автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Усовершенствование технологии выплавки износостойких сталей в электродуговых печах

На правах ругописи

ДОЛГОПОЛОВА Любовь Борисовна \_—------

УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВЫПЛАВКИ ИЗНОСОСТОЙКИХ СТАЛЕЙ В ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ ПЕЧАХ

Специальность 05.16.02 Металлургия черных металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Магнитогорск 1906

Работа выполнена в Магнитогорской государственной горнометаллургической академии им.Г.И.Носова.

Научные руководители: кандидат технических наук, профессор

A.Ф.Мшшев,

кандидат технических наук,доцент

B. М. Колокольцев

Официальные оппоненты: доктор технических наук,профессор

Н.П.Сысоев, кандидат технических наук А.Н.Великанов

Ведущее предприятие: Орско-Халиловский металлургический

комбинат

Защита состоится 27 июня 1996 года в 15-00 на васедании диссертационного совета Д 063.04.01 в Магнитогорской государственной горно-металлургической академии им.Г.И.Носова по адресу: 455000, г.Магнитогорск, пр. Ленина, 38, МГМА, малый актовый Бал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Магнитогорской государственной горно-металлургической академии им. Г.И.Носова.

Автореферат разослан 24 мая 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В.Н.Селиванов

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Повышение требований к качеству изделий, работающие в горно-металлургической отрасли промышленности требует улучшения служебных характеристик сплавов, их которых изготавливаются эти изделия. Основная масса такого оборудования работает в условиях абразивного и ударно абразивного изнашивания. В связи с такими условиями службы надежность и долговечность деталей определяется характеристиками пластичности и вязкости литейной стали, сопротивлением материала хрупкому разрушению и абразивному износу.

Детали горно-металлургического оборудования в значительном • количестве отливаются из стали 110Г13Л, но качество их не является стабильннм, что в значительной мере определяется технологией • ее выплавки и разливки. Совершенствование технологии выплавки связано с улучшением раскисления стали и модифицированием ее, что требует минимальных затрат на производство при высокой их эффективности. Целесообразно тагсте совершенствовать составы выплаздяе-иых сплавов с тем, чтобы снизить в них количество дорогостоящих и дефицитных легирующих элементов без потери служебных свойств. В связи с этим разработка комплекса рациональных технологических мероприятий по повышения эксплуатационных свойств литой стали является актуальной научно-технической задачей.

Дель работы. Повышение износостойкости сталей для деталей горно-металлургического оборудования за счет совершенствования технологии их выплавки и разработки новых составов сплавов. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Изучить влияние технологических факторов выплавки на износостойкость стали 110Г13Л.

2. Исследовать влияние различных вариантов внепечного раскисления и модифицирования на структуру, износостойкость и основные свойства стали 110Г13Л, установить рациональные области концентраций раскислителей-модификаторов и порядок их ввода, обеспечивающие сочетание высотой износостойкости о необходимыми значениями механических свойств.

3. Изучить влияние легирования на износостойкость ,

желеэистых сплавов и сталей и разработать их новые составы.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Установлено влияние конечных операций комплексного раскисления - модифицирования на износостойкость сталей и литых изделий; определены пределы концентраций раскислителей - модификаторов и порядок их ввода в расплав, позволяющие достичь высоких значений износостойкости и основных механических свойств.

2. Показана взаимосвязь износостойкости и металлургических факторов при выплавке высокомарганцевой стали.

3. Изучена износостойкость сплавов тройных систем на основе железа, установлено влияние основных легирующих элементов и углерода на износостойкость сплавов и получены математические модели износостойкости тройных железистых сплавов, позволяющие определить рациональные области концентраций элементов для обеспечения необходимых механических свойств и износостойкости.

4. Изучено влияние комплексного легирования С,Сг,Мп,Б1,У,Т1 на механические свойства и износостойкость хромомарганцевых аус-тенитных сталей; Установлена взаимосвязь химического состава, структуры, механических свойств и износостойкости сталей. Определены пределы концентраций легируюици элементов для новой износостойкой стали.

5. Разработай новая износостойкая сталь 90Х2Г9АФТЛ с высоким сопротивлением абразивному изнашивания, литейными и механическими свойствами. Показана связь относительной износостойкости стали с осноеными механическими свойствами. Выбран рациональный режим термической обработки износостойкой стали.

Практическая ценность работы. На основании теоретических исследований и лабораторных экспериментов разработан метод вне-печного комплексного раскисления - модифицирования высокомарганцевой стали 110Г13Л на основз присадок в ковп ферротитана, феррованадия и силикокальция. По данной технологии в фасонносталели-тейном цехе АО ММК производится выплавка стали 110Г13Л. Внедрение такой технологии позволило существенно повысить служебные свойства отливок и увеличить в 1,6 раза срок их службы.

Отливки, изготовленные из разработанного сплава хо-

рошо зарекомендовали себя в условиях горно-обогатительного произ-

водства. В настоящее время номенклатура отливок и8 нового сплава расширяется.

Реализация работы. Разработанный рациональный режим раскисления-модифицирования лег в основу серии плавок, проведенных в условиях фзсонносталелитейного цеха АОЗТ "Мзрс" АО Ь?,<К. По предложенной технологии бшш изготовлены отливки - защитные плиты горловины доменной печи, щеки щековых дробилок, используете для размола руды в условиях горно-обогатительного производства. Износостойкость отливок возросла в 1,5...1,6 раза по сравнению с отливками из стали 110Г13Л. Ввод в эксплуатация только одной отливки брони ¡деки щековой дробилки УЗШ 2100*1500 в условиях горко-обогатитеяьного производства дал экономический эффект в размере 32263 рубля в ценах 1990 года.

Разработанный способ внепечной обработки стали 110Г13Л защищен патентом Российский Федерации.

Оптимальные гонцентрации легирующих элементов, повышающие износостойкость сплава, вошли в состав разработанной стали, на которую получен патент. Износостойкость отливок, изготовленных из этой стали, в 1,5...1,7 раза вьше. чем отливок из стали 110Г13Л.

Апробация работы. Основные положения и материалы диссертации долокены и обсуждены на научно-технической ютнференции "Охрана труда и прогрессивные технолопиеские процессы в литейном производстве, порошковой металлургии и машиностроении (Чебоксары,

1990), на шестой республикански научно-технической конференции-"Неметаллические включения и газы в литейных сплавах" (Запорожье,

1991), на конференции "Современные технологические процессы в литейном производстве" (Киев, 1991), на Российской научно-технической конференции "Металлические материалы, методы их обработки" (Москва, 1994), на межгосударственной научно-технической конфе- -ренции "Состояние и перспективы развития научно-техничесгого потенциала Южно-Уральского региона" (Магнитогорск, 1994), на 9 международной конференции "Современные проблемы электрометаллургии стали" (Челябинск, 1995), на межгосударственных, научно-технических конференциях "Развитие сырьевой базы промышленных предприятий Урала", "Проблемы развития металлургии Урала на рубеже XXI века"

(Магнитогорск, 1995, 1996), научном семинаре кафедры Электрометаллургии и литейного производства и объединенном семинаре кафедр Магнитогорской горно-металлургической академии им.Г.И.Носова.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ в научно-технических сборниках и журналах, в том числе получено 2 патента Российской Федерации.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы из 130 названии, приложений и содержит 166 страниц машинописного текста, 46 рисунков, 19 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель, научная новизна и практическое значение работы.

В первой главе в результате проведенного анализа литературных данных, установлено, что на износостойкость литых изделий влияют технологические факторы выплавки стали, свойства, количественное соотношение, характер связи отдельных структурных составляющих. Рассмотрены традиционно применяющиеся износостойкие стали и пути улучшения их служебных и механических свойств. На основе этого сформулированы цель и задачи работы.

Применение при внепечной обработки стали модифицирующе-рас-кисляюяшх комплексов позволит регулировать свойства стали,влияя на структуру металла, характер и количество неметаллических включений. При разработке нового химического состава можно получить необходимую структуру отливки, определяющую ее хорошие литейные и эксплуатационные свойства.

Во второй глаБе приводятся методики проведения исследований, ьключаыдие в себя современное оборудование и приборы по определению химического состава, структуры, механических и литейных сюйотв сталей.

Опэтинз составы износостойких сталей выплавляли в индукционной тигельной печи ИСТ-006 с основной футеровкой. Механические

свойства образцов литых сплавов при испытаниях на растяжение производили в соответствии с ГОСТ 1497-87 на разрывной машине "Инст-рои-1195" с записью диаграммы "нагрузка-удлинение", а также на разрывной машине МР-100. Ударные испытания проводили при различных температурах на маятниковом копре по стандартной методике.

Металлографические исследования микроструктуры образцов производили по стандартным методикам на оптических микроскопах ММУ-2, МИМ-8М, "Неофот-21", "Зпиквант" при увеличении от 100 до 1000 !фат. Измерение ыикротвердости структурных составляющих проводилось на приборе ПМТ-3. -

Микрофрактографические исследования поверхностей разрушения ударных образцов осуществляли с помощью растрового электронного микроскопа при увеличении до 13000 крат.

Содержание элементов в стали определяли по стандартным методикам по ГОСТ 22536.1-77 - 22536.10-77 на приборах ТС-114 LEC0, квантометре FASION, рентгеноспектральным методом на приборе ARL.

Еидкотекучесть сплавов определяли при помощи спиральной пробы по ГОСТ 16438-70.

Исследуемые сплавы тройных систем Fe-C-Mn,Fe-C-Cr,Fe-C-V,Fe-С- Мо, Fe- С- Т1, Fe- Сг- í.ín, Fe- Сг- N i выплавляли в индукционной печи с тиристорным преобразователем..

Износ образцов исследовали по методике (ГОСТ 23.203-79),предусматривающей взаимодействие исследуемого материала с абразивной средой. Количественной характеристикой износа считали величину потери массы образца при истирании.

Третья глава посвящена проблеме повышения износостойкости стали 110Г13Л. Эта высокомарганцевая сталь аустенитиого класса' сочетает в себе низкую теплопроводность, достаточно большую линейную скорость кристаллизации и усадку, обладает повышенной склонностью к столбчатой кристаллизации, имеет крупнозернистое строение с карбидами, расположенными преимущественно по границам зерен. Измельчить структуру и добиться повышения свойств

последующей термической обработкой не представляется возможным, так как сталь не претерпевает фазовых превращений, поэтому существенное влияние на первичную кристаллизации сталей данного типа оказывают операции раскисления и модифицирования.

Для оценки состояния существующей технологии проведен анализ

160 плавок стали 110Г13Л в условиях СФЛЦ АО ММК, который показал, что металл, полученный в цехе, существенно загрязнен неметаллическими включениями, имеет крупнозернистое строение и довольно низкую износостойкость. Общий индекс загрязненности стали неметаллическими включениями согласно ГОСТ 1778-70 метод Л составил 0,026. Причем на долю простых и сложных оксидов приходится-0,013, сульфидов-0,008, сшшкатов-0,005. Многие включения располагаются по границам аустенитных зерен, загрязняя их и снижая межзеренную прочность. Это приводит в ряде случаев к образованию горячих трещин и разрушению отливок при кристаллизации в форме, во время термической обработки или в начальный период их работы, вызывая такой порок, как излом. Качество стали 110Г13Л является низким и поэтому требуется совершенствование процесса выплавки стали, в первую очередь, конечных операций раскисления и кодифицирования о целью улучшения качества жидкого металла эа счет снижения количества неметаллических включений и изменения их формы и размеров.

Сталь 11СГ13Л получают методом переплава (10%) и окисления (90%) по одношлаковому режиму. При выплавке стали методом окисления шихта составляется из неокисленной обрези проката и чушкового передельного чугуна из расчета получения в металле по расплавлении 0,3. ..0,5 % С. Для лучшего шлакообразования добавляется известь 1,4...1,6 % и бой шамота 0,2...О,8 X. Окисление углерода и фосфора ведется в окислительный период присадками смеси агломерата и извести в соотношении 4:1 и заканчивается при получении в ванне 0,1 % С и не более 0,020...0,025 % Р. После полного расплавления шихты отбирается проба для определения содержания углерода, марганца, фосфора, серы. Затем в печь подается агломерат, известь, плавиковый шпат и проводится период кипения. Стать предварительно раскисляется ферросилицием или сшш-комарганцем из расчета получения кремния в металле 0,3...0,5 X. Датее металл легируется ферромарганцем в 2 - 3 приема, а пшак раскисляется восстановительной смесью, состоящей из извести, молотого юткса,ферросилиция,дробленого плавикого шпата. Сталь перемешивается и берется проба клака для определения основности, окислеиности по содержанию (РеО) и (МпО). Производится корректировка химического состава малоуглеродистым ферромарганцем, металлическим марганцем или чистой низкоуглеродкетой мелкой обрезыо прчгата. После расплавления твердых присадок металл обязательно

тщательно перемешивается, берется проба на раскисленность металла. Перед выпуском плавки шлак разжижается сухим кварцевым песком или шамотным боем. Окончательное раскисление производится забрасыванием в металл чушек алюминия.

Выплавка стали методом переплава ведется на шихте, состоящей из отходов и брака отливок из стали 110Г13Л. Необходимое количество ферромарганца загружают в печь вместе с шихтой, после расплазле-ния которой наводят известковый шлак и раскисляют' металл кусковым ферросилицием. Восстановительный шлак обрабатывают раскнслитель-ной смесью иъ извести, плавикого плата и кокса. Окончательное раскисление ведется также, как при плавке на свежей пихте.

Температура металла в печи перед выпуском находится в пределах 1480...1500°С. Температура начала залнзки форм тонкостенного литья - 1450°С, толстостенного-1430°С.

Известно, что существенно улучшить первичную литую■структуру подобных сталей можно за счет обработки жидкого расплава активными элементами, в частности Т1, V, Са путем их раздельного или совместного применения. Причем максимальный эффект достигается только при строго определенных концентрациях, характерных для каждой марки стали и устанавливаемых, как правило, экспериментальным путем. С целью определения рациональных концентраций этих элементов на первом этапе методом фракционной разливки исследовали их раздельное влияние на структуру, механические свойства и износостойкость стали 110Г13Л. Изучали влияние Т1 при его содержании в стали до 0,24%, V - до 0,19%, Са - до 0,022%.

Установлено, что увеличение содержания титана сначала повышает износостойкость стали, а затем, начиная с концентрации 0,12%, снижает ее. Титан не только раскисляет сталь, но и легирует и модифицирует ее. Нитриды титана, образующиеся в жидкой стали, имеют небольшие размеры (2...6 мкм), являются активными дополнительными центрами кристаллизации и снижают размер зерна в отбивке. Зерно стали с оптимальными добавками титана соответствует 4 баллу шкалы ( ГОСТ 5639-82), а без титана - 1..2. Титан способствует повышению чистоты стали по неметаллическим включениям, которат зависит от интенсивности удаления образующихся при раскислении оксидов. Диоксид титана оказывает на эти оксиды флюсующее действие, делает их более легкоплавкими, что способствует коагуляции включений и удалению их в шлак. Общий индекс загрязненности стали

с содержанием .титана до 0,11% находится в пределах 0,016...0,020. Повышение содержания титана не способствует дальк жшему измельчению верна, приводит к резкому падению ударной вязкости и износостойкости и увеличению общего индекса загрязненности до 0,029. Это связано с увеличением количества крупных размеров (до 20 мкм) тит «содержащих включений. Проведенные исследования показывают, что для модифицирования стали 110Г13Л достаточно вводить титан в количестве 0,02...0,11%.

Увеличение содержания ванадия в стали ведет к увеличению относительной износостойкости (Ки) и к снвкенко ударной вязкости. Можно выделить оптимальное содержание этого.элемента, когда падение ударной вязкости незначительно, а прирост относительной износостойкости существенен: 0,05%. Положительное влияние ванадия на абразивную износостойкость связано с процесса),ш карбидо-нитридо-и карбонитридообразовакия, которые способствуют повышению начальной твердости стали. Часто эти включения располагаются по границам аустекитиых зерен, охрупчивают металл и снижают ударную вязкость. Измельчения зерна и повышения чистоты стали по неметаллическим включениям при введении ванадия в исследуемых пределах не наблюдалось.

Влияние кальция на структуру и свойства стали 110Г13Л идентично его воздействию на другие стали различных структурных классов: он способствует глобуляризации и очищению стали от неметаллических включений, переводу их вглубь зерна, измельчению структуры. Увеличение содержания кальция в стали 110Г13Л ведет к увеличению относительной износостойкости, а затем несущественному снижению ее, на ударную вязкость кальций сначала не оказывает влияния, а затем резко сникает ее. Положительное влияние кальция наблюдается при его содержании в стали 0,0021. .0,010%. Размер зерна соответствует 3...4 баллу, общий индекс загрязненности -0,015...0,021. В стали, обработанной кальцием, снижается количество особо вредных включений РеО*МпО, и они очень редко встречаются по границам зерен. Снижение сеойств металла при дальнейшем увеличении в нем содержания кальция связано с загрязнением стали неметаллическими включениями, представляющими собой Iтрупные об-латоподобиые оксиды и оксксульфвды. Отдельные включения достигает размеров 30...40 мкм. Хорошее сочетание абразивной износостойкости и ударной вязкости наблюдается при содержании кальция в стали

0,002...0,010%.

При введении 1сальция в расплав образуются пари, которые реагируют с кислородом и восстанавливают глинозем, образовавшийся в Стали при предварительном раскислении алюминием. Выделяющиеся при этом оксиды и оксисульфиды частично удаляются за счет интенсивного барботажа расплава. Пары кальция защищают поверхность стали в ковше, предохраняя ее от вторичного окисления. Оставшиеся продукты взаимодействия кальция с кислородом и серой могут служить зародышами для последующей кристаллизации на них выделяющихся оксидов и сульфидов при понижении температуры стали. При обработке стали силикокальцием образуются легкоплавкие продукты реакций с кислородом: (А120з*са0*3102) - алюмокальциевые силикаты. Они имеют глобулярную форму. Коагулируя в последующем с сульфидами, оксиды, содержащие кальций, образуют сложные оксисульфиды, которые находятся в большинстве своем в жидком состоянии до последних моментов кристаллизации. Оки не захватываются растущими кристаллами, а вытесняются на фронт кристаллизации и затвердевают на границах зерен, вызывая снижение свойств стали.

На втором этапе изучали комплексное воздействие раскислите-лей - модификаторов. Важным является не только количество вводимых добавок, но и порядок их ввода, так как эти элементы обладают различной активностью по отношению к кислороду, сере, азоту и другим вредным примесям стали. Введение в сталь титана, ванадия, кальция позволит не только глубоко раскислить ее, но и совместить известные виды модифицирования:

- создать дополнительные центры кристаллизации за счет нитридов титана;

- ограничить рост кристаллитов за счет поверхностно- активного кальция:

- изменить морфологию неметаллических включений за счет Т1, V, Са.

Опробовано четыре варианты ввода добавок в жидкую сталь:

1.первым на желоб под струю жидкого металла подавался ферро-титан, затем смесь с ил ико кальция и феррованадия;

2.первым подавался феррованадий, затем смесь ферротитана и силикокольция;

3.первнм подавался ферротитан, еатем феррованадий и в последите очередь силикокальций;

4.первым подавался силикокальций, затем смесь феррованадия и ферротитана (й! С- а, ЗеУ, 7еТ:).

Порядок ввода существенно сказывается на усвоении модификаторов. Введение первым одного из них приводит к снижению усвоения этого элемента расплавом, т.е. его повышенному угару. Особенно сильно угарает )кальций, если его вводить первым. Введение первым РеУ на 25...50 % увеличивает его угар. С этой точки зрения порядок ввода РеП, БЮа+РеУ дает лучшее усвоение модификаторов, чем остальные способы ввода ферросплавов (табл. 1). Максимальная загрязненность стали, как общая, так и границ зерен, наблюдается при вводе модификаторов по второму варианту, общая загрязненность возросла на 20% по сравнению с вводом первым ферротитана, а загрязненность границ зерен - на 40%. Загрязненность металла ведет к снижению его пластических и вязкостных свойств (рис. 1).

Таблица 1

Изменение параметров при различном порядке ввода раскислителей - модификаторов

Порядок ввода Расход, кг/т Усвоение,% Загрязненность Сред ний балл зерна

КеТ1 БЮа РеУ общий Т1 Са V общая границ зерен

1 2 3 4 5,37 1,62 3,80 3,15 1,78 1,63 1,40 1,95 3,35 4.28 3,00 1,84 10,50 7,51 14,8 6,94 47,74 57,3 12,5 39,0 11,15 10,57 27,3 4,17 78,87 47,60 21,00 60,6 18.7 22,0 21,0 15.8 9,1 12,7 10,0 7,0 3,7 2,3 3 3

Свойства стали в зависимости от очередности ввода ферросплавов представлены в табл. 2. Предел прочности на растяжение и предел текучести при всех вариантах ввода добавок остаются близкими, а пластические и вязкостные свойства наихудшие при втором варианте ввода. Коэффициент относительной износостойкости в первом случае выше на 4%, чем при введении первым Б1Са и на 25% по сравнению с введением первым РеУ. Заметно укрупнилось зерно при вводе ферросплавов по третьему варианту (на 23%) и на 50% при вводе первым РеУ, что сказалось на свойствах стали. Лучшие свойства имеют стали, в которых первым вводился ферротитан, а наихудшими показателями обладают стали с введением первым РеУ. Введение первым 31Са приводит к практически полному окислению кальция, сталь при этом получается менее загрязненная, однако, из-за того, •по структура стали получается крупнозернистая, улучшения механи-

Таблица 2

Свойства сплава при различных способах ввода раскислителей - модификаторов

Порядок ввода Свойства

МПа <г. % •К % КСУ,„ МЛж/м2 НЗ 6" 02. Ша Ки

1 2 3 4 875 855 800 866 35,7 33,0 34,0 36,0 27,1 22,3 25,0 28,5 2,0 1,6 1,9 1.9 211 193 200 202 453 462 420 461 1,97 1,48 1,80 1,91

ческих свойств не наблюдается, а такие важные характеристики сплава, как относительная износостойкость и ударная вязкость, получаются ниже (рис. 2). Таким образом, наиболее рациональным является следующий порядок ввода раскислителей-модификаторов: ГеТ1, Б1Са + ГеУ.

Первоначальное введение в сталь в начале ее выпуска в гови сильного раскислителя и нитридообразующего ферротитана снижает концентрацию в металле кислорода и водорода. Образующиеся при этом нитриды и карбонитриды титана заметно измельчают зерно сплава, являясь дополнительными центрами кристаллизации. Неметаллические включения при раскислении титаном имеют большую скорость удаления из стали и их содержание не зазисит от исходной концентрации кислорода.. Если в стали много кислорода, то он способствует образованию ¡фупных включений, которые удаляются особенно бистро. Ванадий является слабым раскислителем и влияние его будет неэффективным из-за слабого раскисляющего действия.

При раскислении силикокальцием образуются силикатные включения» плохо удаляпщиеся из расплава вследствие низкой их скорости всплытия. Скорость всплытия частичек зависит от их степени взаимодействия с жидкой сталью. Межфазное натяжение сталь-силикатные включения мало. Смачиваемость силикатов объясняется наличием свободных валентных зарядов в результате образования иона, например, Б1044", на границе силикатное включение-сталь. Наличие некомпенсированного заряда тормозит всплывание включений. Поэтому к моменту ввода силикокальция необходимо иметь возможно низкое содержание ютслорода в стали. После предварительного раскисления металла титаном, кальций способствует увеличению скорости удаления неметаллических включений, т.к. образующиеся при этом рютч^пип

Влияние загрязненности стали неметаллическими включениями на свойства стали

ЦССй

О.СОЗ 0,007 0.003 О. ООО

Загрязненность границ зерен

0.010

37*

37 Э5 33 31 £9

КСУ,

мгь»

и*

го

1.0

1.0 1.4

Ц012

ЦШв Д020 0,024 01029

Обшая загоязненность

Ц032 •

Рио. 1

Влияние величины зерна на свойства стали

Рис. 2

имеют глобулярную форму, что снижает отношение поверхности включения к его объему, а это приводит к увеличению скорости его удаления. Кроме этого, кальций уменьшает вредное влияние оставиейся в металле серы, т.к. механические свойства сульфидов кальция выше свойств сульфидов марганца.

Совместное присутствие в металле титана и ванадмч ведет к разномерному распределению карбидов, устранению карбидной сетки при кристаллизация и затвердевании отливки в форме. Это существенно улучшает показатели трещиноустойчивости стали как при кристаллизации отливки, так и при последующей ее термической обработке.

Таким образом, можно эффективно управлять процессами первичной и вторичной кристаллизации литой стали. В процессе кристаллизации ватаое значение имеют адсорбционные явления, связанные с наличием поверхностно-активных пр;шесеп. Адсорбционные вещества пошскают ме.т4>азовую поверхностную энергию, изменяя параметры кристаллизации. Это оказывает большое влияние на формирование самого кристалла, характер выпадения пограничных фаз, форму и залегание неметаллических включений. Понижение поверхностного натяжения на границе "расплав-кристалл" связано с обогащением поверхностного слоя активными элементами (3,0,Н,Р) или образованием на поверхности пленки (РеО,А1М,МпЗ,РеОЛ1пО,РеЗ и др.). Раскисление-модифицирование позволяет эффективно воздействовать на процессы адсорбции га счет удаления вредных примесей и газов, изменения характера кристаллизации и перераспределения кристаллизующихся фаз и их количества. Поэтому обработка сталей композицией титан-ванадий-кальций существенно повышает трещиноустойчивость и износостойкость ста1-!1;. Достигаемое уменьшение размеров дендритных кристаллитов и эерга аустенита при введении в сталь данных элементов сопровождается увеличением межзеренной поверхности, уменьшением удельной пограничной концентрации примесей. Металлографические исследования подтвердили этот вывод. Микроструктура представляет собой аустенит с зерном 5 балла, неметаллические включения п основном глобулярной формы, небольших размеров, располагаются внутри зерна. Общий индекс загрязненности неметаллическими включениями снизился до 0,018 после обработки стали данным комплексом.

В результате проведенных исследований рлзработ.ан способ тт-

печной обработки литой стали, защищенный патентом Российской Федерации. Опытно-промышленное опробование и внедрение данного способа проводили в СФЛЦ АО ММК.

Стаи 110Г13Л выплавляли в злектродуговой печи емкостью 5 т с основной футеровкой методом окисления. Тройной комплекс Ti+V+Ca в виде ферротитана, феррованадия и силикокальция с размерами кусков до 5 см вводили в расплав во время выпуска его из печи в ковш, причем сталь предварительно алюминием не раскисляли. Расход ферротитана (ФТиЗба) составлял 2,2 ¡cr/т стали, феррованадия (СВд35а) - 0,93 кг/т, силикокальция (СК45) - 0,67 кг/т. После скачивания образовавшегося шлака сталь при температуре 1450.. . 1470 °с разливали в Форш. После выбивки отливки подвергали термической обработке по режиму: закалка в воде от 1070 °С. Изготовлено около 30 т отливок для горнообогатительного производства и доданного цеха, стойкость которых выше в 1,5...1,6 раза, чуи у отливок из стали ИОИЗЯ, что подтверждается актом промышленных испытаний.

В четвертой главе представлены результаты исследований износостойкости сплавов тройных систем Fe-С-Сг, Гс-C-Mn, Fe-C-V, Fo--C-T1, Fe-C-Mo, Fe-Cr-Mn, Fe-Cr-Ni с целью выбора рациональных областей концентраций легирующих элементов для нового состава износостойкой стали.

Сплавы железоуглеродистых систем имеют следующие особенности:

-они относятся к металлическим системам с ограниченными таердыми растворами;

-компоненты сплавов имеют различную растворимость в et-Fe; причем углерод весьма ограниченно раствори.;, марганец, молибден, титан - более существенно, хром и гаяадий неограниченно растворимы;

-все металлы данных сплавов являются карбидообразующими элементами. Марганец не образует самостоятельных карбидов, а растворяется в цементите с образованием карбида (Fe,Mn>3C; хром и молибден в зависимости от содержания могут входить в карбида железа и образовывать самостоятельные карбиды; титан и ванадий образуют чаям« свои карбиды TIC и VC.

Эти особенности железоуглеродистых сплавов накладывают отпе-

чаток на формирование их литой структуры, свойств и износостойкости сплавов.

Регрессионный анализ позволил получить следующие уравнения, показывающие связь относительной износостойкости с содержанием легирующих элементов в сплаве:

Ки"0,72+0,98[С]+0,14[Мп]-0,15[С32-0,01 [Мп]2+0,01[МпЗ [С];

Р=0,94, Р-26,74;

Ки-0,18+1,54СС]+0,12[Сг]-0,28[С]2-0,002[Сг]2+0,04[С]ССг];

!М),98. Р-271,376;

Ки-0.74+1,16[С]+0,6б[Т1]-0,13СС]2-0,09т]2-0.04СС]СТ1];

В-0,98, Р-246,89;

Ки'0,78+0,79ССЗ+0,61[У]-0,12[С]2-0,12СУ32+0,04СС] [V];

(М),99, Г-399,873;

Ки-0,93+0,44 [С] +0,29 Шо] -0,01 [С]2-0.03[МО] 2+0,08СС] [МоЗ;

ГЫЭ.98, Р-193,2515, где К - коэффициент корреляции; р - критерий Фишера.

Сравнение относительной износостойкости исследованных сплавов трошшх- систем позволило расположить элементы в следующий ряд по возрастанию значений износостойкости: !.!п - Сг -» Мо - V Т1 (Рис. 3), сделать вывод, что критерием относительной изиосостой-!юсти является прочностная основа сплавов, и выбрать интервалы содержаний элементов для дальнейшей разработки износостойкого сплава.

Анализ с-'стем Ре-Сг-Мп, Ре-Сг-N1 показал, что отсутствие в структуре этих с.стем сильных упрочняющих фаз (карбидов) не позволяет достичь высо!слх значений износостойкости.

В данных сплавах только свойства твердых растворов определяют показатели относительной износостойкости. При этом отмечено, что износостойкость сплавов Ре-Сг-Мп существенно выше, чем у сплавов Ре-Сг-Ш. Исследования по влиянию типа матрицу на относительную износостойкость железохромовнх сплавов с марганцем и никелем показали, что переход от однофазных структур (а или г) к двух-трехфазным («+ т, «»-г+й' или е) существенно повышает износостойкость. Твердость раствора играет существенную роль толыга в гетерофазиич структурам. При исследовании действия на относительную износостойкость всех трех элементов установлено определяющее влияние хрома, который непрерывно повышает износостойкость независимо

Влияиие легирования на износостойкость сплавов тройных систем при содержании углерода IX

Ки 4,0

3,5

3,0

2,5

/ Мо

/лс

Мп

"Ч Л

1,0

Содержание легирующих элементов. %

Рис. 3

от содержания марганца и никеля в сплаве. Влияние марганца и ниг кели экстремально, максимум износостойкости находится в пределах 8,0...12,021 для марганца и 4,0. ..8,0% для никеля.

- Пятая глава посвящена разработке новой износостойкой стали: и технологии ее выплавки. Повышение абразивной износостойкости аус-тенитных сталей без заметного снижения основных свойств существенно повысит ресурс работы оборудования. В качестве перспективной основы для отливок, работающих при нагрузках в абразивной ' . среде, является метастабильнып марганцевый аустенит системы Го-С-Ми-Сг. При динамическом действии абразива на отливку из та-1сой стали в ее поверхностных слоях интенсивно развиваются деформационные ыартенситные превращения по схеме . При этом ре-ько возрастает сопротивление детали абразивному разрушена поверхности. С целью обоснованного выбора состава метастабильного сплава для условий абразивного изнашивания были проведены иссле-донанни сталей о содержанием легирующих элементов, обоснованные в гл. 4. Дли получения чисто аустениткой структуры стали подверга-

ли термической обработке закалке от 1100 °С в воде.

Получены многомерные адекватные регрессионные зависимости, показывающие взаимосвязь абразивной износостойкости сталей с их химическим составом, основными механическими свойствами, баллом зерна (с!) :

Ки - 1,26 + О,20[С] - 0,40[51] + 0,04 ОМ + 0,06[Сг] + + 0.88т + 1.05СТ1];

Ки - - 1,27 + 0,002бв + О.ОООБбо.2 + 0.021У - 0,0445 -- 0.014КСУ + 0.006НВ + 0,12(1;

Ки - 1,15 + 0,07(1 + 0,02с12.

Микроструктура всех выплавленных сталей представляет собой хромо-марганцевый аустенит с карбидами (Ге,Сг)зС, (Ге,Мп,Сг)зС, (ГеСг)7Сз, Т1С, УС. В зависимости от содержания хрома и марганца и их соотношения меняется количество, тип и расположение карбидов. Негативную роль в морфологии карбидов играет кремний. В сталях о его содержанием более 0.4Х в литом состоянии-карбиды покрывают границы аустенита практически сплошной сеткой. Термичеокая обработка лишь частично снижает эти пограничные выделения, поэтому прочность, твердость, пластичность, ударная вязкость при увеличении содержания кремния снижаются. Значит в технологию шп-лавки хромомарганцевых аустенитных сталей необходимо внести коррективы по ограничению количества вводимого ферросилиция для об-рабоэтси ¡одного расплава. Наиболее высокой абразивной износостойкостью обладают стали о высокими значениями прочности, прз-дела текучести, твердости, ударной вязкости.,

В результате исследований создана износостойкая сталь 90Х2Г9АФТЛ, след.тощего состава, %: 0,82... 1,1 С; 0,01...0,5 Б1; 6,5...10 Мп; 2...4,5 Сг; 0,003...О,01 V; 0,01...0,04 И; 002.. .0,1 II; ■ 0,005 .0,05 Са.

Сталь выплавляли в 5-т дуговой электропечи в СФЛЦ АО Ц'Ж по технологии, аналогичной технологии получения стали 110Г13Л, ио-1Уючая операцию раскисления сплаза алюминием. Легирование хромом проводили после полного расплавления ферромарганца путем присадки в печь низ!ссуглеродистого феррохрома. При выпуске стали из пеня при температуре 1520 °С , сплаз на желобе обрабатывали

расгаюляаде-шдифкцирувдэй смесью в составе <&ерротитаиа, феррованадия и силикскальцня с размерами кусков до 50...70 №1. После Ей пуска сталь выдерживали в ковше 5... 10 минут для полного рзспмл-

ления присадок.

Микроструктура стали в литом состоянии представляет собой верна аустенита размерами до 5-6 баллов с карбидами, расположенными как на границах зерен, так и внутри них.

Сталь обладает высокими механическими свойствами: бв - 700. ..760 МПа, бо.2 - 440...480 МПа, V - 23...26 %. 5 - 18...21 X, НВ-200...230, KCV+Z0 с - 0,95...1,1, KCV"60 с - 0,4...О,5 ВДж/М2, К„ - 1,4...1.9.

Благодаря высокому содержанию углерода и марганца, которые снижает поверхностное натяжение и температуру лигаидус, сталь обладает хорошей жидкотекучестью, ненамного меньшей, чем жидкотеку-честь стали 110Г13Л. Растворенный в стали марганец, взаимодействуя с атмосферой литейкой формы, образует на поверхности расплава оксидную пленку, которая, являясь поверхностно активной, облегчает течение расплава в каналах литейной формы. Модифицирование стали титаном и кальцием приводит к изменению параметров кристал- . лиаации, в частности, к уменьшению кристалликов твердой фазы, что такие улучшает жидкотекучестъ. Поэтому получение отливок с тонкими стенками не вызывает затруднений.

Линейная усадка стали 90Х2Г9АФТЛ составляет 2,5...2,6%, что немного ниже, чем у стали 110Г13Л. Усадка марганцевых сталей реализуется при температурах, близких к интервалу кристаллизации, это повитает вероятность образования горячих трещин. Правильно выбранные технологические режимы литья могут устранить этот дефект. Чрезмерно высокие температура и скорость заливки могут быть причиной горячеломкости отливок.

Высокомарганцовистые стали склонны к пригару, что характерно и для стали 90Х2Г9АФТЛ. Это связано с высокой жидкотекучестью, малым поьерхностным натяжением, хорошей смачиваемостью песчано-глинистой формы. Снижения пригара можно достичь путем хорошего раскисления стали (плавка в электропечи под белым шлаком), оптимальной температуры заливки форм, снижения продолжительности контакта жидкого металла с формой, а также окрашиванием формы противопригарными красками. При изготовлении отливок из разработанной стали брака по пригару не было.

Сталь 60ХЯГ9АФГЛ в отличии от стали 110Г13Л дополнительно легировала хромом, титаном, ванадием. В ней образуются карбиды этих элементов, трудно растворимые в аустенпте при обычных режи-

мах нагрева высокомарганцевых сталей под закалку. Для их полного растворения необходимы высокие температуры и длительная выдержка. Наиболее предпочтительные температуры закалки: 1100...1150 °С, что было установлено экспериментально. В случае тонкостенного литья во избежание изменения размеров отливок из-за сильного окали-кообразования можно снизить температуру закалки до 1070...1100 °С. При тагах режимах термической обработки сталь имеет наиболее высокий уровень свойств, i/нкроструктура стали представляет собой гомогенный аустенит. Карбиды по границам практически отсутствуют.

Отливки, полученные из стали 90Х2Г9ЛФТЛ, имеют износостойкость в 1,4...2,О раза выше, чем отливки из стали 110Г13Л. Ввод в эксплуатацию только одной отливки брони щековой дробилки УЗШ 2100*1500 в условиях горно-обогатительного производства дал экономический эффект 32263 руб. з ценах 1990 года.

ВЫВОДЫ

1. На основании теоретических и экспериментальных исследований разработана технология комплексного внепечного раскисления-модифицирования стали 110Г13Л. Установлены порядок ввода и количества вводимых ферродобавок. В начале выпуска в стать вводят ферротктач в количестве 1,4...7,6 кг/т стали в расчете на остаточное содержание титана 0,03...0,15 %, затем сшшкокальций и феррованадий в количестве соответственно 0,9...2,7 и 0,63...6,3 кг/т стали з расчете па остаточное содержанке кальция и ванадия соответственно 0,005...0,01 Z и 0,02...0,2 7..

2. Использевяяие комплексного раскислителя-кодификатора, введенного в следующей последовательности: FeTl, затем смесь FeV и SiCa, обеспечивает получение стали с размером зерна 4-5 балла, пониженную загрязненность неметаллически!«! включениями, высокие механические свойства.

3. Определено влияние общей загрязненности и загрязненности границ зерен стали неметаллическими включениями, балла зерна на износостойкость стали 110Г13Л. Показано, что для достижения высоки свойств сплава необходимо иметь балл зерна не ниже 3, общая загрязненность но должка превышать 0,020.

4. Изучено влияние легирующих элементов железоуглеродистых сплавов на износостойкость и установлено, что износостойкость

возрастает при легировании элементами в следующей последовательности: Мп Cr -* Mo - V - Т1.

5. Установлено вредное влияние кремния в аустенитных хромо-марганцевых сталях на износостойкость. Его концентрация не должна превышать 0.4...0,5%. В связи с этим, необходимо регулировать количество вводимых кремнийсодержащих ферросплавов при выплавке данных сталей, чтобы не выйти за рекомендованные пределы. При выплавки стали методом переплава следует очищать поверхность отливок от пригара.

6. На основании анализа износостойкости сплавов тройных систем установлены пределы концентраций элементов для разработки нового состава износостойкой стали. Проведенные выплавка и испытания свойств этого сплава показали, что износостойкость отливок из разработанной стали возрасла в 1,6...1,7 раз по сравнению с отливками из стали 110Г13Л.

7. Разработан режим термической обработки для стали ООХ2Г9АОТЛ, особенностью которой является образование специальных карбидов, для их растворения необходимы повышенные температуры,: закалка от 1100...1150 °С, вода.

8. Получены корреляционные зависимости прочностных, пластических свойств и износостойкости сталей. Анализ этих зависимостей показал, что высокая износостойкость определяется комплексом высоких механических свойств, а также и?: взаимосвязью.

9. Разработаны и защищены патентами способ внепечпой обработки высокомарганцевой стали и новый состав износостойкого сплава, позволяющие существенно повысить износостойкость литых деталей при необходимом уровне основных механических свойств.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. В.М.Колокольцев, Е.В.Синицкий, Л.Б.Долгополова. Связь, абразивности чистых металлов с основными фиэико-механическими свойствами // Проблемы раз! ••ия металлургии Урала на рубеже XXI века: Тез.межгосударственной науч. техн. конф. -Магнитогорск,

1096. -С.

2. B.W.Колокольцев. Л.Б.Долгополова. Создание теоретических основ синтеза износостойких чугунов и сталей для отливок» работа-и,!1их в условиях абразивного и ударно-абразивного износа // Фувда-

ментальные проблемы металлургии: Тез. докл. Российской межвузовской науч. техн.конф. -Екатеринбург: УГТУ, 1995. -С.62-63.

3. В.М.Колокольцев, Л.Б.Долгополова. Повышение срока службы горно-обогатительного оборудования //Развитие сырьевой базы промышленных предприятий Урала: Тез.докл.межгосударственной науч. техн. конф. -Магнитогорск, 1995. -С. 112-112.

4. В.М.Колокольцев, К.Н.Вдовин, Л.Б.Долгополова. Совершенствование технологии электроплавки высокомарганцевых износостой-. ких сталей // Современные проблемы электрометаллургии стали: Тез. докл. 9 международной конф. -Челябинск, 1995. -С. 36.

5. А.Ф.Миляев, В.М.Колокольцев, Л.Б.Долгополова. Износостойкая сталь для деталей горно-металлургического оборудования // Состояние и перспективы развития научнотехнического потенциала Южно-уральского региона: Тез.докл. Межгосударственной науч. техн. конф. -Магнитогорск, 1994. -С. 51-52.

О. А.Ф.Миляев, Л.Б.Долгополова, В.М.Колокольцев, И.Х.Тухва-тулин. Литая износостойкая сталь с пониженным содержанием марганца // Новые материалы и технологии: Тез. докл. Российской науч. техн. конф. -М.: МГАТУ, 1994. -С.103.

7. В.М.Колокольцев, А.Ф.Миляев, В.Д.Науменко, Л.Б.Долгополова. Новая износостойкая сталь 90Х2Г9АФТЛ для отливок // Сталь. -1994. -N3. -С.14-15.

8. В.М.Колокольцев, Л.Б.Долгополова, В.В.Конюхов. Износостойкая сталь 90Х2Г9АФТЛ Для отливок горно-металлургического оборудования // Литейное производство.-1993.- Кб. -С.62.

9. А.Ф.Миляев, В.М.Колокольцев, Л.Б.Долгополова. Повышение служебных свойств износостойких отливок горно-металлургического оборудования // Современные технологические процессы в литейном производство: Теэ. докл. науч. техн. конф. -Киев, 1991. -С.37-зд

10. В.М.Колокольцев, Л.Б.Долгополова, В.В.Конюхов. Износостойкие литейные стали о повышенными служебными свойствами для отливок горно-металлургического оборудования // Современные литейные материалы и технология получения отливок:Тез. докл. науч. техн. конф. -Л., 1991. -С.33 — 35.

11. В.В.Колокольцев, В.В.Конюхов, Л.Б.Долгополова. Неметал-дические включения и характер разрушения литых евых сталей // Неметаллические включения и газы в литейных сплавах: Тез. докл. б Республиканской науч. техн. конф. -Запорожье, 1991. -С. 23.

12. Литая износостойкая сталь: A.c. 1700090 СССР, МКИ3 С 220 38/38/ В.М.Колокольцев, А.Ф.Миляев, Л.Б.Долгополова, В.М.Долгопо-лов, Е.Г.Коэодаев и др.

13. Способ внепечной обработки литой стали: Патент 1693082 Российской Федерации, МКИ3 С21С 7/06 / В.М.Ксшиюльцев, А.Ф.Миляев, Л.Б.Долгополова, А.А.Гостев и др.

14. Сталь: Патент 1721115 Российской Федерации, МКИ3 С22С 38 /38 /В.м.Колокольцев, Л.Б.Долгополова, А.А.Гостев, В.В.Конюхов и др.

15. В.М.Колокольцев, А.Ф.Миляеев, Л.Б.Долгополова, В.В.Конюхов. Улучшение свойств стали 110Г13Л модифицированием // Литейное производство. -1990. -N9. -С.7.

•16. B.W.Колокольцев, Л.Б.Долгополова, В.В.Конюхов. Пути повышения служебных свойств отливок из износостойких сталей // Состояние технического уровня и тенденции развития литейного производства в Красноярском крае: Тез. краевой науч. техн. конф. "Красноярск, 1990. -С.20-21.

17. В.М.Колокольцев, О.А.Назаров, Л.Б.Долгополова. Износостойкие чугуны и стали для отливок горно-металлургического оборудования // Охрана труда и прогрессивные технологические процессы в литейном производстве, порошковой металлургии и машиностроении: Тез. науч. техн. конф. -Чебоксары, 1990. -С.54-55.

подписано в печать 21.05.96 Формат 60x84 Т/16 Бумага ткп.№ 2 Плоская печать Усл.печ.л.I,00 Тираж 100 экз.

Заказ 244 Бесплатно

. 455000, Магнитогорск, пр.Ленина, 38 Ротапринт МП.1А