CC BY
24
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА
УДК 621. 791. 04
В.М. Макиенко, Е.М. Варанов, И.О. Романов
МАКИЕНКО ВИКТОР МИХАЙЛОВИЧ - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии металлов (Дальневосточный государственный университет путей сообщения, Хабаровск).
ВАРАНОВ ЕВГЕНИЙ МИХАЙЛОВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры технологии металлов (Дальневосточный государственный университет путей сообщения, Хабаровск).
РОМАНОВ ИГОРЬ ОЛЕГОВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры технологии металлов (Дальневосточный государственный университет путей сообщения, Хабаровск).
E-mail: [email protected]
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
ЦИРКОНИЕВОЙ РУДЫ В МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЯХ
Представлены новые возможности использования циркониевой руды в сварочных и литейных технологиях.
Ключевые слова: восстановление, цирконий, модификатор, порошковая проволока.
The study on the potentialities of zirconium oxide to be used in metallurgical technologies. Viktor M. Makienko, Evgeniy M. Baranov, Igor O. Romanov (Far East State Railway University, Khabarovsk).
The article presents the newest procedure of the use of zirconium oxide ore in welding and cast technologies.
Key wards: recovering, zirconium, modification, powder ware.
Чтобы создать полное представление о результатах исследований по восстановлению циркония из расплавов оксидов с использованием диффузионных и электротермических технологий [1], в первую очередь необходимо остановиться на создании порошковых проволок с цирконийсодержащим сердечником для наплавки износостойкой аустенитной стали. При электродуговой наплавке изношенных частей машин из аустенитной стали (например, зубьев ковшей экскаваторов) наиболее актуальным, особенно для условий Сибири и Дальнего Востока, является вопрос хладостойкости. Аустенитные стали, как и другие металлы с гране-центрированной кубической решеткой, как правило, не обладают хладноломкостью, потому что у них предел текучести не возрастает с понижением температуры [2], следовательно, величина предела текучести не может достигнуть сопротивления отрыву даже при низких температурах испытания. Однако при исследовании ряда сталей аустенитного класса обнаруже-
© Макиенко В.М., Баранов Е.М., Романов И.О., 2013
но, что некоторые из них склонны к хрупкому разрушению при низких температурах. Это может быть вызвано следующими причинами:
- присутствием посторонней фазы на границах зерен аустенита;
- образованием а-фазы (мартенсита) в процессе эксплуатации.
Первая причина устраняется модифицированием стали цирконием. Вторая - введением необходимого количества марганца в сталь при наплавке. Поэтому для получения нужного содержания легирующих элементов в наплавленном слое было необходимо подобрать компоненты сердечника проволоки, увеличивающие коэффициент перехода циркония, но прежде всего марганца, в наплавленный слой. Для исследований перехода марганца в качестве первого, основного, компонента шихты, использовался ферромарганец марки ФМн 0,5 (ГОСТ 4755-80), а в качестве второго - молотый графит. Таким образом, за основу была принята система, в которой отсутствовала шлаковая защита.
На следующем этапе проводились исследования по установлению зависимости коэффициента перехода марганца от изменения массовой доли графита и ферромарганца сердечника. Экспериментальные данные по содержанию легирующих элементов и концентрационная зависимость приведены в [1]. Установлено, что максимальное значение коэффициента перехода марганца достигается в точке, отвечающей весовым долям 50% графита + 50% ферромарганца. При этом коэффициент перехода составляет 0,72%. Это в 1,76 раза превышает интенсивность перехода марганца в качестве добавки в порошковую проволоку с основным типом сердечника. С помощью газовой хроматографии было показано, что защиту сварочной ванны при наплавке с таким сердечником обеспечивает восстановительная атмосфера СО, образующаяся в условиях неполного сгорания углерода. Порошковая проволока с этим типом сердечника защищена патентом № 60888.
Известно, что цирконий в наибольшей мере влияет на чистоту межзеренных границ железо-углеродистых сплавов [4]. Он является мощным раскислителем и десульфуратором, а также связывает растворенный азот. Доказана также его способность связывать фосфор. Нитриды циркония являются дисперсными и равномерно распределяются по зерну. Практически все его соединения легко ассимилируются шлаком и выводятся из металла. Поэтому на втором этапе сварочного исследования устанавливали роль циркониевого концентрата в качестве компонента шихты порошковой проволоки. Цирконий при этом восстанавливается из руды в ходе электродугового процесса при наличии свободного углерода в сварочной ванне. Наибольший интерес представляло исследование микроструктуры наплавленного слоя. Проверяли аспект хладостойкости (чистоту границ зерен), устанавливая одновременно и коэффициент перехода марганца в проволоке с сердечником: ферромарганец-графит-циркониевый концентрат.
Сдвиг максимума коэффициента перехода марганца в сторону уменьшения доли ферромарганца связан с образованием карбидов, растворимых в шлаке, что снижает интенсивность перехода марганца [1]. Химический состав наплавленного металла в точке, отвечающей максимуму перехода марганца, представлен в табл. 1.
Таблица 1
Химический состав металла, наплавленного опытной порошковой проволокой
Компоненты Mn Si C S P Zr
Содержание легирующих элементов, мас. % 11,4 0,3 0,9 0,015 0,025 0,36
Фазовый состав наплавленного слоя показывает наличие структуры аустенита с микротвердостью Нц = 195...240 НУ. Неметаллических включений и интерметаллидов в интер-кристаллитной области не обнаружено.
Таким образом, доказана возможность максимального обеспечения двух основных факторов хладостойкости с использованием газошлаковой защиты.
Однако применение разработанных сердечников не обеспечивало достаточной воспроизводимости данных в силу неоднородности состава аустенита. Поэтому необходимо было расширить комплекс легирования сердечника. Известно, что для обеспечения однородности аустенита и повышении хладостойкости используются хром и никель [2]. По этим данным зависимость ударной вязкости от температуры испытания для аустенитной стали 40Г18 и той же стали, дополнительно легированной 4 и 8% хрома, существенно стабилизируется. При комнатной температуре все аустенитные стали обладают высокой ударной вязкостью, с понижением температуры испытания в них развивается хрупкость. Сталь 40Г18 имеет критический интервал перехода в хрупкое состояние в пределах 40 и 100 °С. По мере увеличения содержания хрома критический интервал развития хрупкости (сталь 40Г18Х4) понижается и лежит в пределах 60 и 120 °С, а сталь 40Г18Х8 приобретает интервал 80 и 160 °С. Поскольку основная задача была уже решена на первом и втором этапах исследования, на третьем этапе в состав шихты порошковой проволоки было дополнительно введено 8.. .10% порошкового никеля (табл. 2). В результате измерения ударной вязкости слоя, наплавленного на этом этапе исследований, установлено, что порог хладноломкости практически не превышает 70 °С. Хром в состав сердечника не вводился, так как в присутствии никеля хром в основном ограничивает ликвационную способности. Но эту роль сыграл восстановленный цирконий.
Таблица 2
Составы шихты порошковой проволоки
Номер состава Ферромарганец, мас. % Графит, мас. % Циркониевый концентрат, мас. % Никелевый порошок, мас. %
1 54 27 19
2 44 8 48 8.10
3 83 3 14
Далее нам необходимо остановиться на исследованиях применения циркония в литейных технологиях. При проектировании состава модификатора для диффузионного ковшевого модифицирования серого доэвтектического чугуна, представляющего собой в основном рудный концентрат бадделеит (табл. 3), решался вопрос выбора восстановителя.
Наиболее приемлемым вариантом в качестве восстановителя представлялась алюминиевая стружка.
Таблица 3
Минералогический состав бадделеита
Компонент &02 М2О3 Бе203 2г02 СаО и MgO
Мас. % 46-52 0,35-0,47 До 0,16 45-48 До 2 Остальное
Для приготовления модификатора ингредиенты выбирали в следующих диапазонах, (мас.%):
- бадделеит (циркониевая руда) - 75.85;
- алюминиевая стружка - 25.15.
Наиболее приемлемой для модификатора является алюминиевая стружка. При необходимости стружка размалывается в шаровой мельнице отдельно. Размер фракции не должен превышать 4 мм. Для приготовления модификатора 150 кг бадделеита (80%) размалывают в
шаровой мельнице, при необходимости просеивают руду на грохоте, затем перемешивают с алюминиевой стружкой (30 кг, что составляет 20%) в заводских бегунах. Полученную смесь прокаливают в сушильной камере в течение 5 ч при t 300.350 оС. Модификатор вводят в количестве 0,02 %: на 200 кг металла в ковше 400 г. При оперативном расходовании модифицирующей смеси из сушильной камеры допускается использование бумажных пакетов. Перемешивание происходит при всплытии модификатора. После всплытия дают пятиминутную выдержку, после чего шлак удаляют и производят заливку форм. Температурный интервал модифицирования 1250.1350 оС. Категорически запрещается захолаживание металла в ходе модифицирования крупными обломками колодок. Условием перехода циркония в расплав является протекание металлотермической реакции:
32Г O2 + 4Л1 = 2Л1203+ 32Г,
причем чем выше температура, тем больше константа реакции (больше циркония переходит в расплав).
Использование модификатора резко изменяет динамику износа тормозных вагонных колодок, отлитых из модифицированного чугуна. Эффект модифицирования заключается в резком увеличении доли перлита в микроструктуре чугуна (патент № 2316608). При этом металлическая основа чугуна практически становится структурно-однородной, даже при запредельном содержании кремния (более 2%). Опыт показывает, что взятый отдельно алюминий этого эффекта (при малых концентрациях) не достигает. Все эти факты упорно свидетельствуют о переходе небольшого количества циркония из рудного концентрата в расплав чугуна. Этот переход, или перенос, может являться более значительным, но цирконий расходуется как десульфуратор и раскислитель, он также идет на связывание фосфора. Отметим, что повышение прочностных характеристик колодки при этом не связано с ростом твердости ее материала.
Итак, мы можем сделать следующие выводы.
1. Известно, что отношение аустенитных сталей к образованию мартенсита под влиянием пластической деформации определяется положением температуры деформирования относительно температуры начала мартенситного превращения данной стали и теоретической температуры фазового равновесия аустенита и мартенсита. В действительности после наплавки это равновесие никогда не достигается. В любом практическом случае структура стали метастабильная, речь идет лишь о температуре, при которой может иметь место равенство текущих значений свободных энергий указанных фаз. Таким образом, при создании сварочно-наплавочного материала задача обеспечения хладостойкости, с одной стороны, и полноты легирования наплавленного слоя, с другой - была полностью реализована за счет восстановления циркония из раствора оксидов при наплавке.
2. На литейном этапе работ удалось модифицированием серого чугуна цирконием резко повысить его износостойкость. Повышение структурной однородности резко повышает износостойкость. Это полностью подтверждают данные микроструктурного анализа. В результате модифицирования цирконием и алюминием имеет место резкое измельчение графитной фазы и ее равномерное распределение по объему сплава в ходе вторичной кристаллизации. Причем вклад циркония в этой трансформации на порядок выше. Вместо междендритного, крупнопластинчатого, эвтектического графита образуется точечный, мелкочешуйчатый.
Таким образом, многолетние исследования показали, что применение циркониевой руды в металлургических процессах и технологиях с восстановлением циркония позволяет обеспечивать повышение качества сварных изделий и наплавленных слоев, а также повышение износостойкости серого чугуна.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Баранов Е.М., Романов И.О., Строителев Д.В. Аспект термического воздействия в металлургических технологиях переработки отходов и минерального сырья на Дальнем востоке. Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2010. 182 с.
2. Беленков М.М., Кодлубик И.И., Малышев К.А., Михеев М.Н., Садовский В.Д., Устюгов П.А. Влияние мартенсита деформации на хладноломкость аустенитных сталей и их упрочнение при пластической деформации // Физика металлов и металловедение. Т. 10, вып. 1. Свердловск: Металлургиздат,1960. С. 122-131.
3. Макиенко В.М., Баранов Е.М. Получение высокопрочного чугуна без изменений формы графитных включений // Вестн. Ин-та тяги и подвижного состава. 2012. Вып. 8. С. 91-94.
4. Moldenke R. Zirconium in Cast Iron, Transactions American Foundrymen's Assoc., vol. 29, 1920, pp.391-396.
