CC BY
41
Таблица 2
Глубина расположения подкорковых пузырей Ь в образцах из стали 30ХМЛ
Номер образца Глубина распо -ложен ия пузырей h, мм Номер образца Глубина располо-жения пузырей h, мм
1-1 До 5,0 2-1 До 7,5
1-2 - 2-2 До 6,5
1-З - 2-З До 6,5
1-4 - 2-4 До З,0
Таблица З
Номер Предел Предел Относи - Относи- Ударная вяз-
образца прочности, текучести тельное тельное кость КСи при -
МПа МПа удлинение, сужение, 60°С, МДж/м2
% %
1-1 - - - - 0,285
1-2 670 452 21,2 57,5 0,З90
1-З 67З 454 24,4 51,7 0,510
1-4 68З 461 2З,2 48,7 0,580
2-1 - - - - 0,915
2-2 - - - - 0,740
2-З - - - - 0,920
2-4 - - - - 0,985
Примечание. Отсутствие данных свидетельствует о том, что образцы изготовить не удалось вследствие наличия большого количества подкорковых пузырей.
Результаты анализа неметаллических включений и макроструктуры показали, что раскисление алюминием в количестве 0,01% приводит к формированию сульфидных включений I типа - глобулярных, дезориентированно расположенных в металлической матрице. Этот факт в сочетании с наличием подкорковых пузырей в образце 1-1 свидетельствует о недостаточном количестве алюминия для эффективного раскисления стали.
Наиболее неблагоприятные включения II типа, расположенные в виде цепочек по границам зерен, наблюдаются в образцах 1-2; сталь в этом случае хорошо раскислена (отсутствуют подкорковые пузыри), но содержит мало избыточного алюминия. В образцах 1-3 и 1-4 наблюдается остроугольные включения III типа. Их формирование обусловлено увеличением концентрации алюминия в металле.
Добавки силикокальция СК25 в количестве 0,15 -0,30% обеспечивают формирование сульфидных включений I типа. Макроанализом установлено, что добавка уже 0,05% Al устраняет появление подкорковых пузырей, в то время как добавки даже 0,3% силикокальция СК25 не позволяет полностью их устранить.
Результаты испытания механических свойств образцов, изготовленных из клиновых проб серий 1 и 2, приведены в табл.3.
На рис. 2 показано влияние типа и количества рас-кислителя на изменение ударной вязкости образцов, определенной при отрицательной температуре - 600С.
Сравнение серий 1 и 2 показало, что раскисление стали 30ХМЛ силикокальцием СК25 позволяет получить значительно более высокую (в 1,5 - 1,8 раза) ударную вязкость образцов, определенную при отрицательной температуре, чем при раскислении алюминием.
1,5
"я
и M
0,5
0 0,01 0,05 0,10 0,15 020 0,25
Количество раскнсгшгсля, Чо Рис. 2. Влияние типа и количества раскислителя на ударную вязкость стали при отрицательной температуре: 1 -раскисление алюминием; 2 - раскисление силикокальцием
Введение в сталь 30ХМЛ силикокальция без предварительного раскисления алюминием нецелесообразно, поскольку не позволяет устранить подкорковые пузыри. Результаты анализа показали, что оптимальная присадка алюминия для раскисления стали 30ХМЛ составляет 0,05 - 0,10% по массе, при этом количество остаточного алюминия равняется 0,04 - 0,08%.
Список литературы
1. Предеин С.Н., Филамонов В.В. Теория и расчеты металлических
систем и процессов: Учебное пособие. - М.: МИСИС, 2002. - 33с.
УДК 621.745.43
А.В. Афонаскин, В.И. Дудоров, Т.А. Дудорова Курганский государственный университет М.В. Быстров
УралНИТИ, г. Екатеринбург
ВЫБОР СОСТАВА МОДИФИЦИРУЮЩЕГО СПЛАВА (ЛИГАТУРЫ) ДЛЯ ОТЛИВОК ИЗ СТАЛИ И ЧУГУНА
Аннотация
Рассмотрена термодинамика и кинетика образования нитридных включений в жидких расплавах. Показано, что нитридные включения могут оказывать модифицирующий эффект, благодаря тому, что они являются гетерогенными центрами кристаллизации расплава. Для увеличения количества таких центров, необходимо повысить концентрацию азота в металле и путем введения титана создать необходимые условия для их образования.
Ключевые слова: азот, центры кристаллизации, азотирует, включения.
A.V. Afonaskin, V.I. Dudorov, T.A. Dudorova Kurgan State University M.V. Bystrov
Ural Research Technical Institute, Yekaterinburg
COMPOSION CHOICE FOR MODIFYING ALLOYING COMPOSITION IN STEEL AND CAST-IRON MOULDING
Annotation
It is examined thermodynamics and kinetics of formation of nitrides inclusions in fluidic melts. It is shown that nitrides inclusions can exert modifying effect because they are heterogeneous centers of crystallization of a melt. For increase in quantity of such centers it is necessary to increase concentration of nitrogen in a metal and by introduction of titanium to create necessary conditions for their formation.
Key words: nitrogen, centers of crystallization, nitrides, inclusions.
В зависимости от вводимых добавок в металл модификаторы разделяют на два вида. Элементы, вызывающие изменение кристаллической структуры сплава как поверхностно-активные примеси и адсорбирующиеся из расплава на границе кристалл-расплав, называются модификаторами первого рода. Частицы, вызывающие измельчение структуры путем искусственного увеличения количества зародышей кристаллизации, называют модификаторами второго рода.
Модифицирующие добавки, которые вводят в жидкий металл для стимулирования процессов образования зародышей центров кристаллизации, должны быть не растворимы в металле, иметь кристаллическую решетку, близкую к кристаллизующему металлу или образовывать с кристаллизующейся фазой малый краевой угол, способствующий гетерогенному образованию зародышей.
Кроме того, если вводимый в расплав компонент способствует увеличению электронной концентрации с обогащением свободными электронами границ раздела фаз, то этот компонент должен быть модификатором. Это в равной степени относится к инокуляторам (модификаторам II рода) и ингибиторам (модификаторам I рода), поэтому они должны обладать характерными металлическими свойствами.
Исходя из вышесказанного, модификатор II рода должен быть наиболее тугоплавким. При выполнении этого условия и низкой растворимости вещества в металлической основе будет возможно выделение его в самостоятельную фазу и образование готовой поверхности раздела. Модификатор I рода должен быть легкоплавким, т.к. при этом условии будет обеспечено равномерное распределение его в разупорядоченной зоне и на границах раздела фаз.
Перечисленным требованиям к модификаторам II рода удовлетворяют тугоплавкие, нерастворимые в металле включения нитридов титана, циркония, диборида циркония и др., которые имеют металлический тип проводимости.
Для регулирования микроструктуры, размера зерна особенно перспективно применение комплексных лигатур с различными элементами. Различают комплексные модификаторы следующих типов:
1) рафинирующие, содержащие активные элементы: Mn, Si, Ca, Mg, Al, РЗМ и др.;
2) упрочняющие, содержащие карбиды, бориды, нитриды, которые образуются в сплаве в результате взаимодействия соответствующих элементов и способствуют дисперсному упрочнению основы;
3) рафинирующе-упрочняющие, которые содержат активные элементы и соединения.
Выбор состава комплексных модификаторов проводится на основе известных сведений по физико-химическому взаимодействию элементов модификаторов с примесями и основными компонентами расплава. При выборе исходят также из условия образования в металле включений благоприятной природы, формы и располо-
жения в структуре. Выбор сплавов комплексных модификаторов проводят также эмпирическим путем с учетом технологических условий их производства и применения.
В настоящее время на практике применяют модифицирование стали нитридами ванадия, титана, циркония, алюминия путем введения в сталь специальных лигатур или применения азотированных ферросплавов (ферромарганца, феррохрома).
В работе [1] механизм влияния нитридов на свойства стали объясняется выделением нитридных и карбо-нитридных дисперсных частиц в структуре стали в результате закалки и последующего отпуска. Основное влияние сводится к изменению размера и строения границ аус-тенитного зерна, измельчению блочной структуры, к взаимодействию дисперсной фазы с дислокациями. Отмечено, что в результате модифицирования конструкционных сталей нитридами ванадия происходит измельчение аустенитного зерна на 3-4 балла и повышение пластичности, ударной вязкости и прочности. Измельчение зерна на 1 балл соответствует повышению прочности 2-3 кгс/ мм2. Наилучшее сочетание пластичности и прочности достигается тогда, когда диаметр зерна равен среднему расстоянию между дисперсными частицами. В другой работе [2] для модифицирования стали (с 0,2%С) брали порошки НО, 7гС, А11\Н, А1Со, W (инокуляторы) и ЫЬ, И, В, 7г, Б! (ингибиторы).
Инокулярующие добавки в количестве 0,1=1,0% вводили отдельно или вместе с ингибиторами. Сталь выплавляли в индукционной печи. Расплав раскисляли алюминием. Температура заливки составляла 1640°С. Измельчения структуры достигали только при добавке ТЮ и 7гС. Для образования дополнительных центров кристаллизации А11\Н, А1Со и W оказались недостаточно эффективными.
Ингибиторы добавляли в сталь в количестве до 0,5%. Установлено, что по уменьшению влияния на величину зерна, ингибиторы можно расположить в следующем порядке: Т1, ЫЬ, 7г, В, Эк При сопоставлении влияния добавок ТЮ и Т на механические свойства стали выявлено, что максимально прочность повышается при добавке 0,5% ТЮ и 0,1% Т
В работах [3-7] проведены исследования процесса модифицирования стали нитридами титана, образующимися в расплаве за счет химической реакции между азотом и титаном, преднамеренно введенными в расплав. В индукционной печи выплавляли сталь 35Л, раскисляли алюминием, затем вводили азот в количестве 0,02 -0,03% с помощью азотированного марганца и модифицировали титаном (0,1 - 0,15%). Контрольная сталь и сталь, насыщенная азотом, имеют крупнодендритное строение и поражены газовыми раковинами азотного происхождения. Отсутствие раковин и измельчение первичного зерна после введения титана свидетельствует о связывании азота титаном, а измельчение структуры - о зародышевом действии продуктов этой реакции на процесс кристаллизации.
В этих же работах при выплавке стали в индукционной полупромышленной печи применяли метод суспензионного модифицирования с введением присадки в сталь, непосредственно заливаемую в литейную форму совместно с микрохолодильниками и без них. В случае суспензионного модифицирования стали, раскисленной повышенным количеством алюминия, за счет присадки микрохолодильников (железный порошок), размеры образующихся включений нитридов титана уменьшались до 2 мк, а их концентрации увеличивались. Связывается это с понижением температуры расплава и каталитическим действием оксида алюминия, что способствует протека-
СЕРИЯ «ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК 5
109
нию реакции между азотом и титаном. Отмечено, что наибольшее улучшение механических свойств, измельчение дендритной, а также перлитно-ферритной структуры достигнуто при комплексном суспензионном модифицировании стали 40Л, в которую, наряду с добавками титана, азота и микрохолодильников, вводились модификаторы I рода в виде силикокальция 0,2% и особенно редкоземельных металлов в виде лигатуры 5 - 0,3%. Объясняется это активатизацией гетерогенных подложек модификаторами I рода и глобуляризацией неметаллических включений [8].
На основании проведенных исследований рекомендован способ комплексного модифицирования, заключающийся во введении в сталь титана 0,07 - 0,12%, азота 0,01 - 0,02%, алюминия 0,15% - 0,2%.
В рассмотренных выше работах отмечается благоприятное влияние мелкодисперсных включений нитридов титана на структуру и металлические свойства литого металла. Вероятность образования большого количества нитридных включений в жидкой стали выше, чем в чугуне, ввиду меньшей концентрации углерода, кремния и других элементов, понижающих растворимость азота в металле. Лучше всего было бы вводить в чугун готовые нит-ридные включения. Источниками их могут быть порошки нитридов или нитриды, заранее полученные в модифицирующем сплаве-лигатуре. Использование порошков нитридов связано с рядом трудностей. Во-первых, сложность получения порошков нитридов размерами несколько микрон. Во-вторых, удельный вес нитридов титана (5,2 г/см3) меньше, чем жидкого металла, в результате чего затрудняется их введение и равномерное распределение в расплаве. Поэтому предпочтительнее вводить их с модифицирующим сплавом, имеющим больший удельный вес, чем нитриды, и к тому же будет использоваться модифицирующее действие других компонентов лигатуры на расплав, т.е. комплексное модифицирование.
Задача данного исследования сводилась к выбору именно такого рода модификатора. В последнее время в литературе появились сведения о таких модификаторах для стали. Известен модификатор, содержащий Сг, Т1, Ы, Мп, РЗМ при следующем соотношении компонентов (в%): N - 0,5 - 1,5; Т - 1,7 - 4,0; Сг - 0,3 - 20,0; Мп - 0,3 -20,0; РЗМ - 0,05 - 0,3; Ре - остальное [9].
Обработка сплава указанным модификатором позволяет без особых технологических трудностей вводить нитриды титана. Однако отмечается, что модификатор имеет ряд недостатков: невысокая эффективность его использования при модифицировании углеродистых и низколегированных сталей, связанная с повышенной способностью к коагуляции нитридов титана; низкая степень усвоения азота в модификаторе, ограничивающая верхний предел содержания азота и требующая повышенного расхода модификатора; модификатор плохо дробится и поэтому технологически затруднен его ввод в металл. Для повышения эффективности действия модификатора, улучшения свойств стали и способа выплавки модификатора в последний вводят Са, А1 и Э1 при последующем соотношении элементов (в %): Сг 1,0 - 20,0:У -10 - 20; Т - 0,5 - 2,5; Мп - 0,3 - 30,0; Б1 - 1 - 10; А1 - 0,3 -5,0; Са - 0,01 - 0,5; РЗМ - 0,05 - 2,0; Ре - остальное.
При выборе модифицирующего сплава для чугуна мы руководствовались следующими соображениями: получить в лигатуре большое количество мелких нитридных включений, ввести в лигатуру модифицирующие добавки, положительно влияющие на структуру и механические свойства чугуна, лигатура должна хорошо дробиться и иметь больший, чем у нитридов, удельный вес. Предложен следующий состав модификатора (в %): Сг- 0,0 - 6,0;
Т - 3 - 5; N - 0,1 - 0,7; Б1 - 2 - 2,5; Мп - 5 - 25; А1 - 5 - 8; С - 0 - 3; Ре - остальное. Совместно с предложенным модификатором следует вводить и такие модификаторы как магний, кальций, редкоземельные элементы.
Проделанный авторами анализ работ показал, что повысить концентрацию азота в жидком металле можно путем введения в него активизированного азота.
Наилучшее модифицирующее действие на расплав оказывается тогда, когда совместно вводятся модификаторы II и I рода, т.е. осуществляется комплексное модифицирование. На наш взгляд, именно в этом направлении должна развиваться практика модифицирования чугуна.
Проведенная оценка способов модифицирования позволила нам выбрать и получить лигатуру с большим количеством дисперсных нитридных включений. Дальнейшие исследования по модифицирующему воздействию полученной лигатуры и различных ее вариаций проводятся в производственных условиях в литейном производстве объединений «Курганмашзавод», ИКАР, «Кургансельмаш» на отливках из стали и чугуна.
Список литературы
1. Ефимов В.А. Разливка и кристаллизация стали. - М.:Металлургия,
1976.
2. Форм Г. и др. Материалы 27-го международного конгресса литейщи-
ков в Цюрихе. - М.: Машгиз, 1960.
3. Гаврилин И.В., Каллиопин И.К., Ужин Ю.В. Программы для определе-
ния оптимального количества микрохолодильников при суспензионной заливке //Изв. вузов. - Черная металлургия», 1973. - №8.
4. Гаврилин И.В. и др. О выборе рациональных модификаторов второго
рода для стали //Изв. вузов. - Черная металлургия. - 1974. -№10.
5. Гаврилин И.В., Каллиопин И.К. особенности затвердевания суспензи-
онной стали//Прогрессивные технологические процессы литейного производства. - Владимир, Изд. ЦНТИ, 1971.
6. Каллиопин И.К. и др. Исследование некоторых особенностей
модифицирования углеродистой стали титаном // Металлы, 1976. - №1.
7. Каллиопин И.К. и др. Модифицирование титаном стали, содержащей
азот и серу //Изв. вузов, 1976. - №2.
8. Жуков А.А., Афонаскин А.В. О классификации модификаторов //
Литейное производство, 1990. - №12. - С.28-29.
9. Бабаскин Ю.З., Затуловский С.С. и др. Модификатор//Институт
проблем литья. - Металлургия, 1976. - №12.
УДК 658.382.3: 621.96 О.В. Герасимова
Курганский государственный университет
ПОВЫШЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ТРУДА И КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЙ НА ОСНОВЕ ПЕРЕДОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ
Аннотация
Установлены технологические возможности повышения безопасности труда и качества изделий при применении передовых технологий. Показаны преимущества многоопорной отрезки заготовок и вибрационного воздействия на металл и деформируемые заготовки.
Ключевые слова: безопасность труда, отрезка заготовок, вибрация, штамповка.
