Влияние серы, кальция, алюминия на пластические свойства металла Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ского расширения сплава в закристаллизованном состоянии и позволяют ему выдержать большие температурные перепады.

Таким образом, кристаллизация отливки из стеклообразного состояния не всегда приводит к повышению эксплуатационных свойств, что видно из результатов экспериментов. Такая термообработка существенно повлияла только на износостойкость, остальные свойства остались на том же уровне. Поэтому кристаллизация «снизу» целесообразна при получении износостойких отливок. В других более выгодно провести кристаллизацию в форме.

Список литературы

1. Чернов В.П., Карпов В.М. Основы получения отливок из оксидных расплавов: монография. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008. 262 с.

2. Абразивная износостойкость литых сталей и чугунов / В.М. Колокольцев, В.В. Бахметьев, К.Н. Вдовин и др. М.: Наука, 1997. 148 с.

3. Новые неметаллические материалы для износостойких деталей / В.М. Колокольцев, В.П. Чернов, В.А. Куц, А.П. Коток // Прогрессивные технологии в машиностроении: материалы ме-ждунар. науч.-техн. конф. Одесса, 2000. С. 46 - 47.

УДК 669.046.54

К.Н. Вдовин, Н.А. Феоктистов

ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

ВЛИЯНИЕ СЕРЫ, КАЛЬЦИЯ, АЛЮМИНИЯ НА ПЛАСТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛА

В настоящее время в ОАО «ММК» производится свыше одного миллиона тонн стали ежегодно. Результатом таких объёмов производства является большое количество отходов, получаемых в процессе сталеварения. Одним из типов отходов является шлак,

© Вдовин К.Н., Феоктистов Н.А., 2010

который транспортируется от плавильных агрегатов к отвалам при помощи шлаковых чаш.

Стойкость шлаковых чаш имеет практический интерес для электросталеплавильного, кислородно-конвертерного и доменного цехов ОАО «ММК». Наибольшей стойкостью обладают чаши, для которых характерны повышенные значения ударной вязкости и предела текучести металла, из которого они изготавливаются [1].

На ударную вязкость и предел текучести оказывают влияние такие факторы, как содержание серы в готовом металле, наличие неметаллических включений, их дисперсность и количество, присутствие легирующих элементов в металле и др.

Сера оказывает отрицательное влияние на данные свойства. Негативное влияние серы проявляется в том, что она практически не растворяется в у^е. При этом образуется FeS, входящий в эвтектику у + FeS. Эвтектика в процессе кристаллизации стали располагается по границам зёрен и при наличии напряжений способствует межзёренному разрушению, а также снижению ударной вязкости и предела текучести.

Для определения влияния серы на механические свойства был проведён анализ 100 плавок стали 25Л, из которой заливались чаши. Из этого массива были выбраны наиболее близкие по химическому составу плавки. Во всех случаях содержание углерода по расплавлению было 0,95±0,06, серы 0,022±0,002, кремния 0,07±0,04, марганца 0,26±0,07. Содержание других элементов по расплавлению и в ковше было приблизительно на одном уровне. Далее была рассчитана величина изменения серы в процессе плавки (ДS, %) и построена зависимость влияния степени десуль-фурации на предел текучести и ударную вязкость (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость предела текучести от степени десульфурации

Из представленной зависимости видно, что увеличение степени удаления серы из металла способствует повышению механических свойств. Аналогичная зависимость характерна для ударной вязкости.

Одним из способов десульфурации жидкого металла является обработка его материалами с высоким сродством к сере (Мп, Са). Общеизвестно, что марганец активно взаимодействует с серой, но из-за высокого значения энергии Гиббса при температурах сталеварения образование MnS происходит в заметной степени лишь в процессе затвердевания стали. В начальный момент обработки металла кальцийсодержащими материалами возможны две реакции: между кальцием и кислородом, а также между кальцием и серой. В интервале температур 1500-17000С значение энергии Гиббса СаО в несколько раз меньше, чем у СаS [2]. Поэтому кальций в первую очередь расходуется на связывание кислорода, а лишь затем серы.

Таким образом, для более глубокой десульфурации стали кальцийсодержащими материалами необходимо изначально связать кислород, растворённый в металле. Часто для раскисления стали используется алюминий. Следовательно, степень десульфурации и соответственно величина пластических свойств зависит от алюминия, содержащегося в металле. По мнению Ю.А. Шульте [2], оптимальное значение пластичности стали соответствует содержанию в ней общего алюминия 0,03-0,06%, что хорошо сочетается с зависимостями, представленными на рис. 2, 3.

и 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08

к2 0,6842 Содержание А1, %

Рис. 2. Зависимость предела текучести от содержания остаточного алюминия в металле

Рис. 3. Зависимость ударной вязкости от содержания остаточного алюминия в металле

При содержании в жидком металле остаточного алюминия не менее 0,03% наблюдается равновесная концентрация кислорода менее 0,001%. Следовательно, при наиболее оптимальной концентрации алюминия, с точки зрения раскисления металла, будет наблюдаться более высокая степень десульфурации стали каль-цийсодержащими материалами.

Падение ударной вязкости и предала текучести при содержании алюминия менее 0,03% связано с присутствием плёнок сульфидных эвтектик, располагающихся по границам зёрен. В этом случае обработка сплава кальцийсодержащими материалами малоэффективна, так как значительная часть кальция расходуется на раскисление.

При концентрации алюминия в металле свыше 0,05%, что часто наблюдается в производственных условиях, практически единственной равновесной фазой является корунд (А12Оз) [3]. Частицы корунда имеют остроугольную форму и являются концентраторами напряжений, что приводит к снижению механических свойств. Кроме того, при такой концентрации алюминия наблюдается образование плёночных нитридов алюминия по границам зёрен [4].

Устранение отрицательного влияния корунда возможно при помощи его модифицирования кальцием, что будет играть ключевую роль в воздействии на механические свойства. Протекание процесса модифицирования возможно по двум вариантам. В случае повышенного содержания серы в металле (>0,020) модифицирование включений корунда затруднено из-за обволакивания алю-

минатных включений слоем CaS. За счёт ввода кальция достигается образование глобулярных включений. Наличие таких включений мене губительно по сравнению с остроугольными, и, несмотря на их присутствие в готовом металле, происходит повышение механических свойств [4].

Также возможен вариант образования жидких включений СаО^!^ и частичное удаление их из жидкой стали в шлак. Наиболее широкий температурный интервал существования жидких алюминатных включений обеспечивается при их составе, близком к ^СаО^А^^ Согласно диаграмме состояния Са0-Al203 [3] это соединение имеет минимальную температуру плавления (Тпл= 1455 0С). Следует отметить, что для образования жидких включений, при содержании алюминия в металле 0,03-0,07, концентрация серы должна быть в равновесии с ^СаО^А!^ при определённом остаточном содержании Са в металле.

Согласно данным, предоставленных источником [3], который, в свою очередь, ссылается на разработанную в IRSID модель равновесия в системе Fe-Ca-Al-O-S, для образования жидких включений необходимо остаточное содержание кальция 0,001% при содержании серы в стали порядка 0,015-0,020%. Следуя данным полученной модели, при содержании алюминия в стали в интервале 0,03-0,05, отношение остаточного кальция к алюминию будет в пределах 0,02-0,03.

Анализируя химический состав сталей, из которых заливались чаши, было найдено отношение остаточного кальция в металле к алюминию и построена зависимость влияния этого отношения на предел текучести и ударную вязкость стали (рис. 4, 5).

Рис. 4. Влияние отношения кальция к алюминию на предел текучести стали 25Л

О 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06

R2 0 7932 Отношение С а/AI

Рис. 5. Влияние отношения кальция к алюминию на ударную вязкость стали 25Л

Из представленных зависимостей видно, что точка экстремума ударной вязкости и предела текучести находится при отношении остаточного кальция к алюминию в пределах 0,02-0,03, что хорошо согласуется с данными источника [3]. Содержание серы во всех плавках было в интервале 0,015-0,020%. Вероятнее всего, что при таком соотношении происходит образование жидких алюминатов кальция, которые более интенсивно, по сравнению с глобулярными включениями, переходят в шлак.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что состав включений, равновесный с жидкой сталью при различных температурах, а также остаточное содержание кальция при определённом содержании алюминия и серы в металле имеют значительное влияние на механические свойства металла. Следовательно, уточнение закономерностей, определяющих процесс десульфура-ции и раскисления стали, а также глубину модифицирования включений, представляет практический интерес для разработки и совершенствования технологических рекомендаций, регламентирующих режим ввода кальция.

Список литературы

1. Вдовин К.Н., Феоктистов Н.А. Стойкость шлаковых чаш в условиях ОАО «ММК» //Литейное производство сегодня и завтра: тр. 8-й Всерос. науч.-практ. конф. СПб. Политех. ун-т, 2010. 416 с.

2. Голубцов В.А., Лунёв В.В. Модифицирование стали для отливок и слитков. Челябинск; Запорожье: ЗНТУ, 2009. 356 с.

3. Моделирование современных процессов внепечной обработки и непрерывной разливки стали / Исаев О.Б., Чичкарёв Е.А., Кислица В.В. и др. М.: ЗАО «Металлургиздат», 2008. 376 с.

4. Козлов Л.Я., Колокольцев В.М., Вдовин К.Н. Производство стальных отливок. М.: МИСиС, 2005. 352 с.

УДК 621.746.46 Е.А. Чернышов

ГОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им.Р.Е.Алексеева» А.А. Евлампиев, А.В. Королев

ГОУ ВПО «Чувашский государственный университет»

УНИФИКАЦИЯ ФОРМЫ И РАЗМЕРОВ ПРИБЫЛЕЙ

В реальном многономенклатурном литейном производстве при изготовлении среднего литья для организации гарантированного питания сложной отливки могут применяться одновременно почти все типы и размеры прибылей. При этом на каждую отливку обычно разрабатывают прибыли с индивидуальными размерами и конфигурацией. Это усложняет работу модельного цеха, удорожает модельную оснастку, снижает эффективность работы конструкторов и технологов, а также мешает четкой организации модельного и литейного производств.

Ранее было сделано несколько попыток применения при производстве стальных отливок унифицированных прибылей, но снижение затрат было достигнуто в основном за счёт экономии материалов при изготовлении модельной оснастки [1-3]. В современных условиях можно получить дополнительный эффект за счёт экономии металла на прибыли (без снижения ее питающей способности), а также сокращения сроков подготовки производства и снижения затрат на финишные операции. Этого можно добиться, используя для повышения эффективности работы прибылей теплоизолирующие и зкзотермические смеси в виде оболочек и вкладышей.

© Чернышов Е.А., Евлампиев А.А., Королев А.В., 2010