCC alloys, International Journal of Plasticity. 12 (1998) 12651277.
44. Gumus B., Bal B., Gerstein G., Canadinc D., Maier H.J., Guner F., Elmadagli M. Twinning activities in high-Mn austenitic steels under high-velocity compressive loading, Materials Science and Engineering A. 648 (2015) 104-112.
45. Astafurova E.G., Tukeeva M.S., Zakharova G.G., Melnikov E.V., Maier H.J. The role of twinning on microstructure and mechanical response of severely deformed single crystals of high-manganese austenitic steel, Materials characterization. 6 (2011) 588-592.
46. Astafurova E.G., Tukeeva M.S., Maier G.G., Melnikov E.V., Maier H.J., Microstructure and mechanical response of single-crystalline high-manganese austenitic steels under high-pressure torsion: The effect of stacking-fault energy, Materials Science and Engineering A. 604 (2014) 166-175.
47. Влияние статического и циклического нагружений на мартенситные превращения аустенитной стали 110Г13Л / Клевцов Г.В., Клевцова Н.А., Кукушкин С.С., Кожанова Н.В. // Фундаментальные исследования. 2004. № 5. С. 96.
48. Yan W., Fang L., Zheng Z., Sun K., Xu Y. Effect of surface nano-crystallization on abrasive wear properties in Hadfield steel, Tribol-ogy International. 5 (2009) 634-641.
49. Yan W., Fang L., Sun K., Xu Y. Thermodynamics of nanocrystilline formation in surface layer of Hadfield steel by shot peening, Materials Science and Engineering A. 445-446 (2007) 392-397.
50. Volodin V.L., Zuev L.B., Volodin T.V., Gromov V.E. Structure, strength, and wear resistance of hadfield steel subjected to surface magnetic-pulse treatment, Steel in Translation. 8, Volume 42 (2009) 629-632.
51. Байжабагинова Г.А., Сейдинова Г.А., Муравьёв О.П. Изменение структуры стали 110Г13Л при электроконтактной обработке // Труды университета. 2010. № 1. С. 21-23.
52. Байжабагинова Г.А. Прочностные свойства стали 110Г13Л после электроконтактной обработки // Труды университета. 2007. № 4. С. 26-28.
53. Блурцян Р.Ш., Блурцян Д.Р., Блурцян И.Р. Исследование износостойкости сердечников стрелочных переводов из высокомарганцовистой стали 110Г13Л, подвергнутых высокотемпературной газостатической обработке // Современные проблемы науки и образования. 2013. № 2. С. 237-243.
54. Блурцян Р.Ш., Блурцян Д.Р. Исследования износостойкости образцов из высокомарганцовистой стали 110Г13Л, подвергнутых высокотемпературной газостатической обработке // Новые материалы и технологии в машиностроении. 2006. № 5. С. 14-18.
55. Бочков В.С. Повышение износостойкости наклёпом футеровок шаровых мельниц при проведении их технического обслуживания: дис. ... канд. техн. наук. Санкт-Петербург, 2014. 119 с.
56. Зыкова А.П., Федосеев С.Н., Лычагин Д.В. Модифицирование стали 110Г13Л // Труды VII Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения». Томск, 2013. С. 86-90.
57. Федосеев С.Н. Опыт модифицирования стали Гадфильда // Сборник трудов XX Международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии. Секция 6. Материаловедение». Томск, 2014. Т. 2. С. 115-116.
58. Получение гомогенной аустенитной структуры в отливках из стали 110Г13Л / Габельченко Н.И., Гребнев Ю.В., Волкова Н.В., Зенин А.А. // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2010. № 4. Т. 4. С. 151-154.
59. Повышение стабильности аустенитной структуры высокомарганцевой стали 110Г13Л / Белов А.А., Искендеров Р.И., Габельченко Н.И., Карпова Е.Ю. // Труды XXVI Международной инновационно-ориентированной конференции молодых учёных и студентов. М., 2015. С. 21-24.
60. Исследование влияния скорости охлаждения при кристаллизации на размер зерна аустенита литой стали 110Г13Л / Вдовин К.Н., Горленко Д.А., Никитенко О.А., Феоктистов Н.А. // Международный научно-исследовательский журнал. 2015. № 10-2 (41). С. 28-31.
61. Вдовин К.Н., Горленко Д.А., Феоктистов Н.А. Исследование влияния скорости охлаждения в интервале выделения избыточных фаз на литую микроструктуру стали Гадфильда // Сборник трудов XIX международной научно-практической конференции «Металлургия: технология, инновация, качество» / под общ. ред. Е.В. Протопопова. Новокузнецк, 2015. С. 125-129.
62. Вдовин К.Н., Феоктистов Н.А. Влияние скорости охлаждения на структуру марганцовистой стали // Сборник трудов III Международной научно-практической конференции «Бизнес технологии в России: теория и практика». 2015. С. 25-29.
63. Вдовин К.Н., Горленко Д.А., Феоктистов Н.А. Исследование закономерностей формирования морфологии и химического
состава избыточной фазы в литой высокомарганцевой стали // Изв. вузов. Черная металлургия. 2016. № 7. Т. 59. С. 491-497.
64. Vdovin K.N., Feoktistov N.A., Gorlenko D.A. The effect of the cast high-manganese steel primary structure on its properties // Solid State Phenomena. 2016. vol. 870. pp. 339 - 344.
65. Исследование влияния процесса кристаллизации стали марки 110Г13Л на её свойства / Вдовин К.Н., Феоктистов Н.А., Горленко Д.А., Дерябин Д.А., Хренов И.Б., Кондратьев И.С. // Литейные процессы. 2016. №14. С. 29-36.
66. Изучение влияния скорости охлаждения на механические и эксплуатационные свойства стали 110Г13Л / Вдовин К.Н., Феоктистов Н.А., Горленко Д.А., Хренов И.Б., Дерябин Д.А. // Литейщик России. 2015. № 12. С. 23-24.
67. Расчет энергии дефекта упаковки и её влияние на абразивную износостойкость литой стали Гадфильда, охлаждённой с различными скоростями / Колокольцев В.М., Вдовин К.Н., Горленко Д.А., Гулин А.Е. // CIS Iron and Steel Review. 2016. № 11. С. 35-39.
68. Вдовин К.Н., Горленко Д.А., Феоктистов Н.А. Влияние энергии дефекта упаковки на абразивную износостойкость отливок из стали Fe-12Mn-1,2C, охлаждённых с различными скоростями // Изв. вузов. Черная металлургия. 2016. № 9. Т. 59. С. 603-609.
69. Изучение качественных параметров литой структуры отливки «Зуб ковша экскаватора» / Вдовин К.Н., Феоктистов Н.А., Горленко Д.А., Хренов И.Б., Дерябин Д.А. // Сборник трудов Двенадцатой Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы горнометаллургического комплекса. Наука и производство». Старый Оскол, 2015. С. 60-65.
70. Мулявко Н.М. Анализ эксплуатационной стойкости отливок из стали 110Г13Л // Известия Челябинского научного центра. 2001. Вып. 4 (13). С. 28-30.
71. Вдовин К.Н., Феоктистов Н.А., Хабибуллин Ш.М. Исследование процесса эксплуатации литых броней из стали марки 110Г13Л в мельнице МПСУ-70х23 // Литейные процессы. 2013. № 12. С. 8-11.
72. Оценка эксплуатационной стойкости и моделирование технологии изготовления отливки «Зуб ковша экскаватора» / Колокольцев В.М., Вдовин К.Н., Синицкий Е.В., Феоктистов Н.А. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2015. № 4 (52). С. 61-64.
73. Исследование дефектов структуры стали с высоким содержанием марганца 110Г13Л / Лазоватская К.А., Степанова Е.П., Синявская С.А., Жавнеров А.Н. // Материалы IV международной студенческой научно-практической конференции «Техника и технологии машиностроения». Омск, 2015. С. 147-151.
74. Особенности влиянии дефектов в литых заготовках стали 110Г13Л на механические свойства соединений при контактной стыковой сварке / Кучук-Яценко С.И., Швец Ю.В., Кавуниченко А.В. и др. // Автоматическая сварка. 2011. № 6. С. 5-8.
75. Вдовин К.Н., Феоктистов Н.А., Хабибуллин Ш.М. Технологический процесс производства броней из стали марки 110Г13Л в условиях ООО «Ремонтно-механический завод» // Теория и технология металлургического производства. 2014. № 2 (15). С. 51-52.
76. Ласьков Н.А., Карпинский А.В., Ткачев В.М. // Литейщик России. 2009. № 6. С. 36-40.
77. Ласьков Н.А., Ткачёв В.М., Карпинский А.В. Дефектность литых асимметрично оребренных плит из стали 110Г13Л // Литейщик России. 2009. № 12. С. 29-31.
78. Ердаков И.Н., Ткачев В.М. Влияние местоположения прибыли на качество изготовления крупногабаритных дробящих плит // Наука и технология. Краткие сообщения XXX Российской школы, посвящённой 65-летию Великой Победы. Екатеринбург, 2010. Т.1. С. 54-56.
79. Опыт использования компьютерного анализа для совершенствования литниково-питающей системы / Ердаков Н.И., Ткачев В.М., Новокрещенов В.В., Мурашкин П.К. // Наука и технология. Краткие сообщения XXX Российской школы, посвящённой 65-летию Великой Победы. Екатеринбург, 2010. Т.2. С. 193-195.
80. Ткачев В.М., Ласьков Н.А., Ердаков И.Н. Влияние положения стояка на коробление и дефектность отливок-плит // Заготовительное производство в машиностроении. 2010. № 6. С. 9-10.
81. Ердаков Н.И., Ткачев В.М. Технологические особенности изготовления крупногабаритных плит из стали Гадфильда // Литейное производство сегодня и завтра: тез. докл. 8-й Всерос. науч.-практ. конференции. Санкт-Петербург, 2010. С. 253-256.
82. Ердаков Н.И., Ткачев В.М. Исследование процесса изготовления литой плиты методом планируемого эксперимента // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия «Металлургия». 2010. № 13 (вып. 15). С. 46-49.
83. Ердаков Н.И., Ткачев В.М. Новая технология литья стальных плит дробильных установок ферросплавного производства // Сборник материалов XIV Международной конференции. Челябинск, 2010. С. 241-244.
84. Буданов Е.Н. Производство отливок из марганцовистой стали по технологии вакуумно-пленочной формовки // Литейщик России. 2014. № 9. С. 13-19.
85. Буданов Е.Н. Производство отливок из стали 110Г13Л технологией вакуумно-пленочной формовки // Литейное производство. 2014. № 9. С. 28-31.
86. Коршунов Л.Г., Черненко Н.Л. Влияние Е-мартенсита на абразивную износостойкость железомарганцевых сплавов // Физика металлов и металловедение. 2002. № 6. Т. 94. С. 53-61.
87. Коршунов Л.Г. Структурные превращения при трении и износостойкость аустенитных сталей // Физика металлов и металловедение. 1992. № 8. С. 3-21.
88. Коршунов Л.Г., Черненко Н.Л. Структурные превращения при трении и износостойкость сплавов системы Fe - Mn, содержащих Е-мартенсит // Физика металлов и металловедение. 1987. № 8. Т.63. С. 319-328.
89. Штремель М.А., Коваленко И.А. О механизме упрочнения стали Гадфильда // Физика металлов и металловедение. 1987. № 1. Т.63. С. 172- 80.
90. Структурные превращения высокомарганцовистых сталей при деформировании сдвигом под давлением / Теплов В.А., Коршунов Л.Г., Шабашов В.А. и др. // Физика металлов и металловедение. 1988. № 3. Т. 66. С. 564-571.
91. Особенности структуры холоднодеформированной стали Гадфильда / Родионов Д.П., Степанов Н.Н., Ромашев Л.Н. и др. // Физика металлов и металловедение. 1986. № 6. Т. 62. С. 1186-1194.
92. Родионов Д.П., Сазонова В.А., Степанова Н.Н. Структура стали Гадфильда после быстрой кристаллизации // Физика металлов и металловедение. 1995. № 1. Т. 80. С. 92-96.
93. Завалишин В.А., Дерягин А.И., Сагарадзе В.В. Магнитные свойства холоднодеформированных марганцевых аустенитных сталей 110Г13Л и Г40 // Физика металлов и металловедение. 1986. № 5. Т. 62. С. 916-922.
94. Степанова Н.Н., Родионов Д.П., Любимов М.Г. Интеркристаллитная хрупкость стали Гадфильда // Физика металлов и металловедение. 1989. № 4. Т. 68. С. 812-817.
95. Родионов Д.П., Любимов М.Г., Мишутин Е.А. Сегрегация примесей на свободной поверхности стали Гадфильда при нагреве // Физика металлов и металловедение. 1988. № 5. Т. 68. С. 910-915.
Сведения об авторах
Синицкий Евгений Валерьевич - канд. техн. наук, доц. кафедры МТ и ЛП, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Магнитогорск, Россия. Тел.: 8(3519)29-84-30. E-mail: e-v-s@mail.ru.
Нефедьев Александр Алексеевич - канд. техн. наук, ст. преп. кафедры физики ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Магнитогорск, Россия. Тел.: 8 (3519) 29-84-70. E-mail: shuric_xp@mail.ru.
Ахметова Альфия Айдаровна - аспирант кафедры МТ и ЛП, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Магнитогорск, Россия. Тел.: 8(3519) 29-84-30. E-mail: ruskp06@rambler.ru.
Овчинникова Марина Вячеславовна - аспирант кафедры МТ и ЛП, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Магнитогорск, Россия. Тел.: 8(3519) 29-84-30. E-mail: ovchinnikova_m@inbox.ru.
Хренов Иван Борисович - магистрант кафедры МТ и ЛП, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Магнитогорск, Россия. Тел.: 8(3519) 29-84-30. E-mail: van4ey@mail.ru.
Дерябин Данил Андреевич - магистрант кафедры МТ и ЛП, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Магнитогорск, Россия. Тел.: 8(3519) 29-84-30. E-mail: dedan_62@mail.ru.
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
REVIEW OF RESULTS OF INVESTIGATIONS AIMED AT IMPROVEMENT OF PROPERTIES OF CASTINGS MADE FROM HIGH MANGANESE STEEL
Sinitskiy Yevgeniy Valerievich - Ph.D. (Eng.), Associate Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. Phone: +7 (3519) 29-85-30. E-mail: e-v-s@mail.ru.
Nefed'ev Aleksandr Alekseevich - Ph.D. (Eng.), Assistant Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. Phone: +7 (3519) 29-84-70, E-mail: shuric_xp@mail.ru.
Akhmetova Alfiya Aidarovna - Postgraduate student, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. Phone: +7 (3519) 29-85-30. E-mail: ruskp06@rambler.ru.
Ovchinnikova Marina Vyacheslavovna - Postgraduate student, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. Phone: +7 (3519) 29-85-30. E-mail: ovchinnikova_m@inbox.ru.
Hrenov Ivan Borisovich - Magistracy student, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. Phone: +7 (3519) 29-85-30. E-mail: van4ey@mail.ru.
Deryabin Danil Andreevich - Magistracy student, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. Phone: +7 (3519) 29-85-30. E-mail: dedan_62@mail.ru.
Abstract. The paper offers a review of the results of investigations aimed at improvement ofproperties of high manganese steel by means of affecting its melt and by means of enhancing the heat treatment mode and by physical action on the finished product from this steel grade. It describes the results of investigation of the production process improvement and secondary treatment of Hadfield steel by different smelters. The results of alloying this steel grade with different chemical elements, such as chromium, molybdenum, nitrogen, titanium and others, were considered. The authors carried out analysis of investigations of foreign scientists devoted to the study of the influence of chemical composition on the strength properties of high manganese steel, the study of structure forming after the external physical action and they also described the steel strengthening mechanisms under the influence of external factors. The results of numerous papers dealing with the influence of the cooling rate of castings in the mould on the wear resistance characteristics were considered. Besides, the research group reviewed the findings of papers aimed at casting technology improvement of castings from Hadfield steel. In addition, some other significant papers describing the results of high manganese steel investigation were considered and analyzed.
Keywords: high manganese steel, alloying, heat treatment, cooling rate, crystallization, cast structure, austenite, secondary carbides.
♦ ♦ ♦
