CC BY
106
/т1гттгг= г: г,г^гггг7ггггг / то
-3 (62), 2011/ IUV
7he results of researches on influence of bariumstrontium carbonates on structure, mechanical andfoundry properties of heat resisting chrome-nickel steels of aus-tenitic type are given.
А. П. БЕЖОК, С. П. ЗАДРУЦКИй, С. В. КОРНЕЕВ, В. А. РОЗУМ, И. А. ТРУСОВА, БНТУ, Г. П. ГОРЕЦКИй, ФТИ НАН БЕЛАРУСИ
УДК 621.74:669.13
применение барий-стронциевых карбонатов для обработки жаропрочных сталей
Жаропрочные хромо-никелиевые стали аусте-нитного класса применяются для изготовления различных деталей, к которым предъявляются высокие требования по окалиностойкости, прочности при высокой температуре и трещиностойкости при циклических сменах температур (лопатки турбин, радиационные трубы, поддоны печных агрегатов, муфеля, колосниковые решетки печей отжига для цементной промышленности и др.). Эти стали обладают высокой прочностью и не претерпевают в процессе охлаждения и нагрева полиморфных превращений. Эксплуатационная стойкость деталей из них при повышенных температурах определяется структурой, полученной за счет легирования и модифицирования в процессе плавки. В литом состоянии высоколегированные хро-мо-никелиевые стали с содержанием углерода 0,30,5% имеют аустенитную основу с выделениями карбидов хрома (Сг23С6) в междендритных областях и в небольшом количестве по границам зерен.
В процессе длительной эксплуатации поддонов в окислительной атмосфере в температурном интервале 200-900 °С в структуре происходит перераспределение карбидной фазы. Она выделяется в дисперсном виде по всему объему аустенита и в более крупном виде по границам. По таким границам происходит охрупчивание материала и разгар. При эксплуатации деталей из жаростойких сталей в восстановительной атмосфере (печи цементации) в том же температурном интервале также перераспределяется карбидная фаза. Она выделяется по всему объему аустенитного зерна. По мере эксплуатации карбиды увеличиваются по объему и размерам за счет диффузии углерода из углеродсодержащей атмосферы печи. Это приводит к повышению твердости и охрупчиванию материала оснастки.
Эксплуатационная стойкость таких сталей во многом определяется химическим составом, свойствами самого аустенита, загрязненностью межзе-ренных границ неметаллическими включениями и наличием карбидных включений.
Наиболее высокие свойства стали достигаются при получении гомогенной структуры аустенита с карбидным упрочнением. Для этих целей широко применяются жаропрочные высоколегированные стали типа 35Х18Н11СЛ (ТУ 23.118.294-88), 35Х18Н24С2Л (ГОСТ 977-88) и др. Высокая жаропрочность достигается за счет повышенного содержания хрома и никеля. При этом, как правило, для деталей, работающих в более «жестких» термических условиях, содержание никеля повышают до 24-35%, а в некоторых случаях и выше.
Однако в ряде работ (например [1, 2]) отмечается, что концентрация никеля в этих сплавах завышена и содержание его может быть снижено за счет оптимизации химического состава без ухудшения эксплуатационных свойств.
Структура стали с содержанием никеля 15% в литом и термообработанном состоянии аналогична структуре стали с содержанием никеля 24% и состоит из аустенита с карбидными включениями. Исследования образцов на термостойкость при закалке (нагрев до 800 °С и охлаждение в воде) показали, что в процессе испытаний происходит рост карбидных колоний по всему объему аусте-нита, что приводит к повышению его твердости, а также увеличению количества карбидов хрома по границам, вызывающее возникновение трещин. При этом, как утверждают авторы [2], трещино-устойчивость увеличивается с повышением содержания никеля и снижением концентрации углерода.
Эксплуатационная надежность деталей, изготовленных из высоколегированных сталей, во
Ш1 ктмтуп
I 3 (62), 2011-
многом зависит от наличия в отливке различного рода литейных дефектов: раковин и усадочной пористости, неспаев и т. д. На наш взгляд, это является одной из основных причин выхода из строя жаростойкой оснастки печного оборудования. Поэтому конструкции оснастки и технологии ее заливки должно быть уделено особое внимание.
Улучшение структуры стали в литом состоянии и повышение ее литейных свойств может быть достигнуто за счет дополнительной модифицирующей обработки редкоземельными и щелочноземельными металлами. При модифицировании стали происходит разрушение микрогруппировок, в которые входят легирующие элементы, повышая гомогенность расплава [3]. Изменяются морфология неметаллических включений, поверхностное натяжение расплава, а также физические свойства жидкой стали, температура ликвидуса и интервал кристаллизации. Это приводит к изменению структуры самого металла, а также оказывает влияние на формирование тех или иных дефектов.
Отработка технологии модифицирования, как правило, осуществляется экспериментальным путем и связана с выбором состава, количества, способом ввода и температурой стали при вводе присадки. Для каждой марки стали эти параметры индивидуальны и определяются видом превращения протекающих в сталях при кристаллизации.
В последнее время опубликовано много работ [4-6] по применению барий-стронциевых карбонатов для рафинирующей обработки сталей различного назначения.
В настоящей работе приведены результаты исследований по влиянию барий-стронциевых карбонатов на структуру, механические и литейные свойства жаропрочных хромо-никелиевых сталей аустенитного класса.
Плавки стали проводили в индукционной вакуумной печи ИСВ 0,004-ПИ-М1 в атмосфере аргона. В качестве шихты использовали сталь, ферромарганец ФМн70; феррохром ФХ100А, никель НП1. Для раскисления стали применяли алюминий АВ. Модифицирование стали проводили барий-стронциевым карбонатом (ТУ 1717-001-750738962005) и РЗМ-содержащей лигатурой ФСЗОРЗМЗО (ТУ 14-5-136-87), составы которых приведены в табл. 1, 2.
Таблица 1. Химический состав барий-стронциевых карбонатов
Массовая доля компонентов, %
бЮ2 ВаО СаО SгO MgO К2О №2О Ре2О3 МпО М2О3 тю2 С02
24,8 16,0 21,5 5,5 0,9 3,0 1,5 4,0 0,2 2,9 0,9 18,0
Таблица 2. Химический состав ФСЭ0РЗМЭ0
Массовая доля компонентов,%
РЗМ 81 Fe (остальное)
30 30 40
Исследования проводили на сталях с различным содержанием Сг и М, химические составы которых приведены в табл. 3.
Таблица 3. Химический состав сталей
Содержание элементов, мас.%
Номер сплава С Мп Сг N1 Б р
1 0,45 2,0 2,0 23 17 0,02 0,03
2 0,3 2,0 2,0 18 24 0,02 0,03
Анализ влияния модифицирования барий-стронциевым карбонатом проводили на жаростойкой стали 45Х23Н17С2Л, разработанной для печей с восстановительной атмосферой по сравнению с традиционно используемой для этих целей жаростойкой сталью 35Х18Н24СГЛ. Для определения структуры и механических свойств заливали «трефы», из которых изготавливали образцы на растяжение и ударную вязкость. Исследование процесса кристаллизации сплавов осуществляли с помощью термоанализа.
Термостойкость сплавов определяли на образцах-фрагментах (рис. 1), имитирующих поддоны для термообработки деталей. Испытания проводили в заводских термических печах. Образцы помещали на поддон и проходили весь цикл термообработки по режиму цементации.
Через 1-2 мес. образцы-фрагменты извлекали для осмотра внешнего вида на предмет образования трещин и отрезали бобышку для микроструктурного анализа. После этого образцы загружали в печь для дальнейших испытаний.
Микроструктуру изучали на металлографическом комплексе МКИ-2М1 связанной системой видеонаблюдения с компьютером, а также на оптическом микроскопе №орИо11-21. Жидкотекучесть стали
-
Рис. 1. Образец-фрагмент для испытаний в термических печах: 1 - литник; 2 - бобышки
аггг^ г штйшнш /111
-3 (62), 2011 I I
&
5
9
6
1000 800 600 400 200
У-1 н-+
н 1---- 1---- 1 >-ч •
•
0 ОД 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Величина присадки, мас.%
н к---- —н ----
►---- 1.___
- ^-1 ------- ' 1
О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Величина присадки, мас.%
250 200
РП ПС
л 150
&
i 100
А
50
-+2
0,1
0,2 0,3 0,4 0,5 Величина присадки, мас.%
0,6
0,7
Рис. 2. Влияние модифицирования на механические свойства жаропрочной стали состава № 1 (1 - обработка ФСЗОРЗМЗО; 2 - обработка карбонатами); а - предел прочности ав; б - удлинение, %; в - твердость НВ
определяли по спиральной пробе путем замера длины залитой спирали.
Исследования показали, что модифицирование стали после предварительного раскисления алюминием как первым, так и вторым модификатором приводит к повышению предела прочности и относительного удлинения при сохранении твердости на одном и том же уровне по сравнению с исходным расплавом (рис. 2).
При этом наиболее высокие свойства достигаются после обработки барий-стронциевым карбонатом в количестве 0,5-0,7%. Ввод присадки модификатора ФСЗОРЗМЗО в количестве 0,5% повысил предел прочности до 591 МПа, в то время как обработка карбонатом увеличила предел прочности до 682 МПа. Одновременно относительное удлинение возросло после ввода модификатора до 45%, а при обработке модификатором ФСЗОРЗМЗО повысилось только до ЗЗ%.
Анализ структуры стали в исходном состоянии и после обработки модификаторами (рис. З, 4) показал, что модифицирование уменьшает количе-
Рис. З. Влияние модифицирования на формирование карбидных включений в жаропрочной стали состава № 1: а -исходный состав без модифицирования; б - после обработки О,5% ФСЗОРЗМЗО; в - после обработки О,5% карбонатами. х5ОО
ство карбидных включений в теле и на границах зерен, а ввод карбонатов - и размер самого зерна. Отмечено также и повышение жидкотекучести стали после модифицирования (рис. 5).
Повышение жидкотекучести расплава, обработанного карбонатами, можно связать с уменьшением количества неметаллических включений, содержания газов, изменением поверхностного натяжения, а также изменением процесса первичной кристаллизации.
Термический анализ затвердевания стали без и с обработкой карбонатом показал, что темпера-
а
б
а
в
б
в
112/
аггг^ г ггшг<г<тм
3 (62), 2011-
Рис. 5. Влияние модифицирования на жидкотекучесть жаропрочной стали состава № 1: 7 - модифицирование ФСЗОРЗМЗО; 2 - модифицирование карбонатами
Рис. 4. Влияние модифицирования на размер аустенитного зерна жаропрочной стали состава № 1: а - исходный состав без модифицирования; б - после обработки ФСЗОРЗМЗО; в - после обработки карбонатами. х100
тура ликвидус в последнем случае уменьшается на 29 °С и составляет 1415 °С в исходном состоянии (рис. 6).
В результате сравнительного анализа модифицирующих присадок установлено, что более высокие механические и литейные свойства достига-
б
Рис. 6. Кривые охлаждения стали состава № 1: а - без обработки карбонатами; б - после обработки карбонатами
ются при обработке барий-стронциевым карбонатом, в этом случае образуется структура с меньшим размером зерна и практически отсутствуют карбидные включения.
С целью отработки метода ввода барий-стронциевых карбонатов были проведены опытные
б
в
плавки в индукционной печи емкостью 150 кг. Состав выплавляемой стали соответствовал сплаву № 1 (табл. 3). Обработку расплава осуществляли в ковше при его заполнении, применяя карбонат различной фракции. Перед сливом металла из печи проводили предварительное раскисление комплексной присадкой. Температура модифицирования составляла 1600 °С. Механические свойства и структуру контролировали на образцах, вырезанных из заливаемых после обработки расплава треф. Параллельно заливали образцы-фрагменты для определения термостойкости.
Исследования механических свойств стали, обработанной карбонатами разной фракции, показали, что более высокие свойства достигаются при вводе присадки фракции 1-2 мм (табл. 4). Уменьшение фракции присадки до < 0,5 мм снижает предел прочности до 600 МПа по сравнению с 678 МПа при вводе присадки фракции 1-2 мм.
Таблица 4. Влияние размера фракции карбонатов и величины их присадки на механические свойства жаропрочной стали с 17% никеля
Для проведения сравнительных испытаний на термостойкость дополнительно залили фрагменты из жароупорной стали с содержанием 17 и 24% никеля без обработки карбонатами. Опытные образцы-фрагменты были установлены в термическую печь, где периодически контролировали наличие трещин и структуру.
Данные, приведенные в табл. 5, показали, что дополнительная модифицирующая обработка карбонатами стали с 17% никеля позволила повысить термостойкость до уровня стали с содержанием 24% никеля. Трещины на фрагментах не были обнаружены даже после выдержки в печи более 60 сут. В то время как на образцах, изготовленных из стали, содержащей 17%, но без модифицирования, трещины начали появляться уже после выдержки в течение 45 сут.
/тггтг^ г: г^штгггг /цо
-3 (62), 2011 I Н11
Таблица 5. Результаты анализа трещинообразования
Химический состав стали (см. таблицы) Наличие трещин
Номер Вид обработки время выдержки, сут
15 30 45 60
1 1 Без обработки Нет Нет Трещ. -
2 1 Без обработки Нет Нет Трещ. -
3 1 Без обработки Нет Нет Нет Трещ.
4 1 Обработка карбонатом Нет Нет Нет Нет
5 1 Обработка карбонатом Нет Нет Нет Нет
6 1 Обработка карбонатом Нет Нет Нет Нет
7 2 Без обработки Нет Нет Нет Нет
8 2 Без обработки Нет Нет Нет Нет
9 2 Без обработки Нет Нет Нет Нет
Таким образом, модифицирование жаропрочной стали барий-стронциевыми карбонатами за счет улучшения структуры (измельчение зерна, уменьшение карбидных включений) и повышения технологических свойств (жидкотекучести, снижение температуры ликвидус) снижает вероятность образования рыхлот, усадочных раковин, повышает эксплуатационные свойства отливок и их ресурсы.
Выводы
На основании исследований влияния модифицирования на свойства и структуру жаропрочных хромо-никелевых сталей аустенитного класса было установлено.
1. После модифицирующей обработки жаропрочных сталей РЗМ-содержащими присадками и барий-стронциевыми карбонатами повышаются механические и улучшаются литейные свойства, изменяется структура металла.
2. Изменение структуры металла, связанное с измельчением карбидных включений, равномерным распределением их по объему и уменьшением размера зерна в комплексе с улучшением литейных и прочностных свойств, повышает жаропрочность сталей.
3. Применение для модифицирования барий-стронциевых карбонатов за счет одновременного рафинирующего и модифицирующего воздействия позволяет получить более высокие прочностные и эксплуатационные свойства жаропрочных сплавов.
4. Модифицирующая обработка барий-стронциевыми карбонатами жаропрочных сталей, содержащих 17% №, 23% Сг, повышает трещино-устойчивость до уровня трещиноустойчивости сталей с содержанием 24% №, 18% Сг.
Размер Величина присадки Механические свойства
фракции, мм ств, МПа О, МПа относительное удлинение % твердость НВ
Исходный - 520 300 26 190
0,3 580 340 28 179
3-5 0,5 620 360 30 179
0,7 630 358 33 170
0,3 590 360 34 170
1-2 0,5 670 380 39 190
0,7 678 376 40 170
0,3 540 320 26 163
>0,5 0,5 590 340 30 170
0,7 600 350 30 180
Ш/ пу^г: г: гл^ггггтгггг
/ 3 (62), 2011-
Литература
1. З е м с к о в И. В., Ф и л а н о в и ч И. К., К о р о л е в К. В. Влияние модифицирования на структуру и свойства нержавеющей стали 12Х18Н10ТЛ // Литье и металлургия. 2004. № 1. С. 88-90.
2. Г о р е ц к и й Г. П., Л а ш к е в и ч О. Е. Исследование и разработка литейных жаростойких сплавов // Металлургия и литейное производство. 2007. С. 237-241.
3. Е р ш о в Г. С., Ч е р н я к о в В. А. Строение и свойства жидких и твердых металлов. М.: Металлургия, 1978.
4. М а р м а н т о в Е. А., Ч е р н я к С. С., Н о с ы р е в а Е. С. Свойства литой высокомарганцовистой стали // Проблемы хладостойкости конструкционных сталей. Иркутск, 1971. С. 204-214.
5. М у р у е в С. В., Р и м к е в и ч В. С., Б у ц к и й Е. В. и др. Применение барий-стронциевого карбоната при производстве заготовок из инструментальной стали Р6М5 и Х12МФ // Электрометаллургия. 2004. № 10. С. 8-10.
6. П и м н е в Д. Ю., А ф а н а с ь е в С. В., К у з н е ц о в С. И. Повышение служебных и литейных свойств высокомарганцовистой стали типа Г13Л при обработке расплава модификатором БСК-2 // Тр. восьмого съезда литейщиков России. Т. 1. Ростов-на-Дону, 2007. С. 145-151.
