CC BY
13
шдапг етшм/от гта
- 1 (41). 2007
/125
ПРОИЗВОДСТВО
The characteristics of vanadium and nitrogen -containing economically-alloyed wear-resisting steels are investigated. The micro-composition and nature of non-metallic impurities of steels with lowered content of manganese are studied. The optimal compositions of alloys for castings are offered.
А. И. ГАРОСТ, Белорусский государственный технологический университет
УДК 669.187.2:620.17
ВОЗДЕЙСТВИЕ ДОБАВОК НА ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ЭКОНОМНОЛЕГИРОВАННЫХ ИЗНОСОСТОЙКИХ СТАЛЕЙ
Введение
Формирование структуры при затвердевании определяется закономерностями зарождения и роста твердой фазы. Технические стали содержат такое количество примесных активированных твердых частиц, что они не лимитируют скорость зарождения центров твердой фазы при достигаемой в их присутствии степени переохлаждения [1]. В таких условиях добавки модификаторов могут оказывать влияние на процесс первичной кристаллизации в основном в результате повышения энергии активации роста твердой фазы, т.е. торможения линейной скорости кристаллизации. Если оно будет настолько существенным, что в локальных объемах металла более продолжительное время сохранится необходимое для зарождения центров термическое переохлаждение или уменьшится степень конкурирующего подавления развития одних зародышей другими, то будут иметь место условия для зарождения и развития большего числа центров твердой фазы, т.е. для уменьшения размера зерна первичной структуры.
Стабильная и широкая реализация структурного фактора в формировании эксплуатационных свойств сталей приобретает все актуальнейшее значение вследствие ограниченности сырьевых запасов многих легирующих элементов.
Для широкого применения модифицирования как способа повышения физико-механических свойств сталей необходимо учитывать основные механизмы и эффективность влияния добавок на формирование первичной и вторичной структуры на всех этапах металлургического передела отливок, взаимосвязь между структурой и свойствами. Определяющим также является механизм зависимости эффективности модифицирования от химического состава и теплофизических условий затвердевания металла.
Средний уровень газонасыщенности высокомарганцовистой стали в 3—6 раз выше, чем у сталей феррито-перлитных классов: 0,010% [О], 0,020%[Ы], 15 см3/100 г [Н]. Повышенное содержание азота и водорода объясняется их более высокой растворимостью в железо-марганцевых сплавах. Азот в сочетании с нитридообразующим элементом, обеспечивающим его выделение из твердого раствора в нитридную фазу, способствует достижению эффективного модифицирующего эффекта [2].
Наиболее универсальным нитридообразующим элементом с точки зрения перераспределения нитридной фазы при аустенизирующем нагреве является ванадий [3].
Характеристики стали во многом зависят от микросостава сплава, связанного с особенностями его производства, условиями выплавки, раскисления, модифицирования и микролегирования.
Исследования методом сканирующей электронной микроскопии природы неметаллических включений высокомарганцовистой стали классического состава, содержащей 0,34% ванадия, показали наличие содержащих небольшое количество закиси железа и марганца, преимущественно строчечных выделений карбонитридов ванадия, округлых и одиночных продолговатых не содержащих азот включений карбидов ванадия (У4С3) и осажденных из жидкой стали на многочисленных кристалликах шпинелей глобулярных включений сульфидов марганца и железа, т. е. комплексных включений желе-зомарганцевых силикатов и сульфидов [3].
Введение азота в ванадийсодержащую (0,30% V) высокомарганцовистую сталь классического состава способствует обнаружению преимущественно в виде одиночных продолговатых включений (без включений закиси железа и марганца) карбонитридов ванадия с большей концентрацией нитридной составляющей (~ в 2 раза), осажденных из жидкой стали обособленных глобулярных (крисгал-
1015 гг глгш^ятгся
1£.0 / 1 (41). 2007 -
лики шпинелей отсутствуют) включений сульфидов марганца и карбидов типа Мп3С, строчных не содержащих азот включений карбидов ванадия и марганцовистого цементита, осажденных из жидкой стали включений на многочисленных кристалликах ортосиликата марганца (2МпОЗЮ2) карбидов типа Мп3С и округлых с ответвлениями включений на марганцовистой шпинели (МпОРеО) карбидов типа (Бе, Мп)3С [3].
Природа неметаллических включений в аусте-нитной высокомарганцовистой стали с пониженным марганцем изучена недостаточно.
Модифицированная ванадием износостойкая сталь с пониженным содержанием марганца
Для изучения характеристик износостойкой аустенитной стали с пониженным содержанием марганца проведена серия плавок (плавки 63, 64, 65) в индукционных печах ИСТ-016 и ИСТ-1 на Восточно-Казахстанском машиностроительном заводе (табл. 1). Для обеспечения идентичных условий кристаллизации образцы заливали в формы из жидкостекольных самотвердеющих смесей, температура заливки поддерживалась постоянной — 1430110 °С.
Таблица 1. Химический состав опытных плавок аустенитной высокомарганцовистой стали
Номер плавки Содержание элементов, мас.%
С Мп & V N Б Р
63 0,75 9,50 0,64 0,23 - 0,005 0,083
64 0,95 9,50 0,66 0,23 0,082 0,005 0,092
65 0,93 9,60 0,66 0,25 0,063 0,006 0,085
В литом состоянии высокомарганцовистая сталь классического состава, содержащая 0,34% ванадия [3], имеет аустенитную структуру с выделениями карбидов по границам и полю зерна. При понижении концентрации марганца до 9,5% (плавка 63) отмечается значительное уменьшение величины аустенитных зерен и количества карбидных выделений по межзерен-ным границам (рис. 1, а). В результате закалки выделения, располагающиеся по границам, растворяются и структура сплавов после термообработки состоит из аустенита и неметаллических включений преимущественно по полю зерна (рис. 1, б).
Микросостав неметаллических включений исследовали на сканирующем электронном микроскопе 15М-5610ЬУ методом электронно-зон-дового ЕЭХ анализа на детекторе 1ЕБ 2201. Состав включений закаленной износостойкой стали с пониженным содержанием марганца (табл. 2, плавка 63) указывает на присутствие (рис. 2, б) неправильной формы включений на марганцовистой шпинели (МпО • РеО) карбидов типа (Бе, Мп)3С (рис. 2, б, поз.1) с незначительной долей нитридной составляющей, кристаллов (рис. 2, б, поз. 2) карбонитридов ванадия с высокой концентрацией нитридной составляющей и подобных комплексных включений (рис. 2, б, поз. 7) с наличием нитридов алюминия, обособленных прямоугольных включений сульфидов марганца и железа и карбидов типа (Ре, Мп)3С (рис. 2, б, поз. 3), комплексных включений сульфидов марганца и карбидов ванадия (рис. 2, б, поз. 5) с легко дифференцируемыми на их фоне выделениями сульфидов марганца и карбидов типа (Ре, Мп)3С (рис. 2, б, поз. 4), а также грубых выделений ферритов кальция (ЗСаО • Ре304) и карбидов типа (Ре, Мп)3С (рис. 2, б, поз. 6).
Модифицированная ванадием и азотом износостойкая сталь с пониженным содержанием марганца
Исследовали стали с концентрацией марганца 9,5% и азота 0,082% (плавка 64). Общая загрязненность неметаллическими включениями (рис. 2, в) меньше, чем в такой же стали не содержащей азот (рис. 2, а). Литая структура (см. рис. 1, в) идентичная, как и в такой же стали без азота (см. рис. 1, а).
Исследование состава неметаллических включений (табл. 2, плавка 64) указывает на присутствие, содержащих карбиды железа, алюмокремнийжелези-стых силикатов («МпО • тРсО в/?А1203) (рис. 2, г, поз. 1), практически чистых округлых и прямоугольных включений нитридов (У,Т1)Ы с преобладанием ванадиевой составляющей (рис. 2, г, поз. 2 и 5), осажденных из жидкой стали обособленных включений сульфидов марганца и карбидов типа Мп3С (рис. 2, г, поз.З), подобных включений с наличием в составе карбонитридов ванадия и титана (рис. 2, г, поз.4) и сложной формы тонких выделений карбонитридов ванадия (рис. 2, г, поз.6).
Раскисленная алюминием модифицированная ванадием и азотом износостойкая сталь с пониженным содержанием марганца
Механизм образования и характер изменения при термической обработке неметаллических включений и в первую очередь нитридов и карбонитридов в стали, модифицированной азотом и ванадием, существенным образом зависит от содержания алюминия.
Раскисленная алюминием сталь (плавка 65) в литом состоянии обнаруживает присутствие повышенного количества неметаллических включений преимущественно в приграничных зонах (см. рис. 1, г). Форма, размеры (рис. 2, д, е, ж) и химический состав (табл. 2, плавка 65) данных выделений исследованы методами сканирующей электронной микроскопии.
[Улье:г штжп'.ь I
- 1 (01). 2007 /
127
Рис. 1. Микроструктура (металлографические исследования) износостойкой аустенитной стали, легированной 0,23—0,25% ванадия, с пониженным содержанием марганца в литом (а, в, г) и закаленном (б, д) состояниях (а, б — плавка 63; в — плавка
64; г, д- плавка 65). а - х200; б, г - х500; в - х320; д - хЮО
190 /гггг:г:г: г/^гп/отггта
|£.и / 1 (41), 2007 -
ж з и
Рис. 2. Микроструктура (исследования методом сканирующей электронной микроскопии) износостойкой аустенитной стали, легированной 0,23—0,25% ванадия, с пониженным содержанием марганца влитом (д, е, ж) и закаленном (а, в, г, з, м) состояниях; азот не вводился (а, б) (плавка 63); введено 0,082% азота (в, г) (плавка 64); введено 0,063% азота (д, е, ж, з, и) (плавка 65); металл плавки 65 дополнительно раскислен алюминием, а - хЮО; б — х2000; в — х400; г — хЗООО; д, ж ~ х5000; е - хЮОО
ШТТгб 1Т (ОТЯЛКТГПТЕ /140
- 1 (41). 2007 / МвЭ
Таблица 2. Химический состав неметаллических включений опытных плавок аустенитной высокомарганцовистой стали
Номер плавки Позиция включения Содержание элементов, мас.%
С О 81 Р Б А1 Мп V Т1 N3 Са N Ре
1 2 3 4 5 6 7 8 9 И 12 14 15 16 17
63 1(рис.2б) 18,81 11,11 0,32 0,26 0,16 0,08 9,33 0,57 - - 0,29 0,51 58,58
2(рис.2б) 8,58 - 0,10 0,03 - 0,05 5,01 51,73 - - 0,09 10,05 24,36
3(рис.2б) 11,72 5,88 0,48 0,77 22,58 0,09 11,26 0,63 - - 0,10 - 68,44
4(рис.2б) 15,30 7,38 0,11 0,48 15,26 2,56 31,85 8,62 0,01 - - - 18,43
5(рис.2б) 15,86 8,58 - 0,11 9,24 0,46 17,11 44,14 0,97 - - - 3,23
6(рис.2б) 24,11 18,61 1,04 0,23 0,30 0,33 6,40 0,87 0,17 - 2,58 - 45,35
7(рис.2б) 16,10 - 0,16 0,03 0,02 3,36 3,88 40,79 - - - 15,18 20,48
64 1(рис.2г) 44,04 30,98 6,87 - 0,08 3,37 1,30 0,04 0,10 2,47 0,85 - 9,89
2(рис.2г) - - - 0,04 0,05 0,76 50,25 33,62 - - 12,70 2,58
3(рис.2г) 10,98 1,95 - 0,05 25,14 1,04 56,16 0,18 0,14 - - - 4,36
4(рис.2г) 8,58 5,79 0,05 " - 12,59 - 27,82 16,22 25,34 - - 2,24 1,36
5(рис.2г) - - - - - 0,07 1,14 34,82 46,43 - - 13,93 3,60
6(рис.2г) 7,98 1,25 0,13 0,15 - 0,04 6,39 44,42 0,28 - - 7,05 32,31
65 1(рис.2е) 23,39 19,71 1,40 0,08 0,65 1,17 5,27 0,22 - 0,47 2,17 - 45,48
2(рис.2е) 2,80 - 0,10 0,13 - 0,06 0,33 85,11 - - - 9,35 2,11
3(рис.2е) 9,12 1,84 0,03 0,46 24,55 - 51,47 0,58 - 0,33 - 3,48 8,14
1(рис.2ж) 1,64 5,69 0,15 - - 0,57 1,58 37,10 31,83 - 0,38 11,32 9,74
2(рис.2ж) 11,83 27,17 0,20 - 0,14 3,97 4,06 18,20 11,92 - 0,12 - 22,40
3(рис.2ж) - 24,74 0,28 - 0,07 37,57 3,76 0,29 - - - - 33,29
65Т 1(рис.2и) 9,78 2,82 0,24 0,15 31,25 0,03 54,23 - 0,17 0,09 - - 1,24
2(рис.2и) 8,66 17,61 - - 19,29 16,77 34,95 - 0,40 0,72 - - 1,61
3(рис.2и) 7,79 1,18 0,36 0,29 12,31 - 27,36 0,05 - - - - 50,66
4(рис.2и) 9,68 - 0,56 0,46 18,03 0,15 40,15 0,14 - 0,68 0,15 - 29,99
5(рис.2и) 1,84 4,92 - 0,18 0,10 1,40 2,80 65,74 2,09 - 0,02 6,03 14,89
6(рис.2и) 8,53 7,27 0,04 0,59 3,03 7,47 7,41 48,43 5,75 0,11 - 9,27 2,09
В литом состоянии в раскисленной алюминием стали (плавка 65) обнаружены выделения (аналогичные плавке 63) ферритов кальция (ЗСаО • Ре304) и карбидов типа (Бе, Мп)3С (рис. 2, е, поз. 1), обособленные кристаллы нитридов ванадия (рис. 2, е, поз. 2), осажденные из жидкой стали обособленные включения сульфидов марганца и карбонитридов типа Мп3С (рис. 2, е, поз. 3), включения (аналогичные плавке 64) ванадий-титановых нитридов (У,Т1)Ы с небольшим количеством закиси железа (РеО) (рис. 2, ж, поз. 1), карбонитридов ванадия и титана в железомарган-цевой шпинели (БеО • МпО • А1203) (рис. 2, ж, поз. 2), а также более грубые включения железомар-ганцевой шпинели (БеО • МпО • А1203) (рис. 2, ж, поз. 3).
В закаленном от 1050 °С состоянии металлографические исследования (см. рис. 1, д) обнаруживают однородную аустенитную структуру с малым размером зерен. Для изучения характера неметал-
лических выделений проведены исследования нетравленых шлифов методом сканирующей электронной микроскопии (рис. 2, з, и). Присутствуют более мелкие включения, размер которых не превышает 3—8 мкм. Основными включениями являются комплексные компактные выделения железо-марганцевой шпинели (БеО • МпО • А12Оэ) и карбидов типа (Ие, Мп)3С (рис. 2, и, поз. 2) и мелких включений сульфидов марганца и железа (рис. 2, и, поз. 3) на фоне сульфидов марганца и железа и карбидов типа (Ие, Мп)3С (рис. 2, и, поз. 1), отдельные продолговатые сульфиды марганца и железа (рис. 2, и, поз. 4), практически чистые нитриды ванадия (рис. 2, и, поз. 5), алюминийвана-дийтитановые карбонитриды с наличием железной шпинели (РеО-А12Оэ) (рис. 2, и, поз. 6).
Механические характеристики исследуемых сталей напрямую зависят от концентрации углерода и марганца, а также вариантов модифицирования, микролегирования и раскисления (табл. 3).
Таблица 3. Механические характеристики исследуемых сплавов
Номер плавки Содержание элементов в стали, мас.% Механические характеристики после закалки от 1050 °С (плавки 63, 64, 65Т) и в литом состоянии (плавка 65)
С Мп 81 V N ав,, МПа от, МПа КСи, МДж/м2 5, %
63 0,75 9,50 0,64 0,23 - 512 392 0,562 7,5 10,0
64 0,95 9,50 0,66 0,23 0,082 616 560 0,764 13,7 9,1
65 0,93 9,60 0,66 0,25 0,063 510 448 0,427 7,5 9,0
65Т 0,93 9,60 0,66 0,25 0,063 528 428 0,493 8,0 16,6
Ш//;гпт*г: (т готш еттггг?
/ 1 (41). 2007 -
Заключение
1. Основным типом неметаллических включений высокомарганцовистой стали классического состава, содержащей 0,34% ванадия, являются содержащие небольшое количество закиси железа и марганца, преимущественно строчечные, выделения карбонитридов ванадия, округлые и одиночные продолговатые включения карбидов ванадия (У4С3) и осажденные из жидкой стали на многочисленных кристалликах шпинелей глобулярные включения сульфидов марганца и железа, т. е. комплексные включения железомарганцевых силикатов и сульфидов.
2. В азот- и ванадийсодержащей высокомарганцовистой стали классического состава обнаруживаются преимущественно в виде одиночных продолговатых включений (без включений закиси железа и марганца) карбонитриды ванадия с большей концентрацией нитридной составляющей (~ в 2 раза), осажденные из жидкой стали обособленные глобулярные (кристаллики шпинелей отсутствуют) включения сульфидов марганца и карбидов типа Мп3С, строчные не содержащие азот включения карбидов ванадия и марганцовистого цементита, осажденные из жидкой стали на многочисленных кристалликах ортосиликата марганца (2МпО • 8Ю2) карбиды типа Мп3С и округлые с ответвлениями включения на марганцовистой шпинели (МпО-БеО) карбидов типа (Бе, Мп)3С.
3. В закаленной ванадийсодержащей износостойкой стали с пониженным содержанием марганца (9,5%) присутствуют неправильной формы включения карбидов типа (Ре, Мп)3С на марганцовистой шпинели (МпО • БеО) с незначительной долей нитридной составляющей, кристаллы карбонитридов ванадия с высокой концентрацией нитридной составляющей и подобные комплексные включения с наличием нитридов алюминия, обособленные прямоугольные включения сульфидов марганца и железа и карбидов типа (Бе, Мп)3С, комплексные включения сульфидов марганца и карбидов ванадия с легко дифференцируемыми на их фоне выделениями сульфидов марганца и карбидов типа (Бе, Мп)3С, а также грубые выделения ферритов кальция (ЗСаО • Ре304) и карбидов типа (Бе, Мп)3С.
4. В стали с концентрацией марганца 9,5% и азота 0,082% основными включениями являются алюмокремнийжелезистые силикаты
(иМпО - т¥еО 'рМ2Оъ), содержащие карбиды железа, округлые и прямоугольные выделения нитридов с преобладанием ванадиевой составляющей, осажденные из жидкой стали обособленные включения сульфидов марганца и карбидов типа Мп3С, подобные включения с наличием в составе карбонитридов ванадия и титана и сложной формы тонкие выделения карбонитридов ванадия.
5. Раскисленная алюминием такая же сталь в литом состоянии обнаруживает присутствие ферритов кальция (ЗСаО • Ре304) и карбидов типа (Ре, Мп)3С, обособленных кристаллов нитридов ванадия, обособленных включений сульфидов марганца и карбонитридов типа Мп3С, включений ванадийтитановых нитридов (У,Т1)И с небольшим количеством закиси железа (РеО), карбонитридов ванадия и титана в железомарганцевой шпинели (РеО • МпО • А12Оэ), а также более грубых включений железомарганцевой шпинели (РеО • МпО • А12Оэ).
6. В закаленном от 1050 °С состоянии раскисленной алюминием стали с концентрацией марганца 9,6% и азота 0,063% основными включениями являются комплексные компактные выделения железомарганцевой шпинели (РеО • МпО • А1203) и карбидов типа (Ре, Мп)3С, а также мелкие сульфиды марганца и железа на фоне сульфидов марганца и железа и карбидов типа (Ре, Мп)3С, отдельные продолговатые сульфиды марганца и железа, нитриды ванадия, алю-минийванадийтитановые карбонитриды с наличием железной шпинели (Ре0-А1203).
Результаты исследований позволили разработать новые составы износостойких высокомарганцовистых сталей, которые защищены авторскими свидетельствами № 1315512, 1470804, 1515758.
Детали (зубья ковшей экскаваторов, молотки дробилок и др.) из экономнолегированной износостойкой аустенитной стали испытывали на ряде предприятий, получены положительные результаты и рекомендованы к использованию.
Литература
1. Экономное легирование стали / Ю.З. Бабаскин, С.Я. Шипицын, Е.Г. Афтандилянц. Киев: Наукова думка, 1987.
2. Шульте Ю.А. Электрометаллургия стального литья. М.: Металлургия, 1970.
3. ГаростА.И. Неметаллические включения и формирование структуры модифицированной высокомарганцовистой стали // Литье и металлургия. 2006. N9 1. С. 75-83.
