Упрочнение стали тугоплавкой дисперсной фазой

Неметаллические включения в высокоуглеродистой стали

Сычков А.Б.

Выводы

С целью снижения загрязненности высокоуглеродистой стали НВ проведено опытное опробование применения полностью магнезиальных СК, обработки стали синтетическими шлаками при сливе металла из ДСП в СК, а также лигатурой с содержанием кальция и редкоземельных металлов. Кроме того, проанализированы методы оценки НВ и выбора критериев их нормирования.

Использование полностью магнезиальных СК

дало положительный эффект - количество НВ с AI2O3 более 50% минимально и отвечает требованиям фирмы Pirelli для катанки под металлокорд.

Обработка синтетическими шлаками обеспечивает модифицирование НВ, однако необходимо применять «белые» шлаки без алюминия.

Лигатура на базе кальция и редкоземельных металлов не дала положительных результатов.

Наиболее оптимальным для оценивания НВ является сочетание Цн и методики фирмы Pirelli.

Библиографический список

1. Сравнительный анализ нормируемых показателей качества катанки, проволоки и проволочных изделий из углеродистой стали / А.Б. Сычков, О.В. Парусов, А.М. Нестеренко, М.А. Жигарев // Металлургическая и горнорудная промышленность. 2002. № 1. С. 52-55.

2. Разработка сквозной технологии производства катанки из качественной углеродистой стали в условиях ММЗ / В.В. Парусов, А.М. Нестеренко, А.Б. Сычков, Р.В. Старов, И.В. Деревянченко // Металлургическая и горнорудная промышленность. 2002. № 2. С. 52-54.

3. О целесообразности ограничения содержания примесей цветных металлов в углеродистой катанке / Н.А. Богданов, А.В. Кутаков, А.Б. Сычков, М .А. Жигарев, В.В. Парусов, А.М. Нестеренко // Сталь. 2000. № 1. С. 67-69.

4. Парусов В.В., Вилипп А.И., Сычков А.Б. Влияние примесных элементов на качество углеродистой стали // Сталь. 2002. № 12. С. 53-55.

5. Глубина обезуглероженного слоя на углеродистой катанке различных заводов-изготовителей / В.В. Парусов, В.А. Лу-ценко, А.Б. Сычков, В.А. Тищенко, А.И. Сивак// Металлургическаяигорнорудная промышленность. 2003. № 5. С. 61-64.

6. Изменения химического состава неметаллических включений на всех этапах производства стали / Р.В. Старов, И.В. Деревянченко, В.В. Парусов, А.Б. Сычков, С.Ю. Жукова, Д.Н. Тогобицкая // Сталь. 2005. № 1. С. 79-82.

7. Технологичность высокоуглеродистой катанки на метизном переделе / Э.В. Парусов, В.В. Парусов, В.А. Луценко, А.Б. Сычков, В.В. Артемов, Л.И. Демьянова // Стальные канаты: Сб. науч. тр. Одесса: Астропринт, 2005. С. 110-115.

8. Скок Ю.Я. Повы шение качества стали путем модифицирования // Сталь. 1992. № 8. С. 13-17.

9. Губенко С.И., Парусов В.В., Деревянченко И.В. Неметаллические включения в стали. Днепропетровск: АРТ-ПРЕСС, 2005. 536 с.

10. Сычков А.Б. Разработка комплексной технологии производства эффективных видов катанки из непрерывно-литой заготовки малого сечения с повышенным содержанием примесей цветных металлов и азота: Дис. ... д-ра техн. наук: 05.16.01 и 05.16.02. Минск, 2005. 380 с.

11. Обеспечение показателей качества катанки для металлокорда / В.В. Парусов, И.В. Деревянченко, А.Б. Сычков, А.М. Нестеренко, Э.В. Парусов, М.А. Жигарев // Металлург. 2005. № 11. С. 45-51.

12. МалиночкаЯ.Н., КовальчукГ.З. Сульфиды всталях ичугунах. М.: Металлургия, 1988. 248 с.

13. Малиночка Я.Н., Титова Т.М., Курасова А.Н. Состав и структура глобулярных сульфидов в сталях с РЗМ // Сталь. 1986. № 4. С. 78-83.

14. Лякишев Н.П., ПлинерЮ.Л., Лаппо С.И. Борсодержащиестали и сплавы. М.: Металлургия, 1986. 192 с.

15. Белалов Х.Н. Формирование свойств канатной проволоки // Стальные канаты: Сб. науч. тр. Одесса: Астропринт, 2001. С. 105-116.

УДК 669.018.9

Чуманов В.И., Пятыгин Д.А., Чуманов И.В.

УПРОЧНЕНИЕ СТАЛИ ТУГОПЛАВКОЙ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗОЙ*

Современные металлические материалы работают в сложных условиях, характеризуемых широким интервалом температурных, в условиях высокого абразивного износа, скоростных и механи-

* Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных иссждований№ 07-08-00207-а.

ческих воздействий. Анализ причин абразивного износа деталей, работающих в условиях сухого трения, показал, что в зоне контакта создаются высокие температуры, приводящие к отпуску закаленной стали и резкому снижению твердости и износостойкости. Одним из путей увеличения ме-

ханинеских свойств металлических материалов, повышения их срока службы и снижения металлоемкости продукции является увеличение конструктивной прочности стали и сплавов других ме-таллов путем введения в металлическую матрицу дисперсных тугоплавких упрочняющих фаз и рав-номерного их распределения в металлической матрице [1—3]. В качестве стальной матрицы воз -можно использовать инструментальные, средне- и высокоуглеродистые стали, включая и быстрорежущие , а в качестве упрочняющих - твердые тугоплавкие частицы, например карбвд титана (ТС). ТС имеет высокие твердость, термодинамическую стабильность в металлических расплавах, температуру плавления, коррозионную стойкость и низкую плотность. Введение тугоплавких частиц в расплав в процессе кристаллизации позволит также измельчать зерно, так как они будут играть роль дополнительных центров кристаллизации. Возможность получения требуемых различных свойств сплавов путем изменения соотношения карбвдов и металлической связки, а также проведения их термической обработки позволяет применять композиции карбвд титана-сталь в качестве материала для режущего инструмента и штампов для изготовления конструкционных деталей, работающих в условиях сухого трения и подвергающихся интенсивному абразивному износу.

Физико-механические методы обработки металлических расплавов дисперсными упрочняю -щими фазами, в частности карбвдом титана (механическое замешивание, обработка ультразвуком , осаждение в электрическом поле и др.), не дают стабильных результатов по причине их низкой плотности по сравнению с матричным расплавом. При обычной разливке стали, например, когда жидкая ванна находится над фронтом кри-сталлизации, такое дисперсное упрочнение оказывается невозможным вследствие всплывания частиц в том же направлении, что и движение фронта кристаллизации Данное обстоятельство приводит к неравномерному распределению тугоплавких частиц и, как следствие этого, отсутствие изотропии физико-механических свойств по объему заготовки.

Эффективно ввести твёрдые тугоплавкие упрочняющие частицы в жидкий металлический рас -плав и обеспечить их равномерное распределение по фронту кристаллизации можно, реализуя способ разливки с одновременной подачей тугоплавких частиц и вытягиванием формируемой заготовки (слитка) вверх, т.е. в направлении, обратном гравитационным силам (Способ получения композиционного материала с повышенной износостойкостью: пат. 2080206 РФ, рис. 1). В этом случае фор-

мирующийся слиток можно считать гетерогенной системой, для которой в общем случае характерно наличие двух фаз - жидкой и твёрдой, разделённых переходной двухфазной областью [4]. В пределах двухфазной зоны формируется дендритная структура . Особенностью кристаллизации внутренних объёмов заготовок является то, что на последней стадии металл в двухфазном состоянии находится в узких вытянутых объёмах. Вводимые в центровую тугоплавкие частицы увлекаются потоком жвдкого металла и через литниковую систему доставляются в кристаллизатор. Всплывая в жвдком металле по закону Стокса, частицы попадают в двухфазную зону (фронт кристаллизации), где и захватываются растущими осями дендригов. При вытягивании формируемой заготовки вверх с определенной скоростью фронт кристаллизации находится на одной высоте, а к нему осуществляется постоянное поступление нового количества жидкого металла и тугоплавких частиц Кроме того, частицы , введённые в расплав в оптимальных количе-ствах, являются, как было отмечено ранее, активными центрами кристаллизации, ускоряющими процесс затвердевания металла.

Для равномерного распределения частиц по всему сечению литой заготовки и отсутствия дефектов ликвационно-усадочного характера, необ-ходимо обеспечить равенство скоростей кристаллизации и вытягивания. В зависимости от скоро -сти вытяжки формируемой заготовки, температуры разливки и объёмной доли упрочняющих час -тиц формируется та или иная структура композиционного материала с требуемыми физико-меха-

материала с повышенной износостойкостью с вводом упрочняющей фазы

Упрочнение стали тугоплавкой дисперсной фазой

Чуманов В. И., ПятыгинД.А, Чуманов И.В.

нинескими свойствами Изотропия механических свойств в лигой заготовке обеспечивается оптимальным профилем (вогнутостью) фронта кристаллизации, форма которого зависит от скорости вытягивания заготовки, а равномерность распределения тугоплавких частиц - от скорости их подачи в центровую. Анализ системы Бе-Т-С позволил сделать вывод, что для предотвращения выкрашивания частиц из матричного состава необходимо обеспечить угол их смачиваемости ме-нее 90°, что достигается введением металлического титана в расплав перед разливкой.

Скорость подачи тугоплавких частиц в центровую возможно определить из соотношения

(

Су (_

Н ехр

Л

Vус у

СО

УС

Г ( 1 - ехр

Н

V ус ;;

где * - вертикальная координата рассматриваемого объёма; г и т0 - текущее время и время полного всплывания частицы, с; Н - координата поверхности расплава, м; Суо- средняя величина объёмной доли при г = 0; Су*, г) - плотности распределения объёмной доли частиц; Ус - сто-ксовская скорость установившегося движения частиц, м/с,

у = 2 . (Рме ~ Рис ) . р . г 2

с 9 & -

п

Ме

р=9,8 м/с2.

Используя полученное соотношение, был сделан расчет для случая всплывания дисперсных частиц карбвда титана (ТС) в жвдком металлическом расплаве (сталь У7). Примем рс=7200 кг/м3, Р1=4500 кг/м3, ?7=5-10"5Па-с, г=5 мкм, Я=0,05 м; найдем УС=2,9-10"5 м/с. Время т0 можно оценить из соотношения г0=Н/УС; в нашем случае г0=1724 с. Для момента времени х=60 с соотношение запишется в ввде

Су (2,х) * - Н —= 1,6ехр-

С

0,048

График зависимости Су(*,т)/С° представлен на рис. 2.

Для практического осуществления данного способа была разработана схема с использованием подъёмного механизма установки 0КБ-906, так как данная установка позволяет обеспечить требуемую (по расчету) скорость вытяжки Сталь марки У7, выплавленная в ивдукционной печи (после промывочных плавок), разливалась на модернизированной установке с введением твердофазных частиц Температура стали перед разливкой 1650°С. В качестве дисперсной тугоплав-

Таблица 1

Химический состав и технологические параметры опытных плавок

рМе - плотность металла, кг/м ; рТСС - плотность карбвда титана, кг/м3; г)Ме- динамическая вязкость металла, Па-с; г - радиус частиц карбвда титана, м; р - ускорение свободного падения,

СУ

1,10 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60

0 0,01 0,02 0,03 0,04 г, м

Рис. 2. Зависимость т)/Суот 1 при т = 60 с

Сталь марки У7 по ГОСТ 1435-74, %

О Мп Б1 Р Б N1 Ог Ои

0,65- 0,17- 0,17- н.б.

0,74 0,33 0,33 0,03 0,028 0,25 0,20 0,25

Плавка № 801885 цельнолитая без упрочнения, %

Перед выпуском в ковш

О Мп Б1 Р Б N1 Ог Ои Т1

0,60 0,18 0,20 0,013 0,009 0,34 0,38 0,24 0,01

Перед разливкой и вытяжкой

О Мп Б1 Р Б N1 Ог Ои Т1

0,54 0,30 0,31 0,014 0,004 0,34 0,36 0,24 0,049

Начальная скорость вытяжки - 0,05 м/мин. Рабочая ско-

рость вытяжки - 0,03 м/мин. В ковш присаживали металли-

ческиититан - 0,9 кг.

Плавка № 801834 цельнолитая с упрочнением ТС, %

Перед выпуском в ковш

О Мп Б1 Р Б N1 Ог Ои Т1

0,55 0,20 0,25 0,013 0,009 0,34 0,45 0,19 0,01

Перед разливкой и вытяжкой

О Мп Б1 Р Б N1 Ог Ои Т1

0,60 0,25 0,29 0,014 0,008 0,34 0,44 0,19 0,061

Начальная скорость вытяжки - 0,05 м/мин. Рабочая скорость вытяжки - 0,03 м/мин. В ковш присаживали металли-ческийтитан - 0,9 кг. В центровую присаживали ПО - 0,9 кг.

кой фазы использовали карбид титана (НС), а для улучшения смачиваемости карбвдов в ковш перед разливкой давали металлический тиган Химический анализ проводился в ковше и после введения карбвда титана. Химический состав и технологические параметры опытных плавок представлены в табл. 1.

Были получены слитки с удовлетворительным качеством поверхности. Проведенный мик-роанализ показал, что было обеспечено равномерное распределение тугоплавких частиц по сечению заготовки (рис. 3).

Исследование микроструктуры показало, что при реализации предложенного способа разливки, с вытягиванием формирующейся в кристаллизаторе заготовки вверх, наблюдается достаточно равномерное распределение введённых в металл дисперсных частиц по всему объёму заготовки, хотя в краевой зоне слитка наблюдается несколько меньшая концентрация карбидов титана. Это обусловлено процессом затвердевания слитка: так как фронт кристаллизации имеет выгнутую форму, то конвективные потоки в жвд-кой стали частично вымывают дисперсную туго -плавкую фазу с периферийной зоны литой заготовки. Данную неоднородность возможно устра-нить последующей деформацией.

Полученный металл был деформирован на квадрат 40 мм. Опытный металл хорошо подда-вался пластической деформации Все образцы опытной плавки стали марки У7, упрочненной ТС, перед испытаниями были подвергнуты следующей термической обработке. Закалка: температура 800-820°С, охлаждающая среда - вода; от -пуск: температура 300-320°С, выдержка при тем -пературе отпуска - 2 чи последующее охлаждение

ТN ЩСЩ

ТС

на воздухе. После чего проводились исследования механических свойств представленных в табл. 2.

Результаты механических испытаний сввде-тельствуют о необходимости более тщательно подбирать концентрацию модифицирующей фазы для выхода на требуемые механические свойства и обоснованный подход к выбору стали для модифицирования.

Из деформированного металла были вырезаны образцы и проведено предварительное исследование изменения износостойкости в зависимости от изменения технологии и термической обработки. Измерение износостойкости проводились на базе лаборатории кафедры "Общая металлургия" филиала ГОУ ВПО ЮУрГУ в г. Златоусте. Была создана установка и разработана методика измерения износостойкости. Взяв за основу принцип опреде-ления удельной работы износа, была разработана принципиально новая схема автоматизации процесса измерения износостойкости. Под образцом, нагруженным дополнительной массой, протягивается абразивная лента. В течение всего времени испытания образец соприкасается с непрерывно обновляемым участком абразивной ленты. Обра -зец удерживается тягой, соединённой с силоизме-ригелем, который фиксирует силу трения. Сило-измеритель электромеханического типа подаёт сигнал об изменении силы трения на усилитель сигнала, далее сигнал поступает на блок обработки данных, где производится запоминание, срав-нение и вывод результатов на блок индикации. По изменению массы образца и величине работы, показанной на ивдикаторе, определяется удельная работа износа.

Износостойкость опытного металла исследовалась как на отожженных образцах и сравнивалась с износостойкостью стали У7, полученной по классической технологии, так и в термообрабо-танном состоянии (закалка: температура 800-820°С, охлаждающая среда - вода; отпуск: температура 300-320°С, выдержка - 2 чи последующее охлаждение на воздухе, НЯС=55) и сравнивались со сталями ЭИ107, 110Х18М-ШД в закалённом

Таблица 2

Механические свойства опытного металла

Номер пробы СТ 0,2, МПа СТ в, МПа 5, % Ф, % кои, кгс/см2 Твердость, НРО

Плавка № 801885 цельнолитая без упрочнения, %

1 467,46 812,42 24,0 59,7 4,6 12

2 421,4 812,32 24,0 51,4 3,4 11

Плавка № 801834 цельнолитая с упрочнением ПО, %

1 361,62 743,82 24,0 48,1 4,4 10

2 355,74 741,86 24,0 49,0 4,1 8

Упрочнение стали тугоплавкой дисперсной фазой

Чуманов В. И, ПятыгинД.А, Чуманов И.В.

кДж/гр

6,2 6,0 5,8 5,6 5,4 5,2 5,0

5,535

состоянии (НЯС=55).

Результаты измерения износостойкости полученного материала в сравнении с другими сталями представлены на рис. 4.

Результаты измерения износостойкости в отожженном состоянии сввдетельствуют о том, что введение твердофазных частиц приводит к увеличению износостойкости на 14% по сравнению с неупрочненной сталью. Добавки титана в ковш для увеличения смачиваемости не приводят к повышению износостойкости, так как, очевидно, данной концентрации титана недостаточно для образования достаточного количества карбвдов. Исследование влияния термообработки и увеличения твердости на износостойкость показало, что удельная работа износа материала в термообработанном состоянии увеличивается незначительно, несмотря на достаточно большое увеличение твёрдости (в отожженном состоянии НЯС=10, в закаленном НЯС=55). Сравнение композиционного материала с другими дорогостоящими высокоизносостойкими сталями (ЭИ 107, 110Х18М-ШД) показало, что полученный композиционный материал по износостойкости им не уступает.

Заключение

Экспериментально, в условиях промышленного производства, осуществлена опытная разливка с введением упрочняющей экзогенной

кДж/гр

5,462

6,160

5,531

5,618

7,012

7,891

7,004

Рис. 4. Удельная работа износа

карбвдной фазы и получены цельнолитые заготовки.

При реализации способа упрочнения стали и сплавов дисперсным и тугоплавкими фазами распределение дисперсных тугоплавких фаз по сечению слитка остается стабильным во всех исследованных случаях: отмечено некоторое увеличение концентрации дисперсной фазы от края слитка к центру.

Показано, что ввод в жвдкий металл дисперсных твердых тугоплавких фаз при вытягива-нии слитков вверх позволяет зафиксировать их в металлической матрице и обеспечить увеличение прочностных характеристик металла, существенное увеличение износостойкости металлических материалов и мало влияет на изменение их пластических характеристик по сравнению с базовым материалом.

Библиографический список

1. Гольдшгейн М.И., ФарберВ.М. Дисперсное упрочнен иестали. М.: Металлургия, 1979. 208 с.

2. Туманов А.Т. Волокнистыеи дисперсно-упрочненныекомпозиционныематериалы. М.: Наука, 1976. 156 с.

3. Соловьев В.П., Молчанов М .Д., Новоженова В.А. Введение дисперсных частиц в литейные сплавы // Изв. вузов. Черная металлургия. 1981. № 5. С. 136-139.

4. Лисиенко В.Г., Лобанов В.И., Китаев Б.И. Теплофизика металлургических процессов. М.: Металлургия, 1982. 240 с.

УДК 621.74.94:669.131.7.061.062 Чайкин В.А., Болдырев Д.А., Чайкина Н.В.

ОСОБЕННОСТИ ГРАФ ИТ ИЗ ИРУ ЮЩЕ ГО МОДИФИЦИРОВАНИЯ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА СМЕСЕВЫМИ МОДИФИКАТОРАМИ В УСЛОВИЯХ ОАО «АВТОВАЗ»

В ОАО «АВТОВАЗ» производится отливка 2101-3105015 «Ступица переднего колеса» из высокопрочного чугуна с шароввдным графитом марки ВЧ50. Отливку получают обработкой в

ковше емкостью 1200 кг сфероидизирующим модификатором NiMg15Ce0,5 в количестве 4,8 кг (0,4% от металлоемкости ковша). В структуре от -ливки допускается до 5% цементита. В силу своей