CC BY
14
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ
2002 р
Вип.№ 12
УДК 669.048.621.762
Кассов В.Д.1, Чигарев В.В.2, Гавриш П.А.
з
ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА МОДИФИЦИРОВАНИЯ ВАЛКОВЫХ СТАЛЕЙ ПОРОШКОВОЙ ЛЕНТОЙ, СОДЕРЖАЩЕЙ СЛОИСТЫЕ СОЕДИНЕНИЯ ГРАФИТА
В статье рассматриваются особенности влияния графита, интеркалированного фторидом ниобия, на процесс модифицирования валковых сталей. Показано, что использование предлагаемого способа модифицирования улучшает исходную структуру, технологические и эксплуатационные свойства выплавляемых сталей
Обработка жидких расплавов модификаторами для улучшения технологических свойств сталей - задача исследования настоящей статьи. Одной из проблем модифицирования стали является введение в расплав необходимых компонентов, которые зачастую легкоплавки, обладают высоким сродством к кислороду, испаряются при относительно низких температурах. Задача заключается в том, чтобы сохранить их от испарения и дать им возможность прореагировать в полном объеме. Применяя для модифицирования композиционные порошковые ленты, удалось добиться качественных результатов при модифицировании.
Большое влияние на свойства заэвтектоидных и особенно ледебуритных сталей оказывают особенности распределения карбидов и создаваемая ими карбидная неоднородность. С увеличением балла карбидной неоднородности снижается предел выносливости и контактно-усталостная прочность металла, поэтому в состав композиционной ленты для модифицирования вводят компонент, позволяющий снизить балл карбидной неоднородности.
Применяя композиционные порошковые ленты для модифицирования, в их шихту вводили слоистые соединения графита. При нагреве композиционной ленты в расплаве, т.е. при определенном уровне термического возмущения порошкового модификатора происходит расширение слоистого соединения графита. Это связано с выбросом интеркаланта из межплоскостных зон графита и с переводом части атомов углерода из 8р2- в 8р3- гибридное состояние и излому графитовых сеток с образованием терморасширенных частиц повышенного объема [1]. Благодаря содержащейся в слоистых соединениях графита потенциальной энергии, развиваются усилия распора, приводящие к раскрытию замкового соединения ленты и механическому переносу шихтовых составляющих в сварочную ванну. При этом принудительно рассредотачи-вается порошковый модификатор по объему расплавленной ванны металла.
В качестве слоистого соединения использован графит, интеркалированный фторидом ниобия. С повышением температуры происходит реакция:
Ниобий, являясь карбидообразователем, повышает дисперсность карбидной сетки. Принудительное рассредоточение модификатора по объему металлической ванны также способствует снижению карбидной неоднородности стали.
Присутствие фторида графита позволяет снизить содержание водорода в стали, поскольку фтор связывает водород в устойчивое соединение - фтористый водород:
Возможность протекания реакции (2) подтверждается термодинамическим расчетом по
1 ДГМА, канд.техн.наук
2 ГТГТУ, д-р техн. наук, проф.
3 ДГМА, науч.сотр.
(1)
(2)
методике [2]. Кинетика изменения объема интеркаланта в зависимости от концентрации слоистого соединения графита в шихте композиционной ленты представлена на рис.1. При содержании слоистого соединения графита в шихте менее 1,5 % не происходит значительного расширения объема интеркаланта, и его влияние на свойства стали недостаточно. При содержании слоистого соединения графита выше 6 % происходит взрывное увеличение объема, разрывающее композиционную порошковую ленту. Предварительные эксперименты показали, что оптимальное содержание слоистого соединения графита в шихте составляет 4-6 %.
200 300 400 500 Температура, °С
600 700 800
Рис. 1 - Кинетика роста объема интеркаланта при различных концентрациях графита
При исследовании применяли композиционную порошковую ленту, изготовленную с учетом рекомендаций [3], содержащую шихту при следующем соотношении компонентов масс.%: 81 - 44,5; А1 - 4,5; Са - 10,05; М§ - 6,6; сумма РЗМ - 4,4%; графит интеркалированный фторидом ниобия (С§№>Рз) - 4,2%; Бе - остальное. Электрошлаковый переплав стали 110Х6СВ2МФ проводили под флюсом АНФ-6 с использованием модифицирующей ленты и без нее.
Провели:
- химический анализ стали отливок для определения стабильности состава по высоте и поперечному сечению;
- макроструктурный анализ по сечению отливок с оценкой степени осевой и внеосевой ликвации вредных примесей, величины дендритов, строение зон кристаллизации (анализ выполняли на продольных и поперечных темплетах, подвергаемых поверхностному травлению в горячем 15% растворе персульфата аммония);
- оценку карбидной неоднородности на образцах, вырезанных из различных зон по высоте и поперечному сечению;
- измерения ударной вязкости на стандартных образцах в отожженном состоянии и без надреза в закаленном состоянии.
Установлен рост ударной вязкости модифицированных сталей при электрошлаковом переплаве (табл.1). Микроструктура матрицы стали характеризуется мелкоигольчатым мартенситом. Карбидная фаза представляет собой неполную сетку (ячейки) ледебурита, толщина которой с повышением температуры закалки несколько уменьшается, а разобщенность - увеличивается. Карбидная неоднородность стали представлена на рис.2 (хЮО). При переплаве без использования композиционной ленты карбидная неоднородность стали, характеризуемая толщиной и степенью разорванности сетки, значительна (рис.2а). При переплаве с использованием композиционной ленты степень карбидной неоднородности снижается (рис.26).
Таблица 1 - Физико-механические свойства исследуемой стали
Вид переплава Дисперсность отожженной структуры, балл Твердость, няс Ударная вязкость, кДж/м2
отожженное состояние закаленное состояние
с лентой 4 64,2 1176 392
без ленты 3 60,8 980 196
Рис. 2 - Карбидная неоднородность стали без (а) и с использованием (б) ленты
Результаты химического состава сталей электрошлакового переплава сведены в табл. 2. Темплеты для химического анализа взяты из идентичных зон модифицированного и немоди-фицированного слитков.
Таблица 2 - Химический состав сталей ЭШП
Вид переплава Зона слит ка Содержание элементов, %
С 8 Р 81 Мп Сг Мо V/ А1
с лентой 1 1,62 0,019 0,018 1,09 0,34 6,1 0,6 2,5 0.036
2 1,68 0,021 0,018 1,1 0,32 6,14 0,55 2,5 0,034
3 1,64 0,020 0,019 1,08 0,32 6,14 0,6 2,44 0,038
без ленты 1 1,61 0,021 0,020 1,16 0,3 6,0 0,5 1.8 0,032
2 1,6 0,026 0,024 1,2 0,32 6,1 0.7 1,8 0,021
3 1,7 0,024 0,022 1,12 0,37 6,23 0,55 2,05 0,019
Из табл. 2 видно, что стабильность химического состава слитка выше при модифицировании порошковой лентой.
На продольных темплетах от поверхности к центру наблюдаются три зоны: корковая поверхность, зона транскристаллитов и центральная зона равноосных кристаллов. Места раздела зон имеют вид V-образной ликвации, которая характеризуется повышенной травимостью. После модифицирования дендритная ликвация направлена под более острым углом, что положительно влияет на повышение физико-механических свойств слитка. Ширина структурных зон по величине слитка изменяется незначительно. Металл слитка плотный, дефекты отсутствуют. Распределение серы по зонам слитка в основном равномерное. Меньше серы находиться в центральной зоне. Данные участки слабо травимы. Этот факт объясняется совместным влиянием шихты модификатора.
Анализ микроструктуры показывает, что при модифицировании порошковой лентой, содержащей графит, интеркалированный фторидом ниобия, удалось добиться микроструктуры слитка с тонкодисперсной мартенситной матрицей и с равномерно распределенными карбидами. Такая микроструктура повышает ударную вязкость стали. Кроме того, она меньше склонна к катастрофическому разрушению валка при аварийных ситуациях в эксплуатационном режиме. Модифицирование стали приводит к уменьшению количества и размеров крупных карбидов, располагающихся по границам ветви дендритов (рис.2), причем форма карбидов существенно отличается от формы карбидов стали, выплавленной без модифицирования. Таким образом, при значительном влиянии технологии металлургического передела на улучшение исходной структуры, технологических и эксплуатационных свойств выплавляемых сталей важным фактором, обеспечивающим эксплуатационные свойства валков холодной прокатки является оптимальное модифицирование стали при электрошлаковом переплаве.
Выводы
При модифицировании валковых сталей композиционной лентой, содержащей слоистые соединения графита, повышается контактно-усталостная прочность на 10%, снижается карбидная неоднородность, на 20 % повышается ударная вязкость, повышается дисперсия отожженной структуры.
Перечень ссылок
1. Физико-химические свойства графита и его соединений / И.Г.Черныш,, И.И.Карпов, Г.П.Приходъко, В.М.Шай. - Киев: Наукова думка, 1990. - 200с.
2. Кассов В.Д. Методологический подход к практическим расчетам в термодинамике сварочных процессов // В1сник Черкаського шженерно-технолопчного шституту. 2001,- № 1-С.91-97.
3. Чигарев В. В. Технологические особенности производства порошковых лент // Состояние и перспективы развития электротехнологии, III Бенардосовские чтения,- Иваново.-1987,-С.78-79.
Кассов Валерий Дмитриевич. Канд.техн.наук, доцент кафедры сварки ДГМА, окончил Краматорский индустриальный институт в 1971 г. Основные направления научных исследований -прикладные и теоретические проблемы создания электродных материалов с улучшенным комплексом служебных свойств, технологических процессов их изготовления.
Чигарев Валерий Васильевич. Д-р техн.наук, профессор, завкафедрой МиТСП ПГТУ, окончил Ждановский металлургический институт в 1969 г. Основные направления научных исследований - прикладные и теоретические проблемы создания электродных материалов с улучшенным комплексом служебных свойств, технологических процессов их изготовления.
Гавриш Павел Анатольевич. Науч.сотр. кафедры сварки ДГМА, окончил Краматорский индустриальный институт в 1975 г. Основные направления научных исследований - вопросы повышения качества металла, получаемого электрошлаковыми технологиями.
Статья поступила 07.02.2002
