Влияние обработки расплава модификаторами- раскислителями на неметаллические включения в кремнемарганцовистой стали Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 669.14:543

Д-р техн. наук О. М. Шаповалова, А. В. Калинин Национальный университет, г. Днепропетровск

ВЛИЯНИЕ ОБРАБОТКИ РАСПЛАВА МОДИФИКАТОРАМИ-РАСКИСЛИТЕЛЯМИ НА НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ВКЛЮЧЕНИЯ В КРЕМНЕМАРГАНЦОВИСТОЙ СТАЛИ

Исследованы неметаллические включения в исходной и модифицированной стали 17Г1С в литом и деформированном состоянии. Микроструктурно определена морфология сульфидных включений и проведен их микрорентгеноспектральный анализ. Рассчитано объемное содержание включений до и после модифицирования.

Введение

Вопросы образования и распределения неметаллических включений представляют научный и практический интерес, поскольку они тесно связаны с составом стали, технологией выплавки и условиями кристаллизации. Сульфидные и нитридные включения резко влияют на технологические, механические и служебные свойства стали. В связи с производством всё более крупных слитков, при их кристаллизации образуются крупные включения и их скопления в ликваци-онных зонах [1, 2]. В деформированном металле они приобретают вид тонких нитей или пластин, что понижает свойства образцов в продольном и поперечном направлениях деформации. Поэтому вопрос о возможности воздействия на форму неметаллических включений в деформированной стали приобретает особую важность.

Повлиять на природу и форму включений в литой и деформированной стали можно, используя такие модификаторы, как 2г, Р3М. Однако это дорогостоящие способы воздействия; технология же модифицирования РЗМ разработана для малосернистых сталей (< 0,15 %Б). При модифицировании 2г образуется кар-босульфидная эвтектика, которая способствует после затвердевания образованию макро- и микротрещин в слитке [3].

Целью данной работы являлось установление влияния обработки модифицирующими добавками на количество и состав неметаллических включений в стали 17Г1С.

Материал и методика исследования

Материалом исследования служила литая и деформированная низколегированная сталь 17Г1С, широко применяемая в машиностроении для изготовления крупногабаритных изделий, строительных конструкций ответственного назначения, а также для газопроводных труб большого диаметра.

Химический состав стали 17Г1С приведен в табл.1.

Таблица 1 - Химический состав стали 17Г1С

Я Содержание элементов, % мас.

н о

С 81 Мп Си N1 Сг 8 Р

(Й

о 0,18 0,40 1,15 0,30 0,30 0,25 0,04 0,03

Опытно-промышленные плавки стали 17Г1С проводили в индукционной печи марки ИСТ-0,15 с контролем температуры "-Мо-термопарой погружения с точностью ±10 °С. Раскисление проводили порошкообразным силикокальцием. Температура выпуска из печи 1650 °С.

Внепечное модифицирование проводили в разливочном ковше, на дно которого перед заливкой подавали брикеты комплексного модификатора-рас-кислителя в количестве 0,2.. .0,5 % от массы расплава [4], содержащего отходы Т1, А1, Mg, Са. Полученные отливки проковывали на прутки размерами 20x20x1200 мм. После термической обработки (нормализация при 880 °С) от литого и деформированного металла отбирали пробы для химического анализа и вырезали образцы для механических испытаний. Определение содержания неметаллических включений проводили металлографическим методом с использованием компьютерной программы обработки экспериментальных данных.

Исследование структуры и фазового состава неметаллических включений в стали 17Г1С до и после модифицирования проводили на растровом электронном микроскопе 18М-6360ЬА с системой для проведения микрорентгеноспектрального анализа.

© О. М. Шаповалова, А. В. Калинин 2006 р.

38

КОНСТРУКЦ1ЙН1 I ФУНКЦЮНАЛЬН! МАТЕР1АЛИ

Анализ полученных результатов

В исходной литой стали 17Г1С основным видом неметаллических включений являются сульфиды и окси-сульфиды марганца, на их долю приходится 85... 90 % всех включений. Сульфиды выделяются в различных морфологических видах: глобулярные (35.. .45 % от общего количества), плёночные (25.30%) и огранённые (30.40 %) по данным [3]. Глобулярные сульфиды выделяются в начале кристаллизации. В затвердевшей стали они находятся произвольно, неупорядоченно: могут находиться как внутри, так и на периферии дендритных ветвей.

Плёночные сульфиды формируются из последних порций жидкости в результате реакции: Ж ^ А + Мп8, располагаясь по границам дендритных ветвей в виде цепочек мелких включений, скоплений и плёнок. Такая форма и расположение включений неблагоприят-

но влияет на механические свойства стали, особенно на пластичность и ударную вязкость. Огранённые суль -фиды выделяются из жидкой стали при кристаллизации и располагаются неупорядоченно.

Содержание Мп, 8, Бе, 81, и О2 в глобулярных, плёночных и огранённых включениях сульфида марганца приведено на рис. 1. Глобулярные и огранённые сульфиды состоят на 92.95 % из Мп и 8 при соотношении Мп: 8 = 1,7...1,8; остальное - Бе. Глобуляр -ные сульфиды, кроме Мп и 8 содержат до 0,4 % 81 и 3,5.4,5 % 02; их можно отнести к оксисульфидным включениям.

При модифицировании количество неметаллических включений в стали 17Г1С уменьшается в 2,0...2,2 раза как в литом, так и в кованом состояниях (табл. 2). Значения дисперсии, среднеквадратичного отклонения и коэффициента вариации, характеризующие рассеивание, в модифицированной стали уменьшились.

Таблица 2 - Количество неметаллических включений в стали 17Г1С в литом и кованом состояниях

Состояние стали Количество НВ, % объемн.

ii i2 i3 i4 i5 i6 i

Литая немодифицированная 0,026 0,029 0,021 0,032 0,030 0,032 0,028

модифицированная 0,012 0,014 0,014 0,013 0,012 0,014 0,013

Кованая немодифицированная 0,035 0,032 0,041 0,043 0,030 0,031 0,035

модифицированная 0,015 0,018 0,016 0,018 0,019 0,017 0,017

а б в

х 3200

замер 013 замер 012 замер 010

80 s 60 я 40

I 20 0

Рис. 1. Содержание Mn, S, Fe и O в пленочных (а), ограненных (б) и глобулярных (в) неметаллических включениях

в немодифицированной стали 17Г1С

ISSN 1607-6885 Hoei матерiали i технологи в металургИ та машинобудувант №2, 2006 39

// > / / 1 //

У § \\

-

Mn S Fe О Мп S Fe О Мп S Fe О Химический элемент

Модифицирование оказывает положительное влияние на размеры и форму неметаллических включений, снижая размер включений с 4-5 до 1-2 баллов (ГОСТ 1778-80).

В модифицированной стали 17Г1С количество ограненных и особенно пленочных сульфидов марганца значительно уменьшается, сульфиды (Мп,Бе)8 измельчаются и имеют более сложный химический состав (рис. 2). Как видно из рисунка, кроме марганца, железа и серы, включения дополнительно содержат титан, алюминий, кремний, кислород, что является следствием обработки стали модификаторм-раскислителем.

Отличительной особенностью модифицированной стали является появление в структуре нитридов титана, которые находятся как самостоятельная фаза, так и в виде сложного двойного включения с сульфидом марганца (рис. 3).

При деформации глобулярные включения приобретают форму эллипсов и овалов, ограненные включения вытягиваются в строчки. Знание формы и фазового состава включений позволяет прогнозировать качество стали, в том числе деформируемость, и оценивать их влияние на механические характеристики стальных заготовок: анизотропию свойств, пластичность и вязкость.

х 1200

« s

о s X

M

*

&

t) g

U

замер 010

замер 012

60 40 20 0

i /

\

— 1111Г fTfi Ы i

1

1

Mn Fe S Ti Si Al О

Mn S Fe Si Ti Al О

Химический элемент

Рис. 2. Содержание Мп, Б, Ре, Т1, Б1, А1 и О в глобулярном (а) и ограненном (б) неметаллических включениях в модифицированной стали 17Г1С

100 80

х 1800 замер 010 замер 011

tf 60 Е

I 40

S

О. g 20 о

V 0

1

ш

Мп Б Ре О И N Ре А1 Химический элемент

Рис. 3. Содержание элементов в двойном неметаллическом включении (Мп,Ре)Б + Т1Ы в модифицированной стали 17Г1С

Заключение

Исследованы количество, форма и химический состав неметаллических включений в исходной и обработанной модификаторами-раскислителями стали 17Г1С в литом и деформированном состояниях.

Установлено, что модифицирование в 2,0...2,2 раза снижает количество неметаллических включений и увеличивает их дисперсность. В модифицированной стали появляются нитриды титана, а сульфиды марганца имеют более сложный химический состав с наличием в них титана, алюминия, кремния.

Список литературы

1. Лунев В.В., Аверин В.В. Сера и фосфор в стали. - М.: Металлургия, 1988. - 246 с.

2. Гольдштейн Я.Е., Мизин В.Г. Модифицирование и микролегирование чугуна и стали. - М.: Металлургия, 1986. -272 с.

3. Ицкович Г.М. Раскисление стали и модифицирование неметаллических включений. - М.: Металлургия, 1981. -277 с.

4. Декларацшний патент 53197А Украши, МК1 С22С35/00. Комплексний розкислювач для обробки сталей 1 сплавiв та споаб його одержання / О.М. Шаповалова, О.В. Шаповалов, О.В. Калшш. Опубл. в 2003р., бюл. №1.

Одержано 11.10.2006

Досл1джет неметалевi включения у вих1дн1й та модифжоватй стал! 17Г1С у литому та деформованому стат. М!кроструктурно визначено морфологт сульф!дних включень та проведено ïx мжрорентгеноспектральний анст1з. Розраховано об 'емний вм!ст включень до i тсля модиф!кування.

The nonmetallic inclusions in basic and modified steel 17riC as cast and deformed state were studied. The morphology of sulphide inclusions was microstructionally defined and their micro x-ray spectral analysis was made. The volume content of inclusions before and after modification was counted.

б

а