Повышение служебных и литейных свойств высокомарганцовистой стали типа Г13Л при обработке расплава модификатором БСК 2

Д. Ю. Пимнев, С. В. Афанасьев, С. И. Кузнецов ( ООО НПК «МеталлТехноПром, г. Иркутск).

 

Постоянно повышающиеся требования потребителей к качеству выпускаемой металлопро­дукции вызывают необходимость совершенствования существующих и поиска новых научно технических и технологических решений. Коренное повышение качества и конкурентоспособ­ности выпускаемых оборудования и машин напрямую связано с необходимостью улучшения качества металла и экономии его в машиностроении, а также с созданием новых конструкци­онных материалов. Не менее важным является повышение свойств, служебных и эксплуатаци­онных характеристик известных и широко используемых в настоящее время сталей.

Особенно остро это касается высокомарганцевых аустенитных сталей, типа Г13Л, широко применяемых в машиностроении для изготовления деталей, работающих в условиях интенсив­ных абразивно-динамических нагрузок. Это обусловлено уникальной способностью аустенита к поверхностному наклепу (упрочнению) под действием холодной пластической деформации (ударов, смятия и др.). Высокая стойкость к абразивному износу в наклепанном состоянии стали Г13Л, сочетается с высокими пластичностью и прочностью.

В зависимости от условий работы деталей из стали Г13Л, к ее химическому составу и ме­ханическим свойствам, а также к способам производства предъявляются различные требова­ния.

При производстве стали Гатфильда приходится решать ряд моментов, отрицательно влияющих как на технологические, литейные, так и эксплуатационные свойства отливок:

· при эксплуатации стали Г13Л в условиях высоких абразивных и низких динамических на­грузок, не успевает образоваться упрочнённый поверхностный слой, что ведёт к бы­строму выходу деталей из строя,

· высокое содержание фосфора, вносимого в сталь со средне- и высокоуглеродистым фер­ромарганцем, и как следствие – выделение фосфидной эвтектики по границам зе­рен,

· выделение карбидов по границам зерна,

· высокое содержание в металле газов и неметаллических включений при высокой за­киси марганца в шлаке;

· склонность к росту дендридов при высокой температуре заливки и др.

Анализ эксплуатации износостойких отливок из стали 110Г13Л показывает, что главной причиной износа является истирание в результате недостаточной стойкости их поверхности при действии абразивного материала. Для повышения стойкости поверхностных слоев необхо­димо увеличить их твердость. Причем, повышение твердости должно происходить в результате приложения нагрузок. Для достижения этого целесообразно использовать метастабильные аустенитные стали, способные к деформационным мартенситным превращениям. Сталь 110Г13Л относится к стабильным аустенитным сталям. Деформационные мартенситные превращения в ней не имеют заметного развития и существенное упрочнение достигается после относительно большой деформации (нагружение взрывом и т. п.). Поэтому, эксплуатационная стойкость де­талей из этой стали, особенно в условиях преобладания абразивного износа, недостаточна.

Повышение абразивной износостойкости аустенитных сталей без заметного снижения ос­новных свойств существенно повышает ресурс работы оборудования, машин, механизмов.

В настоящее время внедряются новые марки сталей с измененным соотношением углерода и марганца в зависимости от условий работы отливки. Для деталей, работающих при абразив­ном изнашивании с небольшими ударными нагрузками, рекомендуется соотношение Mn/С=10. При высоких ударных нагрузках, многократном циклическом нагружении это соотношение должно быть более 12. Разработаны и внедрены ряд марок дополнительно легированных хро­мом, никелем, молибденом, ванадием, висмутом и другими элементами, в зависимости от ус­ловий эксплуатации, что ведёт к повышению первоначальной твёрдости и измельчения зерна.

Чистота металла очень сильно влияет на литейные свойства стали Г13Л и эксплуатацион­ные свойства отливок. Литейные и механические свойства сталей напрямую зависят от коли­чества вредных примесей и формой их существования в расплаве. По этому признаку примеси условно разбиваются на две группы. К первой следует отнести элементы, находящиеся в твёрдом растворе, ко второй – элементы, формирующие неметаллические включения (НВ).

Действия атомов внедрения на структуру и свойства стали обусловлено их высокой диф­фузионной подвижностью, взаимодействием с дефектами кристаллического строения и с рас­творенными в сплаве атомами замещения, что приводит к выделению вторых фаз и протека­нию процессов старения, охрупчивающих сплав.

К элементам, образующим в сталях включения, относятся кислород, сера, селен, свинец, висмут, а при определенных условиях так же азот и фосфор. Можно считать , что при темпе­ратурах ниже 1000ºС эти элементы практически полностью присутствуют в сплаве в форме включений. Введение различных раскислителей и модификаторов существенно меняет харак­тер выделения, состав, морфологию и форму металлических включений.

Содержание и распределение неметаллических включений зависит от многих факторов, важнейшими из которых являются особенности выплавки, раскисления, модифицирование, разливки и кристаллизации металла. Современные технологии позволяют в достаточной сте­пени уменьшить количество эндогенных включений, но избавиться от них полностью не воз­можной. Задача модифицирования – снижение количества крупных неметаллических включе­ний, получение включений с оптимальными формами, распределением и размерами, умень­шение ликвационных явлений, улучшение структуры.

Концентрация напряжений возле включений связана с различным коэффициентом терми­ческого расширения включения и матрицы. Величина пластической деформации, возникаю­щая в местах залегания включений, зависит от их типа и формы. Коэффициент концентрации напряжений максимален у остроугольных включений, что приводит к образованию пор между частицей и матрицей, поэтому глобуляризация включений является эффективным средством повышения хладостойкости сплава.

Свойства металла существенно зависят о количества НВ и ряда факторов, влияющих на их укрупнение, всплывание и переход через межфазную границу в процессе плавки. Исследова­ния очистки стали от НВ показали, что частицы удаляются, всплывая за счет разной плотно­сти включения и металла (в относительно спокойном металле) и благодаря конвективной дос­тавке их к границам фаз (в интенсивно перемешиваемом металле). В последнем случае особое значение имеет поглощение частиц шлаком, поскольку существует возможность их обратного вовлечения в объем металла. Важную роль играет агрегация включений друг с другом, опре­деляющая их размер и скорость доставки к межфазной границе.

В случае, когда металл достаточно хорошо контактирует с жидкоподвижным шлаком, включения доставляются преимущественно конвективными потоками или поднимающимися газами на границу раздела фаз. При этом концентрация частиц по объему выравнивается. С ростом размера включений скорость доставки частиц к границе обеими механизмами увеличи­вается. Укрупнение частиц происходит за счет их как диффузионного роста, так и взаимной агрегации, зависящей от эффективности встреч. Как показывают эксперименты и анализ про­цессов укрупнения, наиболее эффективны встречи жидких и твердых частиц.

Причем способ­ность к укрупнению, так же как и вероятность прилипания включений к шлаку, тем выше чем больше межфазное натяжение на границе «металл- шлак» и «металл – включение» и меньше – «включения – шлак». Кинетика этих процессов зависит от устойчивости тонких слоев металла, препятствующих укрупнению частиц и переходу в шлаковую фазу. Уменьшения количества включений достигается также за счет продувки металла различными газами и реагентами в струе газов. Таким образом, процессы управления неметаллическими включениями весьма разнообразны. Выбор способа управления НВ зависит от конкретных условий производства, назначения, температурных условий эксплуатации и марок стали, а также вопросов экономики. Очевидно для конкретных металлургических агрегатов способов выплавки, марок сталей и на­значения деталей оптимальные способы управления НВ можно установить только эксперимен­тальным путем. [1].

Высокомарганцевая сталь, типа Г13Л, аустенитного класса сочетает в себе низкую теп­лопроводность, достаточно большую линейную скорость кристаллизации и усадку, обладает повышенной склонностью к столбчатой кристаллизации, имеет крупнозернистое строение с карбидами, расположенными преимущественно по границам зерен металла. Измельчить струк­туру последующей термической обработкой практически невозможно, так как сталь не претер­певает фазовых превращений. Существенного улучшения первичной литой структуры сталей данного типа можно достичь за счет операций комплексного раскисления и модифицирования.

Исходя из вышеизложенного, предприятие НПК «МеталлТехноПром» предлагает к вне­дрению новую технологию обработки стали Гадфильда модификатором барий-стронциевый БСК-2, основа которого состоит из 80 % карбонатной фазы (карбонатов Ca, Ba и Sr).

Благоприятное воздействие щелочноземельных металлов на металлургический процесс и свойства металлов общеизвестно. Кальций, стронций и барий, благодаря их химической ак­тивности, обладают большим сродством к кислороду и большинству его соединений. Их раскислительная способность по литературным данным [1] уменьшается в последовательно­с­ти Ca > Sr > Mg > Ba. Так как размер атомов бария и стронция значительно превосходят размеры атомов железа, следовательно твёрдые растворы Ba и Sr с железом невозможны и получение лигатур Ba и Sr на основе железа не представляется возможным.

В настоящее время основными соединениями на основе ЩЗМ, используемыми в метал­лургии являются карбиды кальция, FeSiBa, SiCa, твёрдый раствор алюминия и 7% Sr. Сырьем для получения лигатур Ba и Sr на основе кремния служат сульфидные руды с перево­дом их в окислы и последующим восстановлением кремнием.

Без карбонатов и окислов Ca невозможно проведение большинства металлургических процессов. Благодаря высокой активности Ca и сродству к кислороду, эти соединения обла­дают шлакообразующими, восстановительными, модифицирующими и рафинирующими свойствами. Ковшовая обработка известью чугунов и сталей, для удаления серы, широко применялась в СССР после ВОВ, но с появлением более эффективных методов необходи­мость в этом отпала. Влияние карбонатов Ba и Sr изучены в меньшей степени. Следует ожидать, что карбиды Ba и Sr поведут себя аналогично карбидам Са. Теоретические основы термического восстановле­ния Ca, Ba и Sr рассмотрены в ряде работ [2, 5]. Характеристики этих сплавов подробно описаны в работе [6]. Приведены диаграммы состояния, структура кристаллической ре­шетки и др. Приведены диаграммы взаимодействия Sr и Ba с другими элементами перио­дической системы Менделеева [6].

В СССР было проведено большое количество опытов, по десульфурации металла обож­женной известью [7]. Зарубежные предприятия, США, Англии, Германии и Японии, исполь­зуют карбонаты стронция, при выплавке лучших сортов стали. Модификатор барий-строн­циевый, при производстве сталей, был впервые опробован в 1996 году на Иркутском заводе тяжелого машиностроения, а результаты экспериментального опробирования и промышлен­ного применения рассмотрены в работе профессора С.С. Черняка [8].

В этой же книге приведены расчеты Толстогузова Н.В. по термодинамике восстановления Ca, Ba и Sr из БСК-2 кремнием и алюминием. Как показали расчеты Толстогузова Н.В. ок­сиды стронция и бария практически не могут восстанавливаться кремнием и алюминием в растворенном металле при обычных содержаниях их в металлах. Кремний и алюминий, даже при обычных его содержаниях в металле, восстанавливает карбонаты Ca, Sr и Ba. Из этого следует практический вывод, что карбонатная форма БСК-2 работает эффективно как в жид­ком металле, так и в шлаках, а оксидная - только в шлаках [8]. В печи соединения Ba и Sr изменяют форму неметаллических включений в металле, переводят их в шлак, увеличивается активность восстановительных шлаков, следовательно, восстановительные процессы на гра­нице шлак-металл будут проходить более глубоко. О положительном влиянии оксидов и кар­бонатов бария на качество шлаков подробно говорится работе [10]. Так, по данным авторов, 10% оксида бария в шлаке приводит к повышению констант десульфурации и дефосфорации в10 раз.

При ковшовой обработке карбонаты бария и стронция взаимодействуют с растворенным в металле кремнием, алюминием и углеродом, а образовавшиеся соединения комплексно воз­дей­ст­ву­ют на металл. Избыток карбоната диссоциирует на оксиды ЩЗМ и оксиды углерода. При этом всплывающие газы в виде оксидов углерода «барботирует» металл, тем самым дополни­тельно очищая его от неметаллических включений. Замечено, по микроструктурным исследо­ваниям, проведенным на ряде предприятий, что в металле, обработанном БСК-2, фосфор на границе зерен имеет благоприятную компактную глобулярную форму. Очищение межзерновых пространств от фосфидной эвтектики благоприятно влияет на ударную вязкость, особенно при низких температурах. Барий и стронций, находясь в металле и в восстановительном шлаке, оказывают комплексное модифицирующее, рафинирующее и раскислительное воздействие на металл.

Для обработки стали 110Г13Л, БСК 2 подаётся на разных этапах плавки. Технология модифицирования составляется на основания проводимых опытных работ и индивидуальных особенностей производства и не требует значительного изменения существующего техпро­цесса.

Основа применения модификатора барий-стронциевого на стали 110Г13Л было заложена на Иркутском заводе тяжелого машиностроения. Применение БСК 2 позволило отказаться от применения дорогостоящих легирующих элементов никеля, ванадия и металлического мар­ганца при производстве уникальных дражных 400 литровых и 250 литровых черпаков север­ного исполнения.

На Михайловском ГОКе при модифицировании стали увеличился срок службы дробящих конусов, конусных дробилок, дробящих плит и зубьев ковша на 10-20%.

На ОАO «Чебоксарский агрегатный завод» прочностные свойства траков тракторов из стали 120Г10ФЛ увеличились на 20-30% за счет обработки стали БСК. Ударная вязкость при минусовых температурах KCU^-40 повысилась на 62,5 %.

Средняя стойкость бронефутеровок для шаровых мельниц, отлитых на Коркинском экска­ваторо-вагоноремонтном заводе выросла с 4-5 до 6-7 месяцев.

На всех заводах, применяющих БСК-2 для модифицирования стали 110Г13Л, отмечается повышение жидкотекучести, что ведёт к снижению температуры разливки. Уменьшается коли­чество брака по трещинам, недоливам, неспаям, ужиминам.

На Катав-Ивановском ЛМЗ отработка технология подачи и количества модификатора осно­вывалась на росте ударной вязкости и чистоте металла, оцениваемого на микрошлифах.

На образцах с максимальной ударной вязкостью значительно меньше НВ, а карбиды и фос­фидные эвтектики располагаются внутри зерна.

В работах, проведённых на Магнитогорском механоремонтном комплексе отмечается, что модификатор БСК-2 оказывает рафинирующее и модифицирующее действие и повышает ме­ханические свойства стали 110Г13Л за счет очистки межзеренного пространства, уменьшения ликвации марганца и измельчения карбидов.

При исследовании составов шлаков наблюдается значительное снижение закиси марганца (МnО), что ведет к улучшению очистки стали и позволяет экономить ферросплавы.

Опыт, накопленный на предприятиях, показывает, что применение БСК-2 для модифици­рования сталей типа Г13Л, является не дорогим, но эффективным средством для повышения литейных и эксплуатационных свойств дробильно-размольного оборудования. Затраты на мо­дифицирование не превышают одного процента от стоимости литья, а стойкость деталей воз­растает более чем на 15%, что позволяет рекомендовать БСК-2 для модифицирования стали 110Г13Л.

Список литературы

1. Филиппенков А.А. «Ванадийсодержащие стали для отливок» Екатеринбург; УрО, 2001.

2. Гаряев С.Г., Рябчиков И.В., Толстогузов Н.В. Условия селикотермического восстановле­ния Ba, Ca, Mg и Sr, при выплавке комплексных лигатур// Изв. вузов. Черная металлургия.

3. Синарев Г.Н., Витолин Н.А., Трусов Б.Т., Моисеев С.К. Применение ЭВМ для термоди­намических расчетов металлургических реакций. – М.: Наука, 1982.

4. Паньков В.А., Кожевников Г.Н. О совместном восстановлении бария, стронция и крем­ния из окислов, углеродом. – Свердловск: ВИНИТИ. - 1979 г. - № 1691. - 17 с.

5. Гоголев А.К. Восстановление окислов бария кремнием и алюминием// Сб.тр. Челябинско­го электрометаллургического комбината. – Челябинск: Южно-Уральское кн. изд-во, 1970. - Вып. 2 - с. 81-82.

6. Дриц М.Е., Зусман Л.Л. Сплавы щелочных и щелочноземельных металлов. – Справоч­ник. – М.: 1986 - с. 137-228.

7. Смоляренко Д.А. Качество углеродистой стали. – М.: Металлургиздат, 1961. – с. 27-52.

8. Черняк С.С., Ромен Б.Н. Высокомарганцовистая сталь в машиностроении. – Иркутск: Ир­кутский университет, 1996. – с. 165-201.

9. Деменьтьев В.П., Перетятьев В.Н., Козырев Н.А., Гуляев Т.Н., Сычев П.Е. Использова­ние стронций-бариевого-карбонатита при производстве рельсовой стали. СиГМИУ,ОАО «Кузнецкий металлургический комбинат». - УДК 669.187.25

10. Лунев В.В., Аверин В.В. Сера и фосфор в стали. – М.: «Металлургиздат», 1988. – с. 49-55.