Для получения качественных отливок из стали 20ГЛ (для изготовления ответственных деталей железнодорожного транспорта) предложено модифицирование и микролегирование стали барий -стронциевым карбонатом.
The discusses the way of steel successive complex inoculating and microalloing by Ba-Sr carbonate. It is necessary for guarantee the quality of moldings made of 20ГЛ steel for making the critical parts for railway transport.
Из стали 20ГЛ на ООО "Промтрактор-Промлит" изготавливают ответственные литые детали для железнодорожного транспорта.
Непрерывно растущие требования ОАО "РЖД" (Российские Железные Дороги) вынуждают производителей обеспечивать более высокие механические и эксплуатационные свойства этих отливок, находя новые перспективы и методы воздействия на жидкий металл.
Модифицирование представляет собой глубинный процесс активного воздействия на состояние металлических расплавов в предкристаллизационный период.
Немаловажными факторами при модифицировании является низкое содержание вредных примесей, таких как сера, фосфор и неметаллические включения.
Существуют различные способы модифицирования:
- Образование искусственных центров кристаллизации,
- Создание барьеров на поверхности растущих кристаллов,
- Приложение внешних воздействий (механических, электромагнитных, вибрационных).
Считается, что при производстве жидкой стали существенное влияние на её свойства оказывает структура шихты, условия выплавки стали, предопределяющие микростроение расплава, природу и характер неметаллических включений и избыточных фаз, величину первичного аустенитного зерна, многие технологические и служебные свойства металла.
Важная особенность процесса модифицирования состоит в том, что воздействие модификатора не ограничивается его влиянием на первичную структуру и свойства литой стали, но и распространяется на структуру, свойства и особенности фазовых превращений деформируемого и термически обработанного изделия.
Трансформация модифицирующей добавки в микролигирующую реализуется механизмом воздействия на зернистость структуры и формирование вторичных фаз различной природы и растворимости в твердых растворах железа.
Основную массу неметаллических включений обычно составляют эндогенные включения образовавшиеся в металле в результате развития процессов окисления элементов на разных стадиях производства стали и её охлаждения.
Отливки также содержат включения сульфидов и фосфидов, которые при нормальных условиях располагаются на границах зерен и оказываются достаточно растянуты по границе зерна, что в свою очередь отрицательно влияет на пластичность стали, ослабляя межзеренную связь.
При выборе модификатора для стали 20ГЛ исходили из следующих условий: он должен быть относительно недорогим, достаточно эффективным, должен обеспечивать снижение в стали серы, фосфора и неметаллических включений, придавать благоприятную (глобулярную) форму оставшимся вредным примесям, обеспечивать мелкозернистую структуру.
Модификатор БСК-2 содержит барий и стронций - активные элементы, которые способны образовывать более устойчивые соединения с серой и фосфором, чем классические шлакообразующие, применяемые в металлургии, выводя их из металла в шлак, и также обладающими достаточно большим сродством к кислороду.
При охлаждении стали 20ГЛ кристаллизуется аустенит, который при дальнейшем охлаждении распадается на феррит и перлит.
Активные элементы модификатора должны иметь пониженную растворимость в аустените и небольшой коэффициент распределения между аустенитом и расплавом. При этих условиях они в основном будут концентрироваться по границам зерен. Во время кристаллизации содержание активных элементов в центрах зерен будет минимальным.
Для модифицирования стали 20ГЛ решено использовать Барий-Стронциевый Карбонат с повышенным содержанием бария и стронция (БСК-2) крупной фракции (20-100 мм). Содержание активных элементов приведен в Таблице 1.
Модификатор содержит активные элементы: барий и стронций.
Барий и стронций в карбонатной форме могут работать как в металле, так и в шлаке, оказывая при этом модифицирующее, микролигирующее и рафинирующее действие.
Барий не растворим в железе. Стронций малорастворим в железе, а та часть стронция, которая растворяется, оказывает микролигирующее действие. Барий и стронций проявляют модифицирующее воздействие как на ферритную основу так и на большую группу неметаллических включений, сульфидов и фосфидов.
ЩЗМ также выполняют роль десульфураторов, дефосфораторов и в некоторой степени раскислителей. За счет модифицирования в результате измельчения зерен феррита и перлита происходит снижение (Тпр) критической температуры вязко-хрупкого перехода.
БСК-2 благоприятно воздействует на сульфиды, фосфиды и неметаллические включения. Он измельчает их, переводит в глобулярную форму и частично убирает их с границы зерна, переводя их внутрь зерна. На рисунке 1 изображено глобуляризованное включение фосфидной эвтектики на границе зерна и в зерне.
Влияние БСК-2 на разные марки стали исследовалось и ранее. Исследования проводились на заводах: ИЗТМ г.Иркутск, ЛВРЗ ОАО "РЖД" г. Улан-Уде, ЧАЗ г. Чебоксары. Все эти исследования подтверждают положительное влияние БСК-2 на размер зерна, на размер, форму и положение неметаллических включений.
На предприятии ООО "Промтрактор-Промлит" было отработано несколько схем подачи модификатора.
Одни схемы были направлены на более сильное рафинирование, в других схемах упор был сделан на модифицирование.
Опытные плавки проводились при поддержке главного инженера предприятия Кожевникова Н.Г., заместителя главного металлурга Наумова А.В. Помощь в непосредственном проведении плавок оказывала ведущий технолог отдела новых технологий Наумова Е.А..
Выплавка металла производилась на 6-ти тонной электродуговой печи с основной футеровкой. В качестве шихты использовали как собственный возврат, так и привозной металлический лом. БСК-2 использовали из расчета 7-8 кг на тонну жидкой стали. Проведя несколько серий опытно-промышленных плавок с разными схемами подачи модификатора была выявлена наиболее эффективная схема применения материала.
После термической обработки на отливках из стали, выплавленной с применением модификатора БСК-2 по отношению к отливкам из стали, выплавленной без применения БСК-2 заметно повысились показатели ударной вязкости при неизменных прочностных характеристиках.
Увеличение показателя KCV при -60оС в среднем составило 67,2 % (в отдельных случаях это увеличение составило до130 %, увеличение KCU при -60оС в среднем составило 37,2 %, увеличение KCU при +20оС в среднем составило 34,8 %.
Микроструктура образцов однородная ферито-перлитная, мелкозернистая (8-10 балл). Неметаллические включения глобулярные, мелкие, равномерно распределенные и как следствие этого - тонкие межзеренные границы.
Из сказанного выше следует, что применение БСК-2 при выплавке стали 20ГЛ для изготовления ответственных отливок для ОАО "РЖД" рационально для снижения содержания серы, фосфора, и неметаллических включений, а также для их измельчения и глобуляризации, для повышения механических и эксплуатационных свойств отливок.
При реальных концентрациях серы только ЩЗМ и РЗМ могут образовывать в области жидкого состояния сульфидную фазу, способную к выделению из металла. Применение БСК-2 позволяет удалять от 15% до 30% серы в окончательной пробе по отношению к содержанию серы в металле по расплаву.
Барий и стронций являются глобуляризаторами сульфидов, фосфидов и неметаллических включений. В свою очередь глобуляризация вредных примесей повышает пластичность и ударную вязкость металла, повышая зернограничное упрочнение.
Очищая сталь от вредных примесей, БСК-2 снижает анизотропию механических характеристик стали, а также улучшает литейные свойства стали.
Основными литейными свойствами, определяющими формирование отливок, являются жидкотекучесть, условия питания и трещиноустойчивость отливок.
Обеспечивая снижение общего количества вредных примесей в жидком металле, БСК-2 способствует улучшению жидкотекучести, условия питания или пропитываемость отливок, обеспечивает высокие технологические и механические свойства стали.
Сочетаясь с доводкой плавок и особенно с их конечным раскислением алюминием, модифицирование в значительной степени определяет характер кристаллизации, степень глобулярности вредных примесей, благоприятную микроструктуру и комплекс других свойств стали.
Для изготовления ответственных деталей железнодорожного транспорта рекомендуется применение БСК-2 для повышения механических и эксплуатационных свойств стали путем модифицирования, рафинирования и микролигирования.
В настоящее время ведутся работы по оптимизации способа ввода модификатора БСК-2 в жидкий металл.
