автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Экономнолегированные конструкционные стали для литых деталей

ЗАПОРОЖСКИ»! ОРДЕНА "ЗНАК ПОЧЕТА" ШДООСТРОИТЕЛШЙ ИНСТИТУТ ш. В.Я.ЧУБАРЯ

РГЗ сл '

... На правах рукописи

ОСТАПЕНКО ВАСИЛИЙ ВАСИЛЬЕВИЧ

ЭКОНаШИГИРОВАНШЕ 1ГОНСТРУЩЮ1ШЕ СТАЛИ для шгах ДЕТАЛЕЙ

Специальности: 05.02.01 - материаловедение в

машшюстроеш'и /прсгслалетюсть/; 05.16.02 - металлургия чврши металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических цг.ус

2оперенье - 1993

Работа выполнена в Запорожском ордена "Знак Почета' иашиноотроитвльнои институте им. В.Я.Чубаря

Научний руководитель: член-корр. АН Украиш, д.т.н., профессор Шульте Ю.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор КагановсккЯ Г.П., кандидат технических наук, доцент Бондаренко А.Л.

Ведущее предприятие: электрометаллургический завод

"Днепроопецсталь" им. А,Н.Кузьмина

Защита диссертации состоится '22 " е^ё^МлЗ*. 1994 г. в I5" часов на заседании специализировшшого ученого совета К 060.38.01 в Запорокскоц машиностроительном институте по адресу: ЗЗООбЗ, Зшюроаье, ГСП-39, ус. Жуковского, 64.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан _Ц__г.

Ученый секретарь спвциалкзировашюго ученого совета ^ доктор технических наук, профессор И.П.Волчок

ОНДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Для повышения конкурентоспособности современные мапто.^ и агрегаты, наряду с высокими показателями надежности и долговечности, что обеспечивает применение традиционных материалоь с повышенными физико-механическими и коррозионными свойствами, должны обладать такки экономич:.остью, что достигается экономным легированием и сравнительно недоропши /малоэнергоемкими и менее трудоемкими/ процессами, улучшающими, " главным образом, пластические свойства конструкционных материалов /относительное удлинение и относительноJ сужение/ и их ударную вязкость.

' Широко и д£1Но применяете конструкционные стали типа 2045Л и другие имеют недостаточно высокую конструктиву л прочность, как-то: низкая ударная вязкость при относительно, удовлетвори.ельной прочности, что делает такие материалы особо уязвимыми в условиях работы пр : низких температура /хладостойгэсть/ и особенно при знакопеременных нагрузках /усталостная прочность/.

Для улучшения указанных свойств этих сталей перспективно применение рафинирующих переплавов /или выплавки/ с последующей термической обработкой для формирования опттал. ной структуры и распределения фаговых включений с очищением границ зёрен от вредных гтрцм£сей.

Поэтому решение проблемы повышения работоспособности литых деталей из конструкционных сталей должно вюгсчать в себя след^ яцие факторы:

- экономное легирование /гллвкта! образом, марганцем, кремнием, хромом/;

- рафинирующий переплав /или витлавка/;

- оптимальные режимы те} лической обработки /для формиро-ваки.. мелкозернистой структуры с очищенными о" примесей и растворимых г/лючений границами зёрен/;

- модифицирование за счет введения поверхностно-активных элементов /в частности, присадйи силикокальциевой лигатуры/.

Цель работч. Повышение физико-механических свойств недорогих экономяолигиронанных сталей до уровня, делающего возмох.ым применение указанных сталей для отливок ответственной назначения взамен некоторых дорогостоящих легированных и конструкционных углеродистых деформированных сталей.

Основные задг~ пи работы:

1. Подбор рационального состава базовых конструкционных вкономнолегированных сталей для указанных целей.

2. Исследование влияния способа "выплавки эконом:,олегиро-ванных сталей повышенной чистоты на микроструктуру, неметаллические включения и физико-механические свойства металла..

3. Изучение влияния модифицирования на физико-механические и технологические' свойства литчх сталей повышенной чистоты.

. 4. Выбор оптимального ва манта получения литых заготовок для машиностроения из экономнолегированных сталей повышенной ':яототы.

5. Анализ и обобщение результатов исследований.

6. Промышленное опробование и внедрениь результатов исследования, в-производств о.

Работа выполнялась в соответствии с постановление! ГКНТ Р 201 от-29.06.1988 г. и планом МПК института электросварки им.Е.О.Патона, -^становлением Президиума АН УССР от 30.12.1986г

Научная новизна. Термодинамическими и кинетическ'-чи расчета, л установлено и металлографическими исследованиями экспериментально подтверждено наличие на границах иакрозерен

особо чистой литой стали оксвдных, оксисульфадных и нитрвдных вклинений, образовавшихся на завершающей стадии, кристалгизацш.

Показано, что модифицирование кальцием литых экономно-легированных сталей, содержащих менее 0,005* сера, является полезным с точки прения снинения содержания, изменения природа зернограничных включений я повышения ванного технологического показателя литого металла --'Горячей ррефноустойчивости.

Практическая ценность. Показана целесообразность применения электрошлакового лить. /ЭШЛ/ в машиностроении, как. оптимального технологического процесса, для производства ответственных лигах заготовок из конструкционных сталей 20ГЛ, 20ХГСЛ вместо поковок. Показана возможность стабильной глубокой десульфурации /до 0,00155*/ низкоуглеродистой стали при ЯШ1 и ЗИП и рекомендованы расходуемые электрода, исходное содеряаниэ серы в которых понижено до 0,003-0,00555. Из стали повышенной чистота изготовлены и испытаны отливки арматуры для нефтв- и газопроводов. Налааено отггно-проиыаленное производство указанных отлиьок на опытно» заводе ИЗС им.Е.0. Патона и Фастовском заводе ПЛУ и ГА.

Долевой экономический эффект автора от внедрения в 1989 г. • совместно с ЙЭС яастощшс исследований составил 57 тыс. рублей..

Автор задшдает.

1. Новые сведения о механизме распределения серы при формировании литых зерен.

2. Теоретические -аспекты модифицирования ЩЗУ литых сталей повыве ной чистоты, сведения об особенностях образования в них неметаллических включений.

3. Практические метода управления качественными показателями экономнадегироаанньвс литых сталей, в частности, дуплекс-процесс, завершающей стадией которогсг является ЗИЛ.

Апробация работе. Результате диссертации доклазг&адись на

республиканских научно-технических конференциях "Неметаллические включения и газы в литейных сплавах" /Запорожье, 1985, 1968, 1991/; третьей Республиканской научно-технической конференции "Техническое перевооружение и внедрение новых ресурс осбереГ£ дих технологий в электрооталеллавильном производстве" /Днепропетровск, 1989/; Всесоюзной конференции "Внепечная обработка металлов" /Киев, 1991/; семинаре "Структура, свойства и методы исследования легированных сталей" /Киев, 1991/; пятой научно-технической конференциг "Новые конструкционные стали и отавы и методы их обработки для повы- эния надежности и долговечности изделий" /Запорожье, 1992/.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано II работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введен: т, пяти глав, списка литературы из 116 наименований, приложений. Содержит 146 страниц машинописного тексте, 32 рисунка, 24 табл"цы.

Во введении обоснована актуальность Темы диссертации, приведено краткое содержание работы, указаны основные положения, выносимые на защиту, результаты, характерна -щие новизну, а также их научная и практическая цещ' ~:ть.

КАЧЕСТВЕННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЗКОНаШСйЕГИРОВАНШХ ЛИШХ СТАЛБЛ ДЛЯ МАШИНОСТРОШИЯ

Б литературно обзоре проанализированы и обобщены результаты исследований влияния химического состава, структуры и неметаллических включений на осношшо физико-механические свойства литых

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПОВЫШЕНИЯ

эконотолетированных сталей. Приведены сведения о методах глубоко!! десульЪурации стали. Проведен критический анализ

методов термической обработки стали для отливок. На основе литературного обзора сформулированы цели и задачи работы.

2. МЕТОДИКА. ИССЛЕДОВАНИЙ Ц ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Для решения поставленных в работе задач был применен комплекс стандартных и специальных методов исследования.

Опнтнке плавки проводили в индукционных печах ИСТ-0,12, ИСТ-0,06. ИСТ-0,01 с основной футеровкой методами сплавления на свеяей пихте и переплавом. Глубок&я десульфурация осуществлялась при помощи специальной десульфурирующей смеси, дававшейся на подину печи перед завалкой металлической части шихты. Контроль температуры вели вольфрам-ренпевыми термопарами погружения.

Для изучения влияния химического состава и модифицирования на свойства стали использовали метод фракционной разливки. Глубокую десульфурацию стали производили далее в процессе 2ЕП, для чего были использованы литые расходуемые электроды из стали о содержанием серы 0,0ШЧ.

Горячую трещиноустойчивость определяли на приборе ЩИИТМАШ. Стабильность результатов обеспечивалась за счет применения более рациональной схемы размещения тензодатчиков.

макроструктура /получена справка о приоритете/.

Исследование неметаллических включений производили методами огигческой металлографии, петрографии, рентгеноспектрального электроннозондового микроанализа, Сяе-электронноЛ спектроскопии, электронной микроскопии. Количественный анализ загрязненности

стали неметаллическими включениями выполнялся стандартными методами "П" и ИЛ".

Сйе-электронная спектроскопия и рентгеноспектралышЯ алектронноэондовый микроанализ использовались для изучения сегрегации серы.

Микроскопическое изучение изломов выполнялось на растровом

и просвечиваищем электронном микроскопа::. в

Коррозионную стойкость стали определяли объемным методом.

Хладостойкость и механические свойства определяли стандартными методами.

Для обработки результатов исслёдований били использованы методы математической статистики, реализованные с помощью ЭВМ.

3, ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И НЕМЕТАЛЛИЕСШК ВШШЧ5НИЙ В

эконашяЕгаровАИвдх лигах сталях повышенной чистош

Состояние меязеренкых границ оказывает существенное влияние на физико-механические, аехнологические и эксплуатационные свойства металлических материалов. Отечественными исследователями аргументировано доказано, что с помощью присадок горофильнис примесей монно эффективно воздействовать на строение границ зерен и зернограничную энергию в сплавах на основе железа и ыжеля. Однако вопросы состояния границ литых зерен экономно-легированиых стальй измены недостаточно полно.

В данной рабою зостояние-границ литых зерен изуиэдось расчетным и экспериментальным методами.

Расчеты и экспериментальные исследования были выполнены применительно к литым образцам из стали марок 20КГСЛ и 20ГЛ с различным содерааниеи серы, выплавленной в основной индукционной электропечи и полученной методом ЗИЛ в медную водо-

охлаждаемую форму.

В двухфазной зоне на завершающей стадии кристаллизации в исследованных марках экономнолегированных литых сталей, возможно образование оксидов и сульфидов, природа которых определяется химическим составом металла, а также применяемыми в процессе выплавки и разливки последнего раскислителями и модификаторами.

Вероятность их образования проверялась с помощью- термодинамических расчетов.

Рассматривали наиболее вероятные варианты образовашог сульфидов марганца и кальция /исходя из литературных данных/:

Образование включений в жидком металле на начальной стадии кристаллизации.

2. Образование включений а тонких прослойках жидкого металла двухфазной зоны на завершающей стадии кристаллизации.

3. Образование включений в твердой металлической матрице.

Температура образования включений на начальной стадии

кристаллизации принималась равной температуре ликвидуса /1800 К/.

Расчеты были выполнены для стали с содержанием серы 0,03# /металл открытой индукционной птавки /ИП/ обычного качества/; О,ОСЕ* /сталь индукционной выплавки повышенной чистоты/; 0,0012Г< /литая сталь, полученная дуплекс-процессом ИП + ЭПШ/.

Анализ результатов термодинамических расчетов показал, что образование включений сульфида марганца принципиально возможно на начальной стадии кристаллизации при содержании серы 0,03*, т.е. в стали обычного качества. Образование включений на этой стадии кристаллизации в стали псвиаенной чистоты /0,003* серы/ маловероятно, а в металле, полученном дуплекс-процессом /0,001234 сери/ - практически нзвозыояно;

На завершающей стадии кристаллизации возможно образование

включений сульфида марганца для стали всех исследовгшщх вариантов. Образование сух&фидных включений возможно и в твердом металле. Следует ответить, что условия для образования включений в твердом растворе возникают после того, как часть включений сульфида марганца уже выделилась в мездендриткых прослойках расплава /в двухфазной зоне/. Указанные включения, вероятно, являются центрами, на которых сульфид марганца вцделя-ется по гетерогенному механизму.-Следовательно, в Твердом растворе происходит продолжение процесса образования сульфидов марганца, начавшегося в двухфазной зоне.

Согласно общепринятой модели образования неметаллических включений необходимым является наличие в расплаве пересыщения компонентов, образующих неметаллическую фазу. Для "нал из а полученных результатов, с учетом пересыщения, необходимого для образования зернограничных включений корунда, сульфидов марганцг и сульфидов кальция были использована термодинамические расчеты

Известно, что локальное содержание некоторых элементов, входящих в состав неметаллических включений, в частности, серы, может превосходить их среднее содержание в расплаве на порядок и более. В двухфазной зоне такие концентрам возникают вследствие развивающихся процессов дендритной ликвации.

Реальные концентрации элементов, входящих в состав стали, на завершающих стадиях кристаллизации в тонких прослойках расплава не могут быть определены экспериментально.

Ь данной работе концентрацию элемента в расплаве в процессе затвердевания металла определяли с помощью уравнения Ыейла, ь которое был введен поправочный коэффициент.

Расчеты показали, что при содержании серы 0,0033» и массовой доле твердой фазы 0,96 создается пересыщение, достаточное для образования сульфидны^включений.

Результаты расчетов подтверждается экспериментальными . данными, показнвающиш, что на поверхности меязеренного излома металлической матрицы исследованной стали рентгеноспектралыязм .микроанализом и Ояе-элекгронной спектроскопией обнаружено повышенное содгряаняз серы, марганца и кальция на границах . раздела /границы зерен/ и в дисперсных неметаллических вклэ-■ чениях, ввделя-эщихся большей частью на границах зерен, унаследовавших меядецдритные участки кристаллизации.

Кроме этого экспериментальную проверку результатов термодинамических расчетов проводили при исследовании границ лигах зерен методами электронной никрофрактографии.

В стали, раскисленной одним алюминием, на границах макро-. зерен находились локальнш скопления включений, корунда, сульфида марганца, пленочных нитридов алюминия и единичные глобули.

В стали, дополнительно модифицированной силикокальциеи, обнаружены глобулярные зернограничныз океисульфда, размеры которых не превышали 0,5 ыкм, кристаллы коруцца и гексаалззмязата • кальция.

Общее содеряание зерногранпчных неметаллических включений в стали, дополнительно модифицированной силикокальциеи, было более, чем. в три раза нгеке, чем в стали, раскисленной алпигагаг. Следует отметить существенное снижение содержания в модифицгфо-ванной стали пленочных нитридов алюминия.

Таким образом, электронн^мпкроскопическке исследования подтвердили термодинамические расчеты, свидетельствующие о том, что на границах литых зерен имеются условгя необходимые, дая . образования зерно граничных неметашхичесюгх включений.

Следует отметить, что в стали индукционной выплазки, дополнительно модифицированной силикокальцием, в кошахгншс оксисуль^пщгых глобулях связывается часть серы, сосредоточенной

по границам зерен. В оточ аспекте дополнительное модифицирование кальцием чистой по содерташпо серы стали является полезным, так как размеры образующихся оксисульфвдных глобулей значительно меньше тая называемых критических, при превышении которых неметаллическая фаза оказывает заметное отрицательное воздействие на свойства металла

. Наиболее чистыми по неметаллическим включениям /в пределах изученных вариантов/ были границы литых зерен электрошлаковой стали.

Характерно высокое сочетание прочностных характеристик и ударной вязкости исследуемых сталей. В таблице приведены данные по влиянию содержания неметаллических включений в стали после ЭШП на показатели ударной вязкости. В. результате 5ОТ существенно изменилось содержание серы, что привело к заметному очищению стали от включений. Вследствие направленной кристаллизации и более быстрого охлаждения в медном ьодоохлаздаеисы кристаллизаторе структура измельчилась и присутствующие включения стали ' более мелкими. В результате механические свойства стали заметно улучшились.

4. СВОЙСТВА ЛИТЫХ ЭКОШШОЛЕГИРОВАННЫХ КОНСЖЩИОННЫХ СТАЛЕЙ ПОВЫШЕННОЙ ЧИСТОК

В металле веек исследованных вариантов не было выявлено таких грубых макгодефектов, как трещины, раковины, газовые пузыри, флокены, шлаковые.и другие инородные^включения, видимые невооруженным глазом.

С'тзлъ обычного качества, содержащая 0,03$ серы, показала высокую растравливаемость. Растравливаемость металла с содержаний ЙбеУ ешт еуще^вйШб меньщэ. Зд&ктрошлоковая литая

Таблица

»

' Влияние шиз галл ических включений и содержания серы на механические свойства и ждадостойкозть сталей 20ХГСЛА I; 20ГЛА потяленной чистоты, полученных индукционной плавкой /ШУ и дуплекс-процессом /ИП •+ ЕЩ/. Термическая обработка: закалка с 900°С, отпуск 600°С

стали Лрисщса! СК20, мае с. % ] МПа МПа ■4 10 % % НВ, МПа ИП/0 003 % сбпы/ ИП + зш. Ц /0.00Г2Я савы/

VI, % КСи. Дг/см2 VI.' * кси. Ди/см2

-60°С ч20°с ! -бо°с

жиъм 671 604 18 59 2530 0,0204 Иб 45 0,0140 224 80

28ЖШ 0,15 639 615 го 6С 2540 0,0213 121 65 0,0139 207 95

0,30 613 851 20 69 2470 0,0346 120 50 0,иХ27 222 73

ажсш 0,50 690 840 .17 59 2520 0,0378 120 51 0,0136 198 75 '

гсш — 518 . 677 23 65 2100 0,0309 230 108 0,0168 270 178

20Ш 0,15 570 733 20 66 2150 0,0272 238 130 0,0165 260 170

20Ш 0,30 391 748 21 71 2150 0,0324 225 125 0,0178 240 160

Р.ОГШ 0,50 507 723 20 71 2110 0,0360 181 95 0,0180 250 145

сталь, содержащая 0,001554 серы, растравливалась незначительно, даже поел г увел;1чения времени травления до 10 минут макроструктура, стали 20ХГСЛ выявлялась слабо. При таком же времени . травления в стали 20ГЛ электроалакового переплава макроструктура практически не выявлялась.

• Анализ, результатов определения физической плотности показал явную тенденцию к снижению её величины с ростом содержания серы. Некоторое влияние на плотность оказала и величина присадки силикокальция.

Плотность элоктрошлакового металла заметно превосходила аналогичный показатель стали, залитой в песчано-глинистую форму, что объясняется особенностями кристаллизации при ЗИП и ЭПШ.

При идентичном химическом составе на плотность литого металла существенное влияние оказывают растворенные в стали газы, неметаллические включения и лоры. С увеличением содержания указанных факторов величина физической плотности .снижается.

В лигой стали индукционной вШлавки возможно образование гак называемой осевой пористости, Такие лори были обнаружены в литых расходуемых электродах. В металле опытных а опытно-прешгаленных отливок, получедаь« дуплекс-процессом, завершающей стадией которого является ЭШЛ, пор обнаружено не было.

Литая , электрошлаковая сталь отличалась от стали индужцион-ной ва..;авки меньшим Содержанием.неметаллических включений и газов.. Тгисм'образом, в металле, полученном дуплекс-процессом снижается величина каждого из перечисленных выше факторов, отрицательно влияющих на плотность, что присело к заметному росту уровня этого показателя. <

Исследовали влияние содержания серы и модиф!П9!рован«я на Горячу» треш,.аюустойч;шость стали, Исследование было выполнено на сталях 20ХГСЛ- и 20ГЛ, содержание серы б которых варьировалось

в пределах от 0,00354 до 0,04%. Опытный металл был раскислен а,даншиеы, отдельные плавки дополнительно модифицировались силикокальцием.

Образование горячих трещин происходило при температуре близкой к 1360°С. Надрыв образовывался в переходной от тонкой к массивной части сечения образца /площадь сечения в месте разрыва около 180 им2/. Поверхность трещин была сильно окислена с наличием выступающих осей дендритов.

Усилие, необходимое для образования трещины в образцах из чистой по сере стали, раскисленном одним алюминием, в 1,5-2 раза превышало усилие образования трещины в образцах из стали обычного качества о 0,0454 серы. Б- стали, дополнительно модифицированной 0,154 силикокальция, рост горячей трещиноустойчивости достигал ещё 20-30^. Дальнейшее увеличение присадки силикокальция приводило к снижении горячей трещиноустойчивости.

Логично предположить, что горячая трещиноустойчивость увеличиваете« по мере снижения содержания и количества зерногранич-ных неметаллических включений, поэтому последние могут в первом приближении служить критерием оценки этого ватаого технологического показателя. Специфика процесса ЗИЛ но позволила в данной работе непосредственно олределить величину горячей трещиноустойчивости электрошлаковой стали, однако наименьшее /из изученных вариантов/ содержание зернограничных включений позволяет сделать вш|о,д о том, что горячая трещиноустойчивость экономнолегирован-тзе сталей повышенной чистоты ЭШЛ должна быть выше аналогичного показателя металла, выплавленного в основной индукционной электропечи.

Исследовали влияние содержания серы и модифицирования на коррозионную стойкость экономнолегированной стали.

Анализ результатов испытаний показал что с повышенном

в стали содержания серы заметно ухудшается её коррозионная стойкоот.,.

Присадки силикокальция в сталь с содержанием 0,003?> серы практически не оказали влияния на коррозионную стойкость. В то же время модифицирование силикокальцием оказало положительное влияние на повышение коррозионной стойкости стали, содергхащей более 0,019< серы.

Был изучен шкромеханизм коррозионного разрушения опытного металла. Металлографические шлифы подвергались воздействию коррозионной среда и изучались под оптическим микроскопом.

Исследования показали, что в течение первых десяти секунд воздействия коррозионной среды происходило -образование очагов коррозионного разрушения во всех исследованных вариантах опытного металла, в течение следующих двух минут очаги увеличивались е размерах. При увеличении времени воздействия коррозионной среда до трех минут в частой стали рост очагов коррозионного разрушения вокруг неметаллических включений прекращался, в то время, как в стали, содержащей 0,02-0,04$ серы, зафиксировано дальнейшее увеличение площади очагов коррозионного разрушения, а такжр возникновение новых очагоз. Увеличение

времени коррозионного воздействия до пяти Угздут привело к

/

появлению в металлической матрице стали всех исследуемых вариантов точечных очагов коррозионного разрушения, не связанных с неметаллической фазой; количество таких очагов в стали с содержанием серы 0,02-0,0454 было значительно выше, чем в сгали, содержащей 0,00153 и 0,003« серы.

В стали, модифицированной силикокальцием, рост очагов коррозионного разрушения воетэуг неметаллических включений практически прекращался после трех минут пребывания в коррозионной срзде; что ыо.чно объяснить разрушением включений

алюминатов кальция и комплексных кальцийаодержащих оксисуль-фндов. В дальнейшем коррозионное разрушение модифицированного металла происходило за счет возникновения и роста точечных очагов, не связанных с неметаллическими включениями.

Исследовали влияние чистоты стали, модифицирования и термической обработки на основные механические свойства.

В нормализованной стали исследованных марок бгли получены высокие показатели ударной вязкости и хладостойности. В металле, полученном дуплекс-процессом эти показатели были зачетно виде, чем в стали индукционной выплавки. Низкое содержание серы в этих сталях а сочетании с достаточно мелкозернистой структурой позволило получить для обеих марок в металле индукционной

выплавки КСи"60 более 100 Дж/см2, а в стали, полученной

р

дуплекс-процессом - более 140 Дв/см . Однако прочностные свойства и твердость были относительно низкими.

Более рациональным для исследованных сталей следует считать использование закалки с последующим отпуском. Ешш опреде-вны оптимальные.температуры отпуска: 600, 500 и 250°С -для стали 20ХГСЛА и 600, 500 и 200°С - для стали 20ГЯА, обеспечивающие необходимые сочетания прочности и вязкости для широкой номенклатуры отливок в машиностроении. Наиболее высокая ударная вязкость достигалась при отпуске 650-б80°С. Во всех случаях сталь повышенной чистоты после термообработки могла бить ярт.!енец$ дик широкого круга ответственных металлоизделий.

Результаты проведенных исследований показали, что низкоуглеродистая экономнолегированная сталь повышенной чистоты, полученная дуплекс-процессом, имеет более высокий уровень ударной вязкости и хладостойкости, чем аналогичный металл, выплавленный в индукционной электропечи. Следует отмзтить и более высокий уровень коррозиошюй стойкости металла, получен-

ного дуплекс-процессом. С технологической точки зрения дуплекс-процесс ИП + ЭШЛ является оптимальным способом получения литой стали со стабильно низким содержанием серн,. не превышающим О, OOI554, пригодной для изготовления литых деталей ответственного назначения.

Исследование выявило возможность чистой стали 20ГЛ сохранять после закалки с высоким отпуском показатели KCl/ "более

о

100 Дж/см". Ударная вязкость чистой стали 20ХГСЛ с понижением температуры испытаний имеет меньшие значения, однако они в несколько раз превышают соответствующие показатели стали обычного качества. Чист э конструкционные стали указанных чарок обладают повышенными механическими свойстпами и могут быть отнесены к литым сталям нового класса, так как в их промышленных аналогах подобные показатели свойств практически не достигаются.

5. АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ И ВНВДРЬНИЕ ЕЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Экиномнолепфованные стали с ограниченным содержанием вредных примесей, в частности, серы, были внедрены в производств! в I989-I99I годах при выполнении совместно с ИЭС им. Е.О.Патона ряда работ по совершенствованию электрошлаковоЯ технологии отливок. Особое внимание при этом уделялось перспективному технологическому процессу - центробежному электрошлаков ому лнтью /ЦЭШЛ/.

Спнтно-прошшленные плавки проводились на разработанном в ИЭС оборудовании на ряде мшшшостроителышх заводов. Методом ЦЭ1!Л били получены детали арматуры для нефте- и газопроводов, и которым предъявляется высокие требования по качественным показателям металла.

Содержание серн в металле расходуем;« электродов созта1'Лмо

,008-0,0125«, что позволило после ЦЭШЛ получить в отливках одераание сери порядка 0,005-0,0075«. Для сравнения при " роизводстве отдельных отливок ЦЭШЛ был- использованы электроды повышенным /0,020-0,0231«/ содержанием серы.

Отливки из стали Ц1 Л характеризовались зернистой феррнто-ерлитной структурой' с преобладанием ферритноЯ составляющей. ■Существенного различия микроструктуры различных зон отливок давлено не был».

3 процессе исследований не обнаружено каких-либо аномальнее структурных особенностей. Стабильные показатели замеров шкротвердости структурных составляющих литых сталей, полуденных методой ЦЭШЛ, свидетельствовали о высокой плотности >тливок.

Таким образом, обладая высокой плотностью и удовлетворительной микроструктурой, отливки ЦЭШЛ за счет интенсивного . удаления сульфидных включений обладали высокой степенью чистоты. Замечено, что степень чистоты сталей 20ХГС и 20Р ЦЭШЛ связана с содержанием включений в исходном металле и может быть сущест венно повалена при использовании чистой в отношении вредных приызсэй и неметаллических включений исходной заготовки. Дополнительно за счет действия центробежных сил при ЦЭШЛ происходит значительное снижение объемной доли и общего количества неметаллических включений в стали и существенно уменьшаются их размеры по сравнению с жидким металлом,' заливаемым 113 тигля в форму.

В отливках 1{К!Д размер неметаллических включений составлял в основном менее 3 мкм, а включения размером более ГО мкм практически не встречались. Распределение неметаллических включений по сечению отливок достаточно равномерное и, в отлично от поковок, включения в металле ЦЗИШ имеют в основном глобуляр-

ну* форму. это %гтредопределяет высокие служебные свойства гад« Исследования показали, что основные показатели качества мегш 1{ЭШХ не уступают соответствующим показателям кованого металл« металла ЭШЛ в водоохлакдаемом кристаллизаторе.

Технология 1$ШЛ позволила устранить брак по кристаллизационный трещинам. Появление их во многом определяется запас о* пластичности каркаса дендритоь в местах их сращения. В этой связи пояснительное влияние оказывает интенсивное рафинирован мвтажжа от серы в процессе электротлаковой плавки при ЦЭШЛ.

Высокие качественные показатели промышленных изделий из чистое стали подтверждают целесообразность возможно более вярокого её использования, что будет способствовать снижению метавгоенкости машин и механизмов различного назначения.

Результаты исследования опытных отливок и рекомендации г уточнению параметров детья и термической обработки были перед ИЗС ян. Е.0.Патона, что гозволило в условиях опытного завода института усовершенствовать технологи» ЦЭИШ к внедрить её а производство.

вывода >

1. Термодинамическими расчетам установлено и экспериментальными исследованиями подтверндено, что границы литых эе экояошолепфо^анных сталей обогащены серой. Помимо сег-егаци серы, возможно образование сульфидов марганца. Снижение содер хянжя серн до 0,0015* и ниже, что достигается дуплекс-процесс позволяет в 4-6 раз увеличить ударную вязкость литой стали 2С ■ 20КГСЗ.

2. Дополнительное модифицирование, чистой по содержанию с »жомотолегированноЯ стали силикокальцием /"0,01% Са/ приводи

¡вязыванию сегрегация серы по границам зерен в сульфидные и жсисульфидние соединения отличающиеся минималь-

но.! негативным воздействием на разрушение литого металла, ¡пособствует повышению его горячей трещиниустойчивс;ти.

3. Установлено, ч-о в рафинированной экономнолргированной 1Итой стали с содержанием серы 0,003* и менее процессы 1 ¡труктурообразования при отпуске 600°С продолхлтелы. )стыо

¡,5 часа проходят более полно по сравнению со сталью, содержали 0,02-0,0454 сегы и завершаются образованием термодинамически 'стойчивой, равномерно распределенной структуры феррито-(ементитного типа.

4. Наиболее эффективным методом получения малоуглеродистых ркономнолегированных сталей с низким содержанием серы является [уплекс-процесс. При этом электрошлаковый переплав чистых по удержанию серы /Ч),003Я/ расходуемых электродов способствует ¡альлейшему снижению содержания серы до уровня 0,0010-0,0015^, ме«ьшению чбъемного процента неметаллических шслючений в 1,5 ' аза, улучшении макро- и шкроструктуры, увеличению ударной язкости в 1,5-2 раза по сравнение со сталью повышенной ''истоти ткрытоЯ выплавки.

5. Рг работг''а техне. огия получения литых деталей из изкоуглэродистых литых экономнолегированных сталей повышенной молоты дуплекс-процессом. При этом арматурные отливки, изго-авливаемые дуплекс-процессом Индукционная плавка плюс электролаковое литьё, являются полноценными згченитэлями 'аналогами/ зделий из дефоршфовш(ной стали. На опытном заводе ИЭС

и. Е.0.Пг"?она проведена апробация технологии и организован ып^ок опытно-промышленных партий : чтых деталей из сталей ОГЛ и 20ХГСЛ пс зышенной чистоты.

Металл одцтач-щ). пгщени^ ртдпп'ок, слученных дуплекс-

процессом, отли- лется высокой плотнптью /почти T0CW/, не имеет дефектов микроструктуры, а недельные дисперсные неметаллические включения /размером порядка 2-3 îikm/ распределены в металлической матрице вдали от границ зерен.

6. Особо чистые конструкционные стали исследованных марок 20ГЛ и 20ХГСЛ обладают оптимальным сочетанием прочно^ лшх звойств и ударной вязкости /например, = 830 МПа и КС1У . в 215 Дi/cm2/ и могут быть отнесены к литым сталям нового класса, так как в настоящее время в промышленных сталях подобные показатели свойст: при таком уровне легирования практически на достигаются.

Публикации по материалам диссертационной работы

1. Неметаллическ з включения в модифицированной стали / Ю.А.Щульте, С.И.Адамчук, Г.А.Бяллк, В.В.Оотапенко //Техническо! перевооружение и внедрение овьс. ресурсосберегающих технологий в электросталеплавильном производстве: Тез. докл. III Респ. научно-техи. конф.-Днепропетровск 1989.-С. 3.

2. Шульте O.A., Лдамчук С.И., Остапенко В.В. Модифиилрова ние литых сталей, содержащих примеси цветных металлов //Неметаллические вюгочег 'я и газы ^ литейных сплавах: Тез. докл. 1У Респ. научно-техн. конф.-Lлорожье, 1985.-С. 97-98.

3. Щульте Ю.А., Адамчук С.И., Остапенко З.В. Влияние прим^-сй цзелшх металлов на свойства конструкционной низколегированной стали //Неметаллические включения и газы в литейных сплавят: Тез. докл. четвертой Респ. научно-техн. конф.-Запорожье, 1985.-С. 44-45.

4. Остапенко В.В., Вялик Г.А., Цивирко Э.И. Влияние неметаллических включений на тресршоустойчивость стали // Структура .1 методы исследование легированных сталей: Тез. док; конф.-"., I99I.-C. 35.

5. Остапенко В.В., Бялшс Г.А., Вурова U.M. Природа немотг личрс.шч »¡стечений в модифицированных конструкционных сталях < нкгитим сс-^ржанием сори //Структура и методы и, следования леп

аванних сталей: Тез. докл. конф.-К., I99I.-C. 34-35.

6. Хладостойкие эконошолвгировашше стали для литья: ифори. листок № 91-110 /Остапенко Ь.В., Шульте Ю.А., Бялик Г.А.

др.; Запорож.маииностр.ин-т.-Запорожье, I99I.-4 с.-/ЗЦ!Ш/.

7. Остэпенко В.В., Бялик Г.А., Адамчук С.И. Модифицирование яликокальцием особо чистых литых конструкционных; сталей // тепэчная обработка металлов: Тез. докл. Всесоюзной ксшф.-К., 391.-0. 10.

6. Остапенко В.В., Гонтаренкэ Р.В., Данильченко 3.0. ггияниэ природа и содержания неметаллических включений на эррозионную стойкость экономнолепфованных сталей //Нвметаллн-зские включения и газы в литейных сплавах: Тез. догл. У1 Респ. гучно-техн. конф.-Запорожье, 1931.-0. 48.

9. Остапенко В.В., Щульте Ю.А., Бурова H.H. Влнянлз содер-ишя сери на трещиноустойчивость &кономнолэгироЕатюй стали // зметаллические включения и гаэы в литейных сплавах. 'Гое. доии С Респ. научно-техн. конф.-Запорожье, I99I.-C. 68.

10. Остапенко В.Е., Борисовская Н.И., Борисовская Л.11. даколегированные конструк'.дюнные стали повышенной коррозионной гойкости //Новые конструкционные стали и сплавы и методы и Зработкп для повышения надежности и долговечности изделий:

зз. докл. У научно-техн. копф.-Запорожье, 1992.-С. 80-81.

11. Остапенко В.В., Бялик Г.А., Шульто Ю.А. Особо чистая инструкционная оталь //Литейное производство.-1992.-S» 3.-0. 29.

Подписано к печати 20.12.93 г. Формат 60x84/16. Объем I печ.лиот. Зак. I? 517 . Тир. - ТОО экз. З'Щ. Ротапршта, 330063 г. Запорожье, ул.Жук<лзск",о,С4