CC BY
34
МЕТАЛУРГ1Я ЧАВУНУ
УДК:669.18:669.17
© Харлашин П.С.1, бршов Г.С.2, Гаврилова В.Г.3,
Григор'ева М.О.4
СУМ1СНИЙ ВПЛИВ МОДИФ1КАТОР1В ПЕРШОГО ТА ДРУГОГО РОДУ НА СТРУКТУРУ I ВЛАСТИВОСТ1 КОНСТРУКЦ1ЙНИХ СТАЛЕЙ
Виконаний аналгз можливостг використання на основних стадгях виплавки моди-ф1куючих горофтьних та тугоплавких елемент1в з метою тдвищення якост1 конструкцтних сталей. Експериментально визначена швидюсть наростання тве-рдог юрки, в металевих виливках, що дозволяе оцтювати теплов1 особливост1 за-твердтня стал1. Показано, що стльний вплив модифтатор1в першого роду у ви-гляд1 0,01% кальцт тсля присадки твердог добавки 7 другого роду у вигляд1 нтри-ду титану полтшуе макроструктуру та мехатчт властивост1 литог стал1. Ключовi слова: модифтування, горофтьт елементи, рафтування метал1чного ро-зчину, тверд7 присадки, ендогент включення.
Харлашин П.С., Ершов Г.С., Гаврилова В.Г., Григорьева М.А. Совместное влияние модификаторов первого и второго рода на структуру и свойства конструкционных сталей. Выполнен анализ возможности использования на основных стадиях выплавки модифицирующих горофильных и тугоплавких элементов с целью повышения качества конструкционных сталей. Экспериментально определена скорость нарастания твердой корки в металлических отливках, что позволяет оценивать тепловые особенности затвердевания стали. Показано, что совместное влияние модификаторов первого рода в виде 0,01% кальция после присадки твердой добавки и второго рода в виде нитрида титана улучшает макроструктуру и механические свойства литой стали.
Ключевые слова: модифицирование, горофильные элементы, рафинирование металлического расплава, твердые присадки, эндогенные включения.
P.S. Kharlashin, G.S. Yershov, V.G. Gavrilova, M.O. Grigoreva. Joint effect of the first and the second kind of modifiers on the constructional steels structure and properties.
The influence of modifying horophilic and refractory elements injected at the main smelting stages into structural steels on their structural mechanical properties has been analyzed. The solid crust building-up rate in castings that makes it possible to evaluate the thermal characteristics of steel hardening has been experimentally determined. It has been found that increase of the amount of solid additives into molten steel before melting results in a significant increase of the thickness of the hardened layer during the same period of time. The microstructure of the 09G2S and St3 steels after modifying the melt with a solid additive, with titanium nitride and a joint modifying with calcium and titanium nitride has been studied. As a result of the combined effect of the modifiers of the first and second kind the cast steel macrostructure improves. The mechanical tests of the 09G2S steel and St3 deformed steel specimens, modified by calcium and titanium nitride, after the ingots were forged and rolled with subsequent normalization showed that the strength increased by 15^25%, the elongation increased by 10^25%, while impact
1 д-р техн. наук, професор, ДВНЗ «Приазовський державний техмчний ушверситет», м. Маргуполь
2 д-р техн. наук, професор, 1нститут металофгзики НАНУ, м. Кшв
3 канд. техн. наук, доцент, ДВНЗ «Приазовський державний техшчний ушверситет», м. Маргуполь, victoriva1961@,mail. ги
4 канд. техн. наук, доцент, ДВНЗ «Приазовський державний техмчний ушверситет», м. Маргуполь
strength increased by 0,5 MJ/m2 at room temperature. The results can be applied to improve and manage the process of structuring during steel smelting and casting, as well as to improve their quality.
Keywords: modification, horophilic elements, molten metal refining, solid additives, endogenous inclusions.
Постановка проблеми. Безперервне тдвищення вимог до конструкцшних сталей викли-кае необхщтсть подальшого удосконалення ïx структурного стану за рахунок onrnMÎ3a^ï про-цешв плавки, у тому числ^ використання спещальних модифiкаторiв.
Ah^Ï3 останшх дослiджень та публжацш. На даний час основною метою металургш-ного виробництва е тдвищення якосп металопродукцiï при зниженнi витрат на виробництво. Нарощування об'емiв виробництва сталей i сплавiв обходиться втричi дорожче, нiж забезпе-чення ^eï ж потреби краïни в металi за рахунок пiдвищення його якосп. За розрахунками М.П. Лякiшева [1], тдвищення межi мiцностi сталей 09Г2С i Ст3 тiльки на 30 МПа дае еконо-мiю понад 4 млн. т металопрокату, що свщчить про виняткову важливiсть проблеми тдвищення мщносп низьковуглецевих конструкцшних сталей.
Одним з реальних i ефективних шляxiв виршення проблеми е рацюнальне застосування термiчноï i термомехатчно1' обробки, що робить вплив пластично1' деформацiï i термiчноï обро-бки на структуру i властивосп стат комплексно [2]. Однак дефщит спецiалiзованого i дорогого обладнання на бшьшосп пiдприeмств змушуе шукати бшьш доступнi шляхи впливу на струк-турнi i мiцнiстнi властивостi низьколегованих конструкцшних сталей. У цьому вщношент ве-ликi переваги мае модифшування. Як модифiкатори використовують кальцiй, титан, алюмшш, азот та iншi метали. Модифшування дозволяе значно подрiбнювати зерно, викликае дисперсш-не змiцнення одночасно з тдвищенням в'язкостi й опору стат крихкому руйнуванню [3]. Ниж-че наводяться експериментальнi результати впливу особливостей виплавки сталей 09Г2С i Ст3, зокрема ïx модифiкування, на макроструктуру i властивосп металу.
Вщомо, що основними домiшками, якi рiзко погiршують властивостi сталей i сплавiв, е сiрка i фосфор [4]. Зниження концентрацп цих елементiв нижче 0,02-0,03% вимагае трудомют-кого рафшування металевих розплавiв, тому особливий штерес становило вивчення впливу мо-дифшування сталей при зазначених вмiстаx цих домшок i виявлення ступеня нейтралiзацiï ïx-нього шкiдливого впливу за допомогою введення кальцiю, азоту i титану. У спещальнш лггера-турi [5-10] достатньо багато даних щодо вирiшення цieï проблеми взагалi, однак викликае штерес вивчення впливу процесу модифшування та умов його здшснення на мшроструктуру й ме-xанiчнi властивостi конкретних конструкцiйниx сталей 09Г2С та Ст3, якi мають широке вико-ристання.
Мета статтi. Оцшка можливостей управлiння структуроутворенням та мехашчними вла-стивостями на основних стащях виплавки сталей шляхом модифiкування 1'х тугоплавкими та горофiльними елементами.
Викладання основного матерiалу. Дослiджуванi марки стат 09Г2С i Ст3, xiмiчний склад яких приведений у таблиц 1, виплавляли в 60-кг печi з лужною футеровкою. Як шихту використовували армко-залiзо. Пiсля розплавлювання шихти i на^вання металевоï ванни вводили феромарганець, феросилщш i алюмiнiй. Поим назвали рiдкий метал до 1620°С, вводили 5% твердоï металевоï добавки у виглядi грудочок низьковуглецевоï стал^ Частину марганцю для легування присаджували у виглядi азотованого феромарганцю, який мютить 7% азоту. Вмiст азоту в металевому розплавi пiднiмався до рiвня, що складае 0,015^0,035%. Перед випус-ком плавки з печi в рiдкий метал вводили феротитан у кшькосп, яка забезпечуе одержання в готовш сталi 0,10^0,15% титану i силшокальщю з розрахунку одержання в стат 0,01% кальцiю.
Використовували модифшатор першого роду (кальцiй), що мае низьку температуру плав-лення i малу розчиншсть у залiзi, а також модифiкатори другого роду (штриди титану) з висо-кою температурою плавлення i низькою розчинтстю у залiзi.
Ендогеннi тугоплавкi частки нiтридiв титану, що утворюються в об'eмi рiдкоï сталi в результат взаeмодiï титану з розчиненим у металi азотом, були центрами кристатзацп. Поверх-нево-активний кальцiй обволшав цi центри i перешкоджав приеднанню атомiв залiза з розпла-ву, що гальмувало рют кристалiв. В результат виходила дрiбнозерниста структура лито! моди-фiкованоï сталi.
Перед введенням модифшуючих елементв (кальцiй, титан, азот) у металеву ванну дом> шувалась тверда добавка в кшькосп 3-10% маси плавки. Ця добавка була представлена сорто-вим прокатом низьковуглецево! стат або армко-залiза, що мае в дiаметрi 60-70 мм.
Таблиця 1
Хiмiчний склад дослiджуваних сталей за плавочним аналiзом, % мас.
Марка стали Вм1ст легуючих елеменпв та домшок
C, % max Si, % max Mn, % max Ni, % max S, % max P, % max Cr, % max Ti, % max N, % max Cu, % max Ca, % max As, % max
09Г2С 0,12 0,5-0,8 3 1 7 0,3 0,04 0,035 0,3 0,10-0,15 0,008 0,3 0,01 0,08
Ст3 0,14-0,22 0,05-0,17 0,4-0,65 0,3 0,05 0,04 0,3 - - 0,3 0,01 0,08
Для управлшня формуванням структури i властивостей сталей тд час процесу плавки i розливання необхiдно активнiше впливати на мехатзм i швидкiсть протшання процесiв в об'eмi металевих розплавiв. У цьому напрямку розробленi рiзнi прийоми модифiкування структури розплавiв i зливкiв або виливкiв, яю закристалiзувалися з них. Наприкiнцi плавки нерщко в пiч або при зливант металу в ковш вводяться мшрохолодильники або iнокулятори найрiзно-маштшшо! форми i складу. Тверда добавка, яка вводиться у рщкий метал, рiзко знижуе температуру останнього i розчиннiсть газiв, сприяючи !хньому видаленню з об'ему металу. Введет тсля твердо! добавки в металiчний розплав модифiкатори краще засвоюються й ефективтше впливають на структуру стал^
Введення твердо! добавки супроводжувалося енергшним закипанням рiдко! сталi внасль док ютотного (60—80°С) зниження температури розплаву, розчинносп газiв i прискоренням процесу молiзацi! атомiв газiв на готовш поверхнi роздiлу твердо! фази з розплавом [3].
У результат експерименту концентращя кисню знижувалася на 20—50%, водню -25—60%, азоту - 10—30%, що значно сприяло засвоенню елементiв, якi вводяться для модифшу-вання (титану, кальцiю).
Частки твердо! добавки у виглядi мiкрогрупувань рiзно! величини, якi залишилися, спри-яють прискоренню процесу кристалiзацi! сталi за рахунок кооперативного мехатзму кристаль зацп, що замiнюe поатомне приеднання часток розплаву до наявних зародюв твердо! фази. Ска-зане пiдтверджуеться результатами визначення швидкосп наростання твердо! корки в металевих виливках (рис. 1). Вивчено тепловi особ-ливосп затвердiння сталi 09Г2С, виплавлено! в шдукцшнш печi з лужною футеровкою ем-нiстю 60 кг при введент наприкiнцi плавки в розплав твердо! добавки з низьковуглецево! стат в кiлькостi 3, 5 i 7% мас. Вiдливали зли-вки масою 30 кг. Дослiди показали, що тд-вищення кiлькостi твердо! добавки в рщку сталь перед випуском плавки призводить до iстотного збшьшення товщини затвердiлого шару протягом однакового промiжку часу (рис. 1).
Макроструктури зливкiв сталей 09Г2С та Ст3 представленi на рис. 2.
Вихщна структура обох сталей представлена великими, спрямованими уздовж фронту затвердшня кристаллами (рис. 2, а, д). Присадка твердо! металево! добавки в розпла-влений метал супроводжувалася здрiбнюван-
10 20 30
Час контакту з формою t с
Рис. 1 - Залежтсть товщини затвердшого шару вщ часу контакту з формою рщко! сталi 09Г2С вiд кшькосп твердо! добавки: 1 - 7%; 2 - 5%; 3 - 3%
8
7
6
5
4
3
2
0
Сер1я: Техн1чн1 науки ISSN 2225-6733
2016р.
Вип. 32
ням структури (рис. 2, б, е). Здрiбнювання зерен в^бувалося внаслiдок бiльш iнтенсивного остигання сталi та внесення разом з добавкою готових центрш кристалiзацii металу. Модифшу-вання сталi ендогенними тугоплавкими включеннями нiтриду титану, що утворилися тсля вве-дення в азотовмгсш сталi титану (рис. 2, в, ж), дозволило одержати виключно дрiбне первинне зерно при повному пригшчуванш стовпчастоi структури. Нарештi, спiльний вплив модифжато-рш першого роду у вигляд 0,01% кальцдо пiсля присадки твердоi добавки i другого роду у ви-гляд нiтриду титану (рис. 2, г, з) бшьше полшшуе макроструктуру литоi сталi.
д е ж з
Рис. 2 - Макроструктура сталей 09Г2С (а-г) та Ст3 (д—з): а, д - вихiдна структура; б, е — тсля присадки твердо1* добавки в рiдку сталь; в, ж — тсля модифтування тт-ридом титану; г, з — спшьне модифтування кальщем i нiтридами титану
Мехатчт властивост сталей без i з модифiкуванням приведенi у таблиц 2.
Таблиця 2
Вплив модифшування твердою добавкою, азотом, титаном i кальцiем на механiчнi властивостi деформованих сталей 09Г2С i Ст3 тсля нормалiзацii вiд 920°С
Техно-логш Вмют у стал^ мас. % Межа мь цност СТу, МПа Вщносне звуження Ц, % Вiдносне подовжен-ня 3, % Ударний вигин КСи, МДж/м2
N Т1 +20°С -60°С
1 2 3 4 5 6 7 8
Сталь 09Г2С
а 0,010 0,005 530 50 20 0,90 0,20
б 0,007 0,005 530 53 22 1,00 0,25
в 0,015 0,25 600 55 18 0,80 0,25
в 0,020 0,20 630 60 20 1,20 0,43
в 0,025 0,15 660 64 26 1,40 0,48
в 0,030 0,10 640 62 24 1,30 0,43
в 0,035 0,05 590 57 19 0,90 0,35
г 0,020 0,20 630 64 22 1,40 0,52
г 0,025 0,15 665 68 25 1,60 0,73
г 0,030 0,10 640 64 26 1,50 0,70
Продовження таблиц 2
1 2 3 4 5 6 7 8
Сталь Ст3
а 0,010 0,005 480 52 25 0,85 0,22
б 0,007 0,005 480 54 25 0,95 0,28
в 0,015 0,25 505 50 20 0,90 0,30
в 0,025 0,15 560 53 24 1,40 0,50
г 0,020 0,20 550 54 26 1,50 0,75
г 0,025 0,15 560 56 29 1,50 0,80
i титаном; г - те ж з попередньою добавкою 0,01% Са.
Значення межi мiцностi сталей, модифшованих кальцieм i нiтридами титану, збшьшилося в середньому на 15—25%, вщносне подовження зросло на 10—25%, ударна в'язюсть пiдвищилася при юмнатнш температурi вiд 0,9 до 1,4 МДж/м2. Це пояснюеться значним зниженням концен-трацп шкiдливих домiшок у мiжзеренних областях при зменшеннi розмiру кристалiтiв, а пщ-вищення мщносп пов'язане, очевидно, з ефектом дисперсшного змiцнення.
Таким чином, рафiнування металiчного розплаву вiд розчинених у ньому газiв за допомо-гою введення твердо! добавки, яка викликае енергшне скипання розплаву, позитивно познача-еться на модифшуванш сталi модифiкаторами першого i другого роду. Спiльне модифшування сталей кальцiем i тугоплавкими ендогенними включеннями нiтридiв титану призводить до зна-чного здрiбнювання первинних зерен i пiдвищення механiчних властивостей металу.
Висновки
1. В робот встановлений позитивний вплив частково! дегазацп розплаву стат 09Г2С та присадка його твердою добавкою на процес модифшування. Щцвищення кiлькостi твердо! добавки в рщку сталь перед випуском плавки призводить до ютотного збшьшення товщини за-твердiлого шару протягом однакового промiжку часу.
2. Результати мiкроаналiзу показали, що спiльне модифшування сталей 09Г2С та Ст3 ендогенними тугоплавкими включеннями штриду титану сприяли отриманню виключно дрiбного первинного зерна при повному пригшчуванш стовпчасто! структури.
3. Встановлено, що наявнють в складi швидко охолоджено! стат активних компонентiв у виглядi 0,01% кальщю, пiсля присадки твердо! добавки i нiтриду титану значно впливае на по-казники механiчних властивостей деформованих конструкцшних сталей пiсля нормалiзацi!. Значення межi мiцностi збiльшилися в середньому на 15—25%, вщносне подовження зросло на 10—25%, ударна в'язюсть при температурi +20°С тдвищилася на 0,5 МДж/м2.
4. Пiдвищення показниюв механiчних випробувань дослiджуваних сталей може бути отримане при умовi тдтримання стабiльних концентрацiй модифiкуючих елементiв в металл
Список використаних джерел:
1. Лякишев Н.П. Металлургия сплавов кремния, марганца и хрома / Н.П. Лякишев, М.И. Га-сик, В.Я. Дашевский. - М. : Учеба, 2006. - 116 с. - (Металлургия ферросплавов : учебное пособие : в 3-х ч.; Ч. 1).
2. Термическая обработка металлов. Экспериментальные работы : учебное пособие / В.И. Алимов, А.П. Штыхно, М.В. Георгиаду, О.В. Пушкина. - Донецк : Донбасс, 2014. -106 с.
3. Ершов Г.С. Свойства металлургических расплавов и их взаимодействие в сталеплавильных процессах / Г.С. Ершов, Ю.Б.Бычков. - М. : Металлургия, 1983. - 216 с.
4. Лунев В.В. Сера и фосфор в стали / В.В. Лунев, В.В. Аверин. - М. : Металлургия, 1988. -256 с.
5. Рябчиков И.В. Энерго- и ресурсосберегающие технологии получения и применения комплексных сплавов-модификаторов / И.В. Рябчиков, В.П. Грибанов, Н.М. Соловьёв, Р.Г. Ус-манов [Электронный ресурс]. - М. : Сталь. - 2001. - № 1. - С. 34-36. -
Серiя: TexHÏ4HÏ науки ISSN 2225-6733
(http://steelcast.ru/steel modification during bottom pouring).
6. Steel cleanliness improvement through tundish configuration optimizing / P. Kovac [et al.] // Me-talurgija. - 2003. - Vol. 42, №4. - Р. 249-255.
7. Шуб Л.Г. О целесообразности модифицирования стального литья / Л.Г. Шуб, А.Ю. Ахма-деев. - М. : Металлургия машиностроения, 2006. - № 5. - С. 38-41.
8. Рациональная технология модифицирования стали / В. Голубцов, Л. Тихонов, В. Тазетди-нов, А. Воронин, И. Романцов, В. Рощин [Электронный ресурс]. - М. : Национальная металлургия, 2003. - № 3. - С. 96-102. - (http://www.studmed.ru/golubcov-v-tihonov-l-tazetdinov-v-racionalnaya-tehnologiya-modificirovaniya-stali f1a73591bd1.html).
9. Bouquerel J. Mikrostructure-based model for the static mechanical behaviour of multiphase steels / J. Bouquerel, K. Verbtken, B. De Cooman // Acta Materialia. - 2006. - V. 54. - P. 14431456.
10. Влияние модифицирования редкоземельными металлами на механические и коррозионные свойства низколегированных сталей / А.В. Иоффе, Т.В. Тетюева, Т.В. Денисова, А.О. Зырянов [Электронный ресурс] // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. - 2010. - Вып. № 4. - С. 41-46. - (http://cyberleninka.ru/article/n7vliyanie-modifitsirovaniya-redkozemelnymi-metallami-na-mehanicheskie-i-korrozionnye-svoystva-nizkolegirovannyh-staley#ixzz3yp8tOUrg).
Bibliography:
1. Lyakishev N.P. Metallurgy of the alloys of silicon, manganese and chromium / N.P. Lyakishev, M.I. Gasik, V.Y. Dashevskii. - M. : Ucheba, 2006. - 116 p. - (Metallurgy of ferroalloys : schoolbook : in 3 parts; Part 1). (Rus.)
2. Heat treatment of metals. Experimental work: a training manual / V.I. Alimov, A.P. Stehno, M.V. Georgiadou, O.V. Pushkina. - Donetsk : Donbass, 2014. - 106 p. (Rus.)
3. Ershov G.S. Properties of metallurgical melts and their interactions in the steelmaking processes. / G.S. Ershov, Y.B. Bychkov. - M. : Metallurgiya, 1983. - 216 p. (Rus.)
4. Lunev V.V. Sulfur and phosphorus in steel / V.V. Lunev, V.V. Averin. - M. : Metallurgy, 1988. -256 p. (Rus.)
5. Ryabchikov I.V. Energy- and resource-saving technologies of production and application of complex alloys-modifier / V.P. Gribanov, N.M. Solov'yov, R.G. Usmanov [Electronic resource]. -М. : Steel. - 2001. - № 1. - P. 34-36. - (http://steelcast.ru/steel modification during bottom pouring).
6. Steel cleanliness improvement through tundish configuration optimizing / P. Kovac [et al.] // Me-talurgija. - 2003. - Vol. 42, №4. - P. 249-255.
7. Shub L.G. On the feasibility of modifying steel casting / L.G. Shub, A.Y. Akhmadeev. - M. : Metallurgiya mashinostroeniya, 2006. - № 5. - P. 38-41. (Rus.)
8. Rational modification technology of steel / V. Golubtsov, L. Tikhonov, V. Tazetdinov, A. Voronin, I. Romantsov, V. Roschin [Electronic resource]. - M. : Natsional'naya metallurgiya, 2003. - № 3. - P. 96-102. - (http://www.studmed.ru/golubcov-v-tihonov-l-tazetdinov-v-racionalnaya-tehnologiya-modificirovaniya-stali f1a73591bd1.html).
9. Bouquerel J. Mikrostructure-based model for the static mechanical behaviour of multiphase steels / J. Bouquerel, K. Verbtken, B. De Cooman // Acta Materialia. - 2006. - V. 54. - P. 14431456.
10. Effect of modification of rare-earth metals to the mechanical and corrosion properties of low-alloy steels / A.V. Ioffe, T.V. Tetyueva, T.V. Denisova, A.O. Zyryanov [Electronic resource] // Vector of science of Togliatti state University. - 2010. - Issue № 4. - Р. 41-46. -(http://cyberleninka.ru/article/n/vliyanie-modifitsirovaniya-redkozemelnymi-metallami-na-mehanic h eskie-i-korrozionnye-svoystva-nizkolegirovannyh-staley#ixzz3yp8tOUrg).
Рецензент: С.Л. Макуров
д-р техн. наук, проф., ДВНЗ «ПДТУ»
Стаття надшшла 05.05.2016
