Анализ влияния добавок олова на состав неметаллических включений в конструкционных сталях

УДК 669.187:669.15

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ДОБАВОК ОЛОВА НА СОСТАВ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ В КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЯХ

М.С. Никитин, А.В. Рябов

ANALYSIS OF EFFECT OF TIN ADDITIONS ON THE COMPOSITION OF NON-METALLIC INCLUSIONS IN STRUCTURAL STEELS

M.S. Nikitin, A.V. Ryabov

В работе исследуется влияние добавок олова на состав неметаллических включений, образующихся в конструкционных низколегированных, в том числе и кальцийсодержащих, сталях методом энергодисперсионного анализа. Представлено теоретическое объяснение полученных результатов.

Ключевые слова: автоматная сталь, олово, обрабатываемость резанием, неметаллические включения.

The paper investigates the effect of tin additions on the composition of non-metallic inclusions forming in low-alloy structural steels, including calcium-doped steels, by means of energy-dispersion analysis. Theoretical explanation of results is also presented.

Keywords: free-machining steel, tin, machinability, non-metallic inclusions.

Ведущее место в технологии машиностроения занимают процессы обработки лезвийным инструментом. Во многих отраслях их трудоемкость и производственные расходы достигают 40-60 % от общих затрат и превосходят суммарную стоимость литья, обработки металлов давлением, сварки и других методов [1]. Вследствие этого очевидно, что обрабатываемость резанием является важнейшей характеристикой стали, а повышение эффективности процесса токарной обработки металлических материалов представляется весьма актуальной задачей.

Однако легирующие добавки, применяемые в современной практике для получения так называемых автоматных сталей, имеют ряд особенностей, которые в определенной степени обусловливают значительное усложнение технологии вы-

плавки данного сортамента и приводят к ухудшению экологической обстановки производства, а вопрос их равноценной замены по-прежнему остается неразрешенным. В ряде публикаций в качестве такой альтернативы предлагается использовать олово [2, 3].

В то же время в результате многочисленных исследований установлено, что уровень обрабатываемости стали резанием связан с наличием определенного типа включений в ее структуре. Причем влияние последних обусловлено не только химическим составом и количеством, но и их величиной, формой и распределением в объеме металла. В связи с этим в данной работе был проведен анализ влияния добавок олова на состав и морфологию избыточных фаз в конструкционных сталях.

Химический состав сталей

Марка стали Номер образца Массовая доля компонентов, %

С Mn Si P S Cr Cu Sn Ca

17ХГ 1 0,20 0,96 0,26 0,017 0,022 0,76 0,09 0,03 -

2 0,19 0,91 0,25 0,019 0,021 0,77 0,08 0,10 -

3 0,17 0,98 0,28 0,016 0,024 0,79 0,10 0,14 -

4 0,20 1,01 0,26 0,020 0,023 0,75 0,08 0,19 -

Марка стали Номер образца Массовая доля компонентов, %

С Mn Si P S Cr Cu Sn Ca

АЦ16ХГ 1 0,17 0,90 0,27 0,018 0,047 0,71 0,11 0,04 0,0013

2 0,19 0,88 0,29 0,020 0,053 0,66 0,10 0,10 0,0026

3 0,16 0,95 0,24 0,016 0,042 0,73 0,10 0,15 0,0018

4 0,16 0,97 0,26 0,018 0,051 0,67 0,08 0,18 0,0016

В качестве объектов для исследования были выбраны стали марок 17ХГ и АЦ16ХГ по ТУ 14-14605-89. Выплавка производилась в лабораторной индукционной печи. Для легирования использовали металлическое олово квалификации ч.д.а., которое присаживали на дно изложницы. Кальций вводили в печь перед выпуском плавки в виде порошковой проволоки силикокальция марки СК30. Для каждой марки стали по идентичной технологии провели четыре плавки, отличающиеся друг от друга только содержанием олова. Химический состав полученных слитков представлен в таблице.

С целью определения форм присутствия олова из каждой отобранной пробы были изготовлены шлифы, которые отправляли на электронно-зондо-вый анализ. Для изучения структуры металла применялся растровый электронный микроскоп Jeol JEM7001F с термополевой эмиссией и энергодисперсионным анализатором элементного состава Oxford INCA X-Max80 компании Oxford Instruments. Включения, характерные для стали марки 17ХГ, представлены на рис. 1.

Типичные включения, встречающиеся в структуре стали марки АЦ16ХГ, изображены на рис. 2.

В результате многочисленных исследований установлено, что в автоматных сталях, легированных свинцом, висмутом и их сочетаниями с серой, сульфиды часто выступают в роли подложки для

осаждения частиц отмеченных металлов [4]. Кроме того, в работе [5] сообщается, что олово, обладая некоторой растворимостью в сульфидах, входит в состав данных избыточных фаз. Наряду с этим существует мнение, что кальций связывает цветные примеси не только в различные интерме-таллиды, но и в неметаллические включения. Так, согласно результатам исследований, опубликованным в работе [6], цветные металлы могут присутствовать в комплексных включениях, которые в данном случае представлены сложными оксидами.

Тем не менее по итогам изучения встречающихся частиц в характеристическом рентгеновском излучении можно сделать вывод, что олово не сформировало собственных включений и не входит в состав образовавшейся неметаллической фазы. Вследствие того, что максимальная растворимость олова в железе, равная 17,7 мас. % [7], значительно превышает данную характеристику для всех традиционных легирующих элементов, улучшающих обрабатываемость, указанные компоненты образуют друг с другом твердый раствор.

Присутствие олова в сульфидах марганца, определенное в работе [5], вероятнее всего, объясняется следующим образом. Наличие в стали углерода, кремния и ряда других элементов вносит существенные изменения в процесс выделения данных включений и их химический состав. В ча-

Никитин М.С., Рябов А.В. Анализ влияния добавок олова на состав

неметаллических включений в конструкционных сталях

Рис. 2. Включения в структуре стали марки АЦ16ХГ

стности, в сталях с содержанием марганца более

0,4 % образующиеся сульфиды помимо основных составляющих обычно содержат от 3 до 5 % железа [8]. Следовательно, некоторая малая часть олова, которое равномерно распределено в твердом растворе, также может входить в состав сульфидной фазы совместно с железом.

Отсутствие интенсивного взаимодействия олова с кальцием объясняется по крайней мере двумя основными причинами. Во-первых, вследствие поздней присадки олова на фоне весьма высокой скорости кристаллизации в объеме металла не создается оптимальных временно-температурных условий. Во-вторых, содержащийся в расплаве кальций находится в связанном состоянии, в виде комплексных соединений, представленных оксидными и сульфидными включениями, что затрудня-

ет протекание дальнейших физико-химических реакций с его участием.

Выводы

При содержании до 0,20 мас. % олово, не образуя собственных и не оказывая влияния на состав уже сформировавшихся неметаллических включений, полностью переходит в твердый раствор с железом.

Литература

1. Касимов, Л.Н. Ресурсосберегающие технологии механической обработки труднообрабатываемых материалов: моногр. / Л.Н. Касимов. - Уфа: Изд-во ООО «ДизайнПолиграфСервис», 2003. -182 с.

2. Development of Non-leaded Free-Cutting Steel by Adding Tin / L. Liansheng, Z. Rong, G. Hanjie et

al. // Journal of University of Science and Technology Beijing. - 2003. - Vol. 25, № 4. - P. 312-314.

3. Hashimura, M. Development of Low-Carbon Lead-Free Free-Cutting Steel Friendly to Environment /M. Hashimura, K. Miyanishi, A. Mizuno // Nippon Steel technical Report. - 2007. - № 96. - P. 45-49.

4. Яшин, Ю.Д. Стали улучшенной обрабатываемости резанием / Ю.Д. Яшин, С.А. Солдаткин, А.К. Тихонов // Черная металлургия: бюл. ин-та « Черметинформация». - 2010. - № 10. - С. 50-54.

5. Effect of Sn on Microstructure and Sulfide Precipitation in Ultra Low Carbon Steel / Z. Liu, M. Kuwabara, R. Satake et. al. // ISIJ International. -2009. - Vol. 49, № 7. - P. 1087-1093.

6. Зинченко, Б.Г. Влияние технологии модифицирования на содержание и распределение вредных примесей в кузнечных слитках / Б.Г. Зинченко, В.Е. Рощин, Н.Б. Мальков // Электрометаллургия. - 2007. - № 2. - С. 11-15.

7. Диаграммы состояния двойных металлических систем: справ.: в 3 т. /под общ. ред. Н.П. Ля-кишева. - М.: Машиностроение, 1997. - Т. 2. -1024 с.

8. Заславский, А.Я. Современные автоматные стали. Состав, включения, свойства / А.Я. Заславский. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2005. - 206 с.

Поступила в редакцию 11 августа 2012 г