CC BY
20
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2008 р. Вип. № 18
УДК.669.154.002.61
Иванов Г.А.1, Скребцов A.M.2, Кузьмин Ю.Д.3, Раханская А.И.4, Тодуркин А.Е.5
УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВА ЛЕГИРОВАНИЯ СТАЛИ ПРИ ВВОДЕ В МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ РАСПЛАВ ДОБАВОК МЕЛКОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ШИХТЫ
В производственных условиях разработана технология, которая при помощи механизмов металлургической структурной наследственности шихты позволяет заметно улучшить физико-механические свойства металлопродукции без каких-либо дополнительных затрат. Разработан метод количественной оценки микроструктуры стали ферритно-перлитного класса с применением компьютерной техники.
Давно известно влияние природы шихты при выплавке металла на качество готовой металлопродукции [1]. Суть этого способа заключается в следующем. Например, исходная шихта плавки обладает определенной структурой металла, - (мелкокристаллической, крупнокристаллической или промежуточной и т.п.). После ее расплавления и не слишком высокого перегрева над линией ликвидуса затвердевший металл приобретает исходную структуру шихты (явление «наследственности») [2, 3]. Однако, в литературе известны также пока не полностью объяснимые, случаи «отрицательной» наследственности, когда исходная мелкокристаллическая шихта приводит к крупному зерну в отливке и наоборот [4].
Наследственностью шихты в разное время занимались многие ученые, - Ю.А. Нехензи, Н.Г. Гиршович, В.И. Никитин и др [1, 2].
Исследователей и производственников интересуют вопросы механизма передачи свойств в цепи: исходная шихта - расплав - готовая металлопродукция [2, 3]. Кроме этого, часто, в производстве, при исходной крупнокристаллической шихте структуру готовой металлопродукции улучшают путем ввода в расплав перед выпуском его из плавильной печи небольших добавок специально изготовленной мелкокристаллической шихты (по терминологии Б.Ф. Трахтен-берга «модификаторы III рода») [1].
В производстве при легировании металла во время его плавки часто используют чушки лигатур с традиционной крупнокристаллической структурой [5]; последнее может привести к наследственно крупному зерну в отливке. Для его измельчения существуют различные способы, например, термическая обработка отливок, ввод в расплавленный металл, перед выпуском, некоторого количества мелкокристаллической шихты и т.д. Поэтому в работе [3] среди других была сформулирована актуальная задача по «определению оптимальных доз мелкокристаллических модификаторов» [1], которые бы обеспечили образование мелкого зерна в отливке.
В работе [6] отмечается, что «чем мельче зерно, тем лучше механические свойства металлов и сплавов, больше предел упругости, предел прочности и ударная вязкость».
В настоящей работе была поставлена задача, - на примере выплавки одной из марок стали 20ГЛ (ГОСТ 917-88) изучить влияние малой добавки мелкокристаллической шихты в расплав на улучшение качества легированной стали.
ПГТУ. аспирант
2ПГТУ, д-р техн. наук, проф.
3ОАО «МЗТМ» инж.
4ОАО «МЗТМ» инж.
5ОАО «МЗТМ» инж.
Описание методики опытно-промышленных плавок
Опыты по выплавке стали 20ГЛ провели в дуговой сталеплавильной печи ДСП-3 с основной футеровкой и массой садки 5 т. Перед каждой плавкой откосы заправляли доломитовой крошкой. В качестве шихты использовали отходы собственного производства в виде высечки листового проката, литников, прибылей, фрагментов отработавшего оборудования, а также стружки. Соотношение долей проката и литья в шихте составляло преимущественно 3:1.
В конце плавки в ее восстановительный период в два, три приема наводили и скачивали шлак для уменьшения содержания серы и фосфора в металле. За 5 - 7 минут до выпуска металла из печи, на основании данных химического анализа, для легирования металла в ванну вводили расчетное количество ферромарганца и, в случае необходимости, ферросилиция. Известно, что ферросплавы, как правило, имеют крупнокристаллическую структуру и не способствуют измельчению зерна в отливке.
С целью улучшения микроструктуры металла в соответствии с изобретением [7], за 10 -15 минут перед выпуском металла из печи, в расплав вводили 0,5 % мелкокристаллической деформированной шихты в виде проката конструкционной листовой стали толщиной 10-20 мм.
Разливку металла производили из пятитонного стопорного ковша со стаканчиком диаметром 50 мм. Ковш разогревали до температуры 600 - 700 °С. На дно ковша загружали А1 и БеТл для раскисления металла.
Температуру металла контролировали погружной одноразовой 1111 термопарой. При температуре 1640 - 1660 С металл выпускали в ковш. Перед началом его разливки проводили еще одно измерение температуры, к этому времени она снижалась примерно на 10 градусов. В середине заливки от струи из стопорного отверстия отбирали пробу для анализа на химический состав металла, затем заливали трефовидные пробы и продолжали разливку.
Все предыдущие и последующие действия персонала цеха при выплавке как опытных, так и серийных плавках ничем не отличались. При этом отливали дополнительную трефовид-ную пробу для изготовления микрошлифов.
Таблица - Результаты механических испытаний пятикратных образцов вырезанных из трефовидных проб стали 20ГЛ.
Опытные плавки Обычные плавки
Код плавки Предел текучести, отМПа Предел прочности, овМПа Относительное удлинение, 5% Относительное сужение, \|/% Ударная вязкость, Дж/см2 Код плавки Предел текучести, отМПа Предел прочности, овМПа Относительное удлинение, 5% Относительное сужение, \|/% Ударная вязкость, Дж/см2
1 310 540 28 67 79 7 355 580 22,0 46,0 57
2 320 540 31 49 101 8 335 570 20,0 64,0 57
3 340 540 24 64 74 9 385 600 22,0 44,0 65
4 320 540 28 58 91 10 355 600 25,0 59,0 82
5 310 540 28 67 79 11 310 520 23,0 40,0 40
6 350 580 25 48 75 12 330 580 23,0 58,0 55
ГОСТ 977-88 275 540 18 25 50
М 325 547 27 59 83 М 345 575 23 52 59
а 1350 1333 31 375 565 а 3350 4350 14 473 949
4о 6,1 6,1 0,9 3,2 4,0 4о 9,6 11,0 0,6 3,6 5Д
Обработка и анализ результатов экспериментов
Механические испытания проводили в заводской лаборатории по методике в соответствии с ГОСТ 977-88. Результаты испытаний приведены в таблице.
В столбцах 1-6 представлены данные по механическим испытаниям металла плавок проведенных по обычной технологии с внесенными нами некоторыми изменениями, столбцы 7 -12 содержат аналогичную информацию по механическим испытаниям обычных плавок на той же печи.
Математическая обработка результатов включает в себя вычисление математического ожидания М, и среднеквадратического отклонения от математического ожидания л/ст = д/^, (М - Х1) , а также промежуточную величину о = ^ (М - Х1), характеризующую
суммарное отклонение результатов измерений от математического ожидания по каждому столбцу.
Анализируя результаты таблицы, можно утверждать, что характер изменения величин свойств металла - уменьшение статических и увеличение ударной вязкости соответствует измельчению микроструктуры.
Кроме величины зерна, такое влияние могло оказать выпадение дисперсных фаз, отсутствие флокенов и другие причины. Мы выполнили металлографический анализ для установления причины увеличения ударной вязкости.
Образцы для изучения микроструктуры изготовляли на осевых шлифах малых трефовид-ных проб, дополнительно отлитых при проведении экспериментальных плавок. Травление осуществляли в 5 % водном растворе фторводорода. Фотографировали шлифы на металлографическом микроскопе МИМ-1 при увеличении хЮО. Результаты представлены на рис. 1.
Макрошлифы вырезали таким же самым образом и проводили горячее травление в 30 % водном растворе соляной кислоты.
Сталь 20ГЛ является низколегированной конструкционной сталью ферритно-перлитного класса. На рис. 1 светлые области - феррит, а темные - перлит.
а б в
Рис. 1 - Микроструктура стали 20ГЛ при увеличении 100х:
а) литой без ввода мелкокристаллической деформированной шихты;
б) литой с вводом шихты;
в) микроструктура ферромарганца вводимого в качестве лигатуры.
Из рис. 1 видно подобие между микроструктурой литого образца без ввода мелкокристаллических модификаторов (а) и пробой ферромарганца (в), вводимого за 5 - 10 минут перед выпуском металла в ковш. Темной фазой на фотографиях микроструктуры стали 20ГЛ является перлит, а у ферромарганца - раствор марганца в железе. В тоже время у фотографий (а) и (в) по сравнению с фотографией (б) видно качественное отличие - структура раздроблена, протяжен-
ность структурных элементов существенно увеличилась, а подобие со структурой ферромар-
При анализе фотографий V*[£ макроструктуры, представленных
•/'мЯЯм&С мИ На 'ЗИС' обнаружили повышение ■НВ^НН ЮЦвТЯНН^НШ ее плотности. Образец
* ^ ?- уЛк,' Э| чШМ микрокристаллического модифи-
1 ; катора (Б) характеризуется более
^ V'тонкими дендритами и большим ^льЧ1?''* -Т^Г * их количеством- Они имеют бо-
Й^У^Х/^4* лее правильную форму и, что
У1 * - «Вш**^** ос°б° важно, металл центральной
1 гГ,>"ПиГ " * И 'ЙВ¿»V* ЯИт-^ области трефовидной пробы ме-
д^ нее рыхлый. В то же время на
фотографии (А) оси и ветви ден-дритов гораздо толще, кристаллы в центральной области трефы размазаны.
Микроструктуру рис. 1, с помощью компьютерной техники, обработали следующим образом. Использовали метод параллельных случайных секущих в комбинации с линейным методом С.А. Салтыкова |9|. На рис. 3 представлена гистограмма доли случайных секущих (%) от общего числа их пересечений с перлитной фазой в зависимости от ее ширины в элементах структуры для стали 20ГЛ (см. рис. 1).
Метод модифицирован нами в связи со спецификой применения компьютерной техники - случайные секущие заменены линиями растра. Фотографии микроструктур заносились в память ЭВМ, программа сканирует растр в декартовой системе координатах и фиксирует в массиве, организованном в памяти компьютера, длины сечений перлитной фазы у 20ГЛ, а у ферромарганца - раствора марганца в железе. Результаты представлены как табличная функция процента сечений каждого линейного размера структуры и общего количества сечений в зависимости от
5Б 80 Z,ira
Рис. 3 - Гистограммы доли случайных секущих (%) от общего числа пересечений с перлитной фазой в зависимости от ее ширины на образцах стали 20ГЛ (см. рис. 2) по их ширине:
1 (♦) - 20ГЛ без ввода модификатора;
2 (х) - Ферромарганец;
3 (А) - 20ГЛ с вводом модификатора.
линеиных размеров элемента строения металла (перлита). Окончательно результаты обрабатывались с помощью табличного процессора
Рис. 2 - Макроструктура стали 20ГЛ (увеличение 10х) выплавленной по опытной технологии (А) и по обычной (Б).
Microsoft Excel, в котором построили упомянутое выше распределение (рис. 3). По вертикали отложены количества сечений, а по горизонтали их линейный размер. Этот график наглядно иллюстрирует разницу между микроструктурами образцов. Чем больше значения величин в левой части графика, тем больше мелких элементов микроструктуры и тем выше балл зерна. Выше всех кривых на гистограмме в области тонких сечений перлита (30 - 105 мкм) расположена кривая для стали 20ГЛ (линия 3), выплавленная по опытной технологии. Среднее положение на гистограмме занимает линия 1 для ферромарганца, его структуру наследует сталь как опытных так и обычных плавок.
Вывод
Разработанная опытная технология выплавки стали 20ГЛ с добавкой мелкокристаллической шихты в жидкий расплав перед выпуском его из печи приводит к улучшению микро- и макроструктуры металла, а также его механических свойств, особенно ударной вязкости, которая повысилась с 59 до 83 Дж/см .
Перечень ссылок
1. Трахтенберг Б.Ф. Физическая модель «наследственности» по схеме модифицирования второго рода /Б.Ф. Трахтенберг, В.И. Крестъянов II Литейное производство. - 1999. - № 1 -С. 16- 17.
2. Никитин В.И. Наследственность и технологии генной инженерии в литых сплавах /
B.И. Никитин II Литейное производство. -2002. -№ 10. - С. 8 - 10.
3. Никитин В.И. Перспективы технологии генной инженерии в сплавах / В.И. Никитин II Литейное производство. - 1999. - № 1. - С. 5 - 9.
4. Гаврилин И.В. Что дают исследования строения жидких сплавов для практики литья? / И.В. Гаврилин II Литейное производство. - 1988. - № 9. - С. 3 - 4.
5. Кандалова Е.Г. Критерии качества модифицирующей лигатуры на основе алюминия / Е.Г. Кандалова, В.И. Никитин, А.Г. Тюкилин II Литейное производство. - 1999. - № 1. -
C. 25 -27.
6. Мальцев М.В. Модифицирование структуры металлов и сплавов I М.В. Мальцев - М.: Металлургия, 1964. - 214 с.
7. Патент 78938 Украша С22С 1/03. Cnoci6 легування металу / О.М. Скребцов, Г.О. 1ванов, Д.1. Петренко. Ю.Д. Кузьмт, О.О. Секачов, В.М. Бтоконь, В.В. Буз1вський.
8. Скребцов A.M. Разные представления авторов об разупорядочении кластеров металлического расплава / A.M. Скребцов II Процессы литья. - 2005. - № 3. - С. 3 - 10.
9. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография / С.А. Салтыков - М.: Металлургия, 1976.-238 с.
Рецензент: А.В. Остроушко канд. техн. наук, проф., ПГТУ
Статья поступила 29.02.2008
