CC BY
55
УДК 621.74.042:669.187.56 Ю. О. ФИЛИППОВ
Е. Н. ЕРЕМИН г А. С. ЛОСЕВ А. Е. ЕРЕМИН Ю. С. БАГИНСКИЙ Д. Г. ПОКРОВСКИЙ
Омский государственный технический университет
СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ВЫСОКОХРОМИСТЫХ СТАЛЕЙ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ ТУГОПЛАВКИМИ ЧАСТИЦАМИ
Описана новая технология электрошлакового литья кольцевых заготовок из высокопрочных высокохромистых сталей, включающая модифицирование металлического расплава дисперсными частицами молибдена и ванадия. Приведены результаты испытания литого металла и показаны преимущества модифицированных литых заготовок.
Заготовки из азотсодержащих высокохромистых сталей, в частности 15Х12Н2АМ, 15Х12Н2МВФАБ и др.. широко используются для изго товления деталей и узлов энергетических установок, работающих при повышенных температурах и подвергающихся в процессе эксплуатации высоким нагрузкам различного характера. Требования, предъявляемые к изделиям из этих сталей, в настоящее время могугбыть в основном удовлетворены только при использовании этих материалов после деформационной обработки. Это связано с тем, что свойства литых сталей этих марок ниже, чем кованых. Изготовление деталей и узлов, порой имеющих большие габариты и вес, из кованых заготовок сопровождается неоправданно большим расходом дорогостоящих материалов и низкой про-и з водительностыо.
Большими возможностями в направлении решения этой проблемы обладает электрошлаковое литье (ЭША) 11).
Вместе с тем, как показали проведенные исследования, д\я высоколегированных сталей и сплавов, кристаллизация которых сопровождается значительным развитием дендритной химической неоднородности из-за наличия в их составе сильно лидирующих элементов, уровень механических свойств литых заготовок, полученных методами электрошла-ковоголитья, все же ниже, чем у кованых [2). Пониженный уровень механических, а особенно пластических свойств, имеют и литые заготовки из стали 15Х12Н2МВФАБ. Одним из путей решения этой проблемы является разработка методов управления структурой металла элоктрошлаковых отливок, а следовательно и его механических свойств, так как последние являются структурночувствительными.
С этой целью исследовали комплексное объемное модифицирование азотсодержащей хромоникелевой стали 15Х12Н2МВФАБ при электрошлаковом ли гье заготовок типа «фланец» массой до 50 кг и толщиной стенки до 30 мм. Применяли модификатор в состав
которого входят молибден, ванадий и никель. Выбор модификатора осуществили из следующих соображений. Дисперсные частицы молибдена, имеющего высокую температуру плавления, являются инокулято-рами - центрами зародышеобразоваиия. Ванадий имеет подобную молибдену кристаллическую решетку, небольшую разницу в электроотрицательности и атомном диаметре, что обусловливает образование между ними непрерывных рядов твердых растворов (3|. В силу известного принципа «подобное смачивается (адсорбируется) подобным» [4]. атомы ванадия, при вводе модификатора в расплав избирательно адсорбируются поверхностью частиц молибдена. Большое сродство ванадия к азоту должно увеличивать зародышеобразующую активность частнц молибдена. Никель обеспечивает изоляцию частиц инокуля-тора (молибдена) друг от друга, предотвращая тем самым их слипание и коагуляцию на стадии ввода модификатора в расплав.
Модификатор получали смешиванием порошковых компонентов дисперсностью 0,5— 1 мкм с последующим их прессованием под удельным давлением 500-700 МПа в брикет-таблетку диаметром 30 мм и толщиной 10 мм. При прессовании происходит взаимное движение частиц друг относительно друга, благодаря чему имеет место механическое разрушение окисной пленки на их поверхности. Указанные размеры таблеток выбраны из условия достаточно быстрого растворения их в жидком металле (30 — 60 с), а также из того соображения, что одна таблетка приходилась бы на 10 кг обрабатываемого расплава. Такие брикеты имеют значительную плотность, обусловливающую их быстрое прохождение через расплавленный шлак, что обеспечивает высокую степень усвоения модификатора металлической ванной. Модификатор вво-дили в расплав при темпера туре 1650 “С за 2 — 3 мин до слива его в кокиль.
Эксперименты проводили на установке Л-550У, укомплектованной медной гарнисажной водоохлаж-
цихэио
ЗИНт«ОНИШ¥« И ЗИНЗСМ1ЭОНИГП¥И
Химический состав стали 15ХІ2Н2МВФАБ
Металл Концентрация элементов. %
С О N1 Мо V/ V ьъ Б Р N
Электрод 0,16 12.34 1.96 1.48 0.87 0,25 0.32 0,006 0.009 0.05
ЦЭШЛ без маднф. 0.15 12.17 1.95 1.41 0.84 0.18 0,25 0.003 0.007 0.06
ЦЭШЛ с модифнц. 0.15 12.21 1,95 1.46 0.85 0,23 0.28 0.003 0.007 0.07
ТУ 14-М 161-75 0.13-0.18 11.0-12.5 1,4-2,1 1,35-1.65 0.65-1.0 0.18-0.30 0,20,35 ?0.05 Ю.ОЗО 0.02-0.08
Таблица 2
Механические свойства стали І5ХІ2Н2МВФАБ
Металл Термическая об{мботка о. 5 V кси
МПа % МДж/м*
ЭШЛ без модифицирования Нормализация 1130’С, 1067 838 И 27 0.32
ЭШЛ с модифицированием отпуск 750 'С. закалка с 1056 862 18 59 0.68
ТУ 14 — 1 — 1161 —75 1120'С о масло, отпуск 700 ’С 21030 2830 £14 255 20.59
даемой плавильной емкостью и кокилем. В качестве переплавляемого металла использовали прутки сортового проката соответствующей стали.
Поскольку при ЭШЛ скорость кристаллизации металла и зоне формирования изделия велика, то большое значение имеет состав применяемого флюса. Флюс должен иметь невысокую температуру плавления, большой шггервал затвердевания, обладать заметной текучестью при высокой скорости охлаждения и обеспечивать стабильность гарнисажного слоя по всей поверхности заготовки. Поэтому использовали флюс системы СаР2 — СаО- А1..0., с добавкой до 10% ЭЮ.,, позволяющий повысить формирующие свойства флюса и его пластичность в твердом состоянии [2].
Данные химического анализа, осуществленного на оптико-эмиссионном анализаторе ЛЯС-МЕТ-930 Б Р. представленные в табл. 1, свидетельствуют о том, что сосгав металла отливки, полученного центробеж-
ным электрошлаковым литьем с использованием данного флюса, по большинству основных легирующих элементов изменяется незначительно и укладывается в марочный состав.
Металлографические исследования показали, что литой ^модифицированный металл имеет направленную транскристаллитиую структуру с большой протяженностью первичных осей дендритов. Микроструктура такого металла представляет собой крупноигольчатый мартенсит, пластины которого имеют характерную ориентировку и расположены преимущественно под углом 60е (рис. 1а).
Результаты механических испытаний такого металла при нормальной температуре, приведенные в табл. 2, показывают, что его пластические свойства значительно уступают деформированному металлу и не соответствуют техническим условиям.
Изучением поверхности изломов ударных образцов после испытаний установлено, что макроизломы
а б в
Рис. I. Структура литой кольцевой заготовки из ^модифицированной стали 15Х12Н2МВФАБ электрошлаковой плавки:
а - микроструктура (х500); б - рельеф излома; в - тонкая структура кристаллов а-мартенсита |х22000)
а б в
Рис. 2. Структура литой кольцевой заготовки из модифицированной стали 15Х12Н2МВФАБ электрошлакоиой плавки:
а - микроструктура (х500); б - рельеф излома; в - тонкая структура а-мартенента с прослойками остаточного аустоннта (х22000)
имеют полухрункий и хрупкий характер (рис. 16). Микрофрактографические исследования свидетельствуют о том, что излом представляет собой транс-кристаллитный скол с характерным «реечным узором».
Электронномикроскопические исследования показывают, что основной структурной составляющей является ОЦК - а-маргенсит, кристаллы которого образуют пакеты плоскопараллельных пластин (рис. 1в). Остаточного аустенита не обнаружено. Вместе с тем в маргенситной матрице имеется некоторое количество структурно-свободного 8-феррита, который наблюдается в виде включений, расположенных как внутри, так и по границам бывших аустенитных зерен. По-видимому, это и приводи т к значительному падению пластичности литого металла. Подобное влияние 5-феррита на ударную вязкость и жаростойкость в нержавеющих сталях было отмечено авторами работ |5,6|.
Введение в металл модификатора приводит к существенному изменению получаемой структуры и свойств литого металла. Наилучшее сочетание структуры и механических свойств стали достигнуто при соотношении частиц инокуляторов и активирующей добавки 1:2 и массе модификатора 0,5-0,8 %. Устраняются зоны транскристаллизации в кольцевых отливках, резко уменьшаются размеры дендри -тов, которые к тому же приобрели благоприятную форму но всему объему закристаллизовавшегося металла. Пластины а-мартенсита не имеют преимущественной ориентировки (рис. 2а). Механические испытания показывают, что модифицированный литой металл по всем характеристикам превосходит немоднфицированный и находится на уровне свойств
деформированного.
При исследовании изломов ударных образцов установлено, что все зоны разрушения (центральные, боковые и долома) имеют практически одинаковый, характерный для вязкого разрушения рельеф (рис. 26). Основная микрофрактофафическая характеристика разрушения - ямочный излом. В микроструктуре такого металла крупных выделений 5-феррита не обнаружено. Вместе с тем наряду с мартенситом появляется остаточный аустенит, расположенный, в основном, между мартенситными кристаллами в пакете в виде тонких прослоек (рис. 2в). Границы между соседними «-кристаллами как правило малоугловые. Кроме того, во всех местах структуры можно наблюдать дисперсные частицы, по-видимому, оксикарбонитридов, которые выглядят как округлые черные включения различных размеров.
Приведенные данные позволяют сделать вывод, что использованный модификатор является опти-
мальным в отношении формирования структуры металла электрошлаковых отливок, определяющей пластические характеристики азотсодержащих мар-тенентных и мартенситостареющих сталей. Очевидно появление остаточного аустенита и отсутствие 5-феррита, в большей степени определяют более высокие пластические свойства модифицированной литой стали 15Х12Н2МВФАБ.
Таким образом, кольцевые заготовки, полученные электрошлаковым литьем с применением модифицирования металла дисперсными ипокуляторами. по уровню свойств не уступают горячедеформирован-ным и в то же время имеют более низкую трудоемкость изготовления и стоимость.
Библиографический список
1. Патон, Б.В. Электрошлаковая тигельная планка и разливка металла / Б.Е. Патон, Б.И. Медовар. - Киен: Наук, думка. 1988. -214с.
2. Медовар. Б.И. Металлургия электрошлаковогопроцесса / Б.И. Медовар, А.К. Цикуленко, В.Л. Шевцов. - Киев: Наук, думка. 1986 -248 с.
3. Савицкий. Е.М. Металловедение сплавов тугоплавких и редких металлов / Е.М. Савицкий. Г.С. Бурханов. • Инд-но Наука. 1971.-356с.
4. Найдич, Ю.В. Контактные явления в металлических расплавах / Ю.В 11айдич. - Киев: Наук, думка. 1972. - 230 с.
5. Анастаснади. Г.П. Влияние скорости охлаждения и термической обработки на химическую микронеоднородность стали 09Х16Н4БЛ/Г.П. Анастаснади., Р.В. Колчнна, Л.Н. Смирнова // Металловедение и термическая обработка мегаллов. • 1985. - №. 9. • С.35-37.
Специальные стали и сплавы / Под ред. Ф.ф. Химушина. -М.: Машиностроение, 1968. • 446 с.
ЕРЕМИН Евгений Николаевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Оборудование и технолошя сварочного производства», директор машиностроительного института.
ФИЛИППОВ Юрий Олегович, инженер кафедры «Оборудование и технология сварочного производства».
ЛОСЕВ Александр Сергеевич,
ЕРЕМИН Андрей Евгеньевич,
БАГИНСКИЙ Юрий Станиславович, ПОКРОВСКИЙ Дмитрий Геннадьевич — все аспиранты кафедры «Оборудование и технолошя сварочного производства».
Статья поступила в редакцию 16.04.07 г.
© Е. Н. Еремин, Ю. О. Филиппов, А. С. Лосев, А. Е. Еремин, Ю. С. Багинский, Д. Г. Покровский
