CC BY
39
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
УДК 621.74.042:669.187.56
РО!: 10.25206/1813-8225-2018-159-5-9
Е. Н. ЕРЕМИН1 Г. Н. МИННЕХАНОВ2 Р. Г. МИННЕХАНОВ2
1Омский государственный технический университет, г. Омск
2ООО «Технологический центр»,
г. Омск
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ЛИТОГО МЕТАЛЛА ЗАПОРНОЙ АРМАТУРЫ КОМПЛЕКСНЫМ МОДИФИЦИРОВАНИЕМ ДИСПЕРСНЫМИ ИНОКУЛЯТОРАМИ
Рассмотрена проблема повышения качества стальных отливок деталей трубопроводной арматуры, полученных электрошлаковым литьем. Предложен комплексный подход к подготовке расплава при электрошлаковом литье, включающий его глубокое раскисление добавкой, содержащей редкоземельные металлы, и ввод модифицирующего комплекса, содержащего нанодисперс-ные частицы пироуглерода, что формирует в структуре мелкодисперсную ферритно-перлитную структуру, с мелкими глобулярными неметаллическими включениями, расположенными в осях дендритов. Такая технология позволяет изготавливать отливки из широкого класса сталей с высоким уровнем хладостойкости.
Ключевые слова: трубопроводная арматура, электрошлаковое литье, нано-дисперсные частицы, модифицирование, структура, механические свойства, хладостойкость.
Работа выполнена за счет гранта Российского фонда фундаментальных исследований (проект №16-48-550523).
Введение. На предприятиях нефтехимической и газовой промышленности используется соединительная трубопроводная арматура, работающая в условиях Крайнего Севера. Широкое применение для её изготовления нашел метод электрошлакового литья (ЭШЛ) [1—3]. В то же время по некоторым механическим свойствам и служебным характеристикам полученный литой металл не всегда удовлетворяет требованиям и стандартам, предъявляемым к эксплуатируемым изделиям [4, 5]. Одним из трудновыполнимых показателей качества литых
заготовок являются ударная вязкость КСи и КСУ величина вязкой составляющей в структуре металла. Это обусловлено столбчатой крупнозернистой структурой литого металла с большой протяженностью первичных осей дендритов, структурной и химической неоднородностью по всему объему получаемой литой заготовки [5].
С целью повышения эксплуатационной надежности электрошлаковых заготовок используют объемное модифицирование литого металла дисперсными инокуляторами [6]. Обычно в качестве
о
го >
инокуляторов используют частицы карбидов, нитридов, карбоборидов титана, вольфрама, ниобия, циркония и др. [6—11]. В то же время их широкое использование сдерживается дефицитностью и высокой стоимостью таких соединений. Вместе с тем промышленностью выпускается пироуглерод, который тоже может быть использован в качестве модификатора [12, 13]. Однако применение его в качестве модификатора литого металла не изучено.
В связи с этим в работе исследовали влияние пироуглерода на структуру и свойства отливок из низкоуглеродистой стали, полученных электрошлаковой тигельной плавкой металла.
Объекты и методы исследований. Объектом исследований являлась сталь 20Л. Опытные плавки проводили на установке центробежного электрошлакового литья КТМЭЛ-1 емкостью 250 кг и мощностью 250 кВт/час. В качестве исходного сырья использовали расходуемые электроды, сваренные из кусков проката в штангу. Во время плавки капли металла, проходя через слой шлака, температура которого обычно на 150 — 200 °С выше температуры плавления стали, интенсивно рафинируются от вредных примесей и неметаллических включений. После накопления достаточного объема металла по серийной технологии в расплав вводили ферромарганец, ферросилиций, науглероживатель для получения требуемого химического состава и алюминий для раскисления. Окончательное раскисление по опытной технологии выполняли специальной добавкой, содержащей редкоземельные металлы (РЗМ).
Ввод модифицирующего комплекса содержащего пироуглерод для опытных плавок осуществляли в контейнере из стальной трубы, приваренной на штангу. Ввод добавок в контейнере обеспечивал их гарантированное усвоение расплавом, предотвращая от растворения комплекса в шлаке.
После усвоения добавки расплав выпускался в форму, установленную на центробежную машину с вертикальной осью вращения. Отливки
по серийной технологии термообработали по режиму — нормализация (900 — 920 °С) с последующим высоким отпуском (600 — 650 °С). Отливки опытных плавок подвергались термообработке по специальному режиму.
Химический состав литого металла и распределение титана по сечению отливки определяли методом спектрального анализа на установке ДФС-500.
Металлографические исследования литого металла проводили на оптическом микроскопе Olympus GX-41.
Механические испытания проводили на универсальной разрывной машине УММ-10. Ударную вязкость образцов определяли на маятниковом копре КН-30.
Для изучения механических, служебных свойств и структуры отливок вырезали кольца.
Результаты и обсуждение. Химический состав исходной и опытных отливок приведены в табл. 1.
Анализ результатов испытаний образцов из металла, полученного по серийной технологии, показал относительно невысокий уровень ударной вязкости при —60 °С и вязкой составляющей в изломе после испытаний с V-образным надрезом (табл. 2).
Характерные особенности излома — большое количество мелких острых элементов, форма которых обусловлена кристаллическим (дендритным) строением металла. В структуре металла наблюдаются дендриты с ветвями второго порядка, расположенные параллельно поверхности, что указывает на неориентированный по нормали рост кристаллов при затвердевании поверхностного слоя отливки.
Содержание феррита, по мере удаления от наружной поверхности отливки, резко снижается, в то время как концентрация углерода повышается, что отражается в увеличении количества перлитной составляющей в структуре. За обогащенным находится обедненный углеродом слой (середина стенки), наличие которого связано с ликвацией углерода. Балл зерна на поверхности составляет 8 — 9, а в центральной части стенки отливки 5 — 6.
Таблица 1
Химический состав серийной и опытных отливок
№ плавки Химический состав, в %
C Mn Si Cr Ni Mo Ti Cu S P
Серийная 0,17 0,58 0,35 0,12 0,1 0,16 0,01 0,19 0,011 0,025
Опытная № 1 0,18 0,56 0,33 0,18 0,08 0,17 0,05 0,17 0,012 0,024
Опытная № 2 0,17 0,56 0,38 0,16 0,08 0,15 0,06 0,15 0,011 0,024
Таблица 2
Механические свойства отливок из стали 20, полученных по серийной технологии
№ плавки ав, МПа am, МПа S, % V, % Ударная вязкость при t= —60 °С, Дж/см2 Вязкая составляющая излома
KCU KCV KCU,% KCV, %
4014 545 407 30 54 109 28 43 17
4022 524 384 28 58 121 42 55 33
Механические свойства отливок из модифицированной стали 20
Таблица 3
№ плавки ав, МПа ат, МПа 8, % V, % Ударная вязкость при 1= -60 °С, Дж/см2 Вязкая составляющая излома
кси КСУ КСи,% КСУ, %
4020 540 375 31 70 195 145 85 60
4021 520 366 31 72 177 104 82 65
4013 508 355 25 74 163 103 85 69
Рис. 1. Влияние размера перлитной составляющей на ударную вязкость KCU отливок из стали 20 ЭШЛ
Рис. 2. Влияние размера перлитной составляющей на ударную вязкость КСУ отливок из стали 20 ЭШЛ
Зерна феррита частично имеют видманштетовое строение. Такая явно выраженная дифференциация структуры металла по сечению объясняется разными теплофизическими условиями их затвердевания и образованием структурных зон в отливке.
Фрактографические исследования показали загрязненность неметаллическими включениями (НМВ) сульфидной природы исследуемого поверхностного слоя излома. Принято считать, что, располагаясь по границам зерен, сульфидная эвтектика ослабляет междендритные связи, в результате чего в местах ее залегания образуются микропоры, снижающие ударную вязкость [14]. Кроме грубой сульфидной эвтектики, образующейся по границам дендритных кристаллов, в металле наблюдается значительное количество отдельных сульфидов, окси-сульфидов и оксидов, расположенных в металлической матрице. Степень влияния НМВ на хрупкость стали зависит от их формы, количества и размера. Считается, что легкие, изолированные НМВ, оказывают незначительное влияние на процессы разрушения стали, а наиболее опасными считаются вытянутые включения или пленки [15]. В серийной отливке обнаружены преимущественно оксисуль-фидные включения неправильной формы, способствующие охрупчиванию металла.
Пластичность стали характеризуется общей площадью соприкосновения между кристаллами, образующими каркас. Ее повышению способствует мелкодисперсная разветвленная дендритная структура и рассредоточенные по объему неметаллические включения [16]. Обеспечить такую структуру отливки можно за счет использования специальных технологических методов подготовки расплава при литье, способствующих интенсификации зароды-шеобразования в расплаве в начальный момент затвердевания отливки.
Раскисление расплава РЗМ, ввод в него модифицирующего комплекса и уточненные режимы термообработки позволяют изменить процесс формирования избыточных фаз и неметаллических включений, что обеспечивает получение отливок с повышенной ударной вязкостью при незначительном изменении прочностных свойств (табл. 3).
Сравнительный анализ, полученных данных показал, что модифицирование стали 20 при ЭШЛ обеспечивает повышение ударной вязкости КСи до 160-190 Дж/см2 и КСУ до 100-140 Дж/см2. При этом происходит незначительное снижение предела прочности и предела текучести при сохранении уровня значений относительного удлинения и относительного сужения.
Для отливок из модифицированной стали характерно стабилизация количества вязкой составляющей излома для испытаний КСи на уровне свыше 80 % и для испытаний с острым надрезом на уровне свыше 60 %.
Полученные результаты испытаний ударной вязкости отливок и анализ перлитно-ферритной микроструктуры ударных образцов позволил установить взаимосвязь размера перлитной составляющей и ударной вязкости отливок, полученных методом ЭШЛ (рис. 1, 2).
Как видно, наибольшую ударную вязкость имеет металл в котором размер перлитной составляющей структуры составляет около 3 мкм. Макроструктура такого металла отличается высокой плотностью и однородностью и состоит, как правило, из равноосных кристаллов. Неметаллические включения распределены по сечению отливки равномерно. Они имеют размеры, в основном, не более 23 мкм и глобулярную форму. По составу они обычно представляют собой шпинели сложного состава. Шлаковые и другие экзогенные включения не об-
Рис. 3. Микроструктура модифицированной стали
наружены, что подчеркивает минимальную загрязненность такого металла.
При анализе микроструктуры образцов установлено, что модифицирование ультрадисперсными порошками позволяет формировать во всем объеме структуры отливки мелкодисперсную фер-ритно-перлитную смесь, зерно которой соответствует 7 —8-му баллу шкалы ГОСТа, с мелкими глобулярными карбидными включениями, расположенными в осях дендритов (рис. 3).
Большую роль в увеличении энергии, затраченной на разрушение при ударе, играют морфология и топография карбидной фазы. Образование боль-
шого количества компактных карбидов в металле опытных плавок можно объяснить увеличением степени переохлаждения расплава при введении в него модификатора, дисперсные частицы которого, являясь центрами кристаллизации, увеличивают скорость охлаждения металла. Увеличение количества карбидов в металле в результате модифицирования сопровождается увеличением равномерности распределения дислокаций в деформируемом объеме [17]. Модифицирование способствует размножению и перемещению дислокаций и стимуляции фазовых превращений, повышает величину сил межатомных связей и прочность сцепления карбидов с матрицей [18].
Проведенный микроанализ показал, что в модифицированном металле, в сравнении с немодифи-цированным, легирующие элементы распределены намного равномернее, а величина дендритной ликвации существенно снижается.
Благодаря связыванию легирующих элементов, взаимодействующих с углеродом, повышается химическая стабильность матрицы и оказывается благоприятное воздействие на механические свойства получаемых отливок.
Разработанная технология была опробована при изготовлении отливок из низкоуглеродистых низколегированных сталей. Установлено, что механические свойства модифицированного металла существенно превосходят свойства металла отливок, полученных по серийной технологии (табл. 4, 5).
Важной особенностью модифицированного металла, выгодно отличающей его от немодифициро-ванного, является изотропность свойств в различных направлениях.
Таблица 4
Механические свойства металла отливок из низкоуглеродистых сталей, изготовленных по серийной технологии
Сталь Механические свойства
МПа ат, МПа 8, % V, % КСУ при 1= -60 "С, Дж/см2
09Г2СЛ 519 370 30 52 30
25Л 461 285 25 60 10
20ГЛ 500 400 31 50 20
20ХГСФЛ 600 450 28 48 30
12ХГФЛ 543 345 27 54 20
Таблица 5
Механические свойства металла отливок из низкоуглеродистых сталей, модифицированных нанодисперсными частицами
Сталь Механические свойства
ов, МПа ат, МПа 8, % V, % КСУ при 1= -60 "С, Дж/см2
09Г2СЛ 605 450 32 69 145
25Л 621 455 26 70 83
20ГЛ 500 400 35 65 126
20ХГСФЛ 600 450 34 68 134
12ХГФЛ 599 438 30 70 158
Большим преимуществом центробежного электрошлакового литья является обеспечение высокой оперативности выпуска различной номенклатуры и типоразмеров изделий.
Разработанная технология может быть использована для изготовления заготовок деталей запорной арматуры, фланцев, переходов, тройников и других деталей, предназначенных для работы в условиях Крайнего Севера.
Заключение. Комплексный подход к подготовке расплава при электрошлаковом литье, включающий его глубокое раскисление добавкой, содержащий редкоземельные металлы, и ввод модифицирующего комплекса, содержащего нанодисперсные частицы пироуглерода, позволяет изготавливать отливки из широкого класса сталей с высоким уровнем хла-достойкости.
Библиографический список
1. Патон Б. Е., Медовар Б. И., Бойко Г. А. Электрошлаковое литье. Киев: Наукова думка, 1980. 192 с.
2. Патон Б. Е., Медовар Б. И. Электрошлаковая тигельная плавка и разливка металла: моногр. Киев: Наукова думка, 1988. 214 с.
3. Еремин Е. Н., Жеребцов С. Н. Электрошлаковая ресурсосберегающая технология производства фланцевых заготовок // Литейное производство. 2003. № 6. С. 21-22.
4. Медовар Б. И., Цыкуленко А. В., Шевцов В. Л. [и др.]. Металлургия электрошлакового переплава. Киев: Наукова думка, 1986. 248 с.
5. Патон Б. Е., Медовар Б. И. Электрошлаковый металл. Киев: Наукова думка, 1981. 677 с.
6. Сабуров В. П., Еремин Е. Н., Черепанов А. Н. [и др.]. Модифицирование сталей и сплавов дисперсными инокулято-рами: моногр. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2002. 211 с.
7. Хрычиков В. Е., Калинин В. Т., Кривошеев В. А. Ультрадисперсные модификаторы для повышения качества отливок // Литейное производство. 2007. № 7. С. 2-5.
8. Полубояров В. А., Коротаева З. А., Черепанов А. Н. [и др.]. Применение механически активированных ультрадисперсных керамических порошков для улучшения свойств металлов и сплавов // Наука производству. 2002. № 2. С. 2-8.
9. Предтеченский М. Р., Черепанов А. Н., Тухто О. М. [и др.]. Плазмохимический синтез нанопорошков тугоплавких соединений и их применение для модифицирования конструкционных сталей и сплавов // Литейщик России. 2010. № 3. С. 28-29.
10. Артемьев А. А., Соколов Г. Н., Лысак В. И. Влияние микрочастиц диборида титана и наночастиц карбонитрида титана на структуру и свойства наплавленного металла // Металловедение и термическая обработка материалов. 2011. № 12 (678). С. 32-37.
11. Соколов Г. Н., Лысак В. И., Трошков А. С. [и др.]. Модифицирование структуры наплавленного металла нано-
дисперсными карбидами вольфрама // Физика и химия обработки материалов. 2009. № 6. С. 41—27.
12. Александров В. М., Кулаков Б. А. Пироуглерод в литейном производстве // Литейное производство. 1993. № 1. С. 17-18.
13. Комшуков В. П., Фоигт Д. Б., Черепанов А. П. [и др.]. Модифицирование непрерывнолитой стали тугоплавкими соединениями // Сталь. 2009. № 4. С. 65-68.
14. Зайцев А. И., Крапошин В. С., Родионова И. Г. [и др.]. Комплексные неметаллические включения и свойства стали. М.: Металлургиздат, 2015. 276 с. ISBN 978-5-902194-85-9.
15. Штремель М. А. Разрушение: моногр. В 2 кн. М.: Из-дат. дом МИСиС, 2014. Кн. 1. 669 с.
16. Kumar A. S., Kumar B. R., Datta G. L. [et al.]. Effect of microstructure and grain size on the fracture toughness of a micro-alloyed steel // Materials Science Engineering A. 2010. Vol. 527, Issue 4-5. P. 954-960. DOI: 10.1016/j.msea.2009.09.027.
17. Горынин В. И., Кондратьев С. Ю., Оленин М. И. Повышение сопротивляемости хрупкому разрушению перлитных и мартенситных сталей при термическом воздействии на морфологию карбидной фазы // Металловедение и термическая обработка металлов. 2013. № 10. С. 22-29.
18. Новиков В. Ю. Аномальный рост зерна: влияние дисперсных частиц // Металловедение и термическая обработка металлов. 2018. № 3. С. 3-9.
ЕРЕМин Евгений николаевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Машиностроение и материаловедение» Омского государственного технического университета (ОмГТУ), директор машиностроительного института ОмГТУ.
SPIN-код : 2894-2461 Author ID (РИНЦ): 175269 Researcher ID (WoS): J-4245-2013 Author ID (SCOPUS): 6603904601
МиннЕХАИОВ Гизар нигъматьянович, директор ООО «Технологический центр», г. Омск. Author ID (РИНЦ): 566737
МиннЕХАнОВ Руслан Гизарович, заместитель директора ООО «Технологический центр», г. Омск. Author ID (РИНЦ): 566738 Адрес для переписки: [email protected]
Для цитирования
Еремин Е. Н., Миннеханов Г. Н., Миннеханов Р. Г. Повышение качества литого металла запорной арматуры комплексным модифицированием дисперсными инокуляторами // Омский научный вестник. 2018. № 3 (159). С. 5-9. DOI: 10.25206/1813-8225-2018-159-5-9.
Статья поступила в редакцию 23.04.2018 г. © Е. Н. Еремин, Г. Н. Миннеханов, Р. Г. Миннеханов
