Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,580

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ В СТАЛИ 45ХЛ, РАСКИСЛЕННОЙ ФЕРРОСИЛИКОБАРИЕМ

Квон С.С. 1 Филиппова Т.С. 1 Куликов В.Ю. 1
1 РГП на ПХВ «Карагандинский государственный технический университет»
В работе исследовались неметаллические включения в стали 45ХЛ, раскисленной ферросиликобарием, полученным по технологии, разработанной в ХМИ им. Абишева (Казахстан). Природу неметаллических включений изучали по стандартным методикам, при этом рассматривалось распределение неметаллических включений по объему зерна (оси и междендритное пространство), природа и величина. Рассчитывался индекс загрязненности. Сравнение проводилось со сталью 45ХЛ, раскисленной обычным способом. Помимо неметаллических включений также исследовались механические свойства: предел прочности на разрыв, предел текучести, ударная вязкость и твердость. В результате проведенных исследований было установлено, что раскисление ферросиликобарием благотворно влияет на индекс загрязненности, распределение неметаллических включений, уменьшает дисперсность и регулирует форму. Более диспергированная форма и равномерное распределение неметаллических включений приводит к улучшению механических свойств.
неметаллические включения
ферросиликобарий
индекс загрязненности
оси дендритов
предел прочности
ударная вязкость
распределение
дисперсность
1. Голубцов В.А. Теория и практика введения добавок в сталь. – Челябинск, 2006. – 422 с.
2. Гольдштейн Я.Е., Мизин В.Г. Модифицирование и микролегирование чугуна и стали. – М.: Металлургия, 1986. – 272 с.
3. Мизин В.Г., Агеев Ю.А. Условия формирования, состав и свойства неметаллических включений в кальцийсодержащих сталях // Изв. АН СССР. Металлы. – 1981. – № 5. – С. 15.
4. Заславский А.Я., Гусева З.Ф. Барий в кальциевой стали // Изв. АН СССР. Металлы. – 1985. – № 5. – С. 74.
5. Привалов О.Е., Дубровин А.С., Байсанов С.О., Такенов Т.Д. Промышленные испытания технологии выплавки ферросиликобария и ферросилиция с барием // Известия Евразийского университета. – 2000. – С. 82–86.
6. Такенов Т.Д., Толымбеков М.Ж., Привалов О., Байсанов С. Специфика углеродотермии сплавов системы Fe – Si – Ba и фазовые соотношения в техногенных продуктах их выплавки // Журнал Промышленность Казахстана. – 2000. – № 12. – С. 110.
7. ГОСТ 1778-70. Сталь. Металлографические методы определения неметаллических включений
8. Дерябин А.А., Могильный В.В., Годик Л.А. Эффективность и механизм модифицирования рельсовой стали барием // Журнал OАО «Черметинформация». Бюллетень «Черная металлургия». – 2007. – № 6. – С. 59.

Большее или меньшее количество включений существует в любой стали в соответствии с её составом и условиями производства. Обычно количество неметаллических включений в стали не превышает 0,1 %. Однако в связи с их малыми размерами число включений, в целом, очень велико.

Неметаллические включения в стали являются инородными телами, нарушающими однородность её структуры, поэтому их влияние на механические и другие свойства может быть значительным. При деформации в процессе прокатки, ковки, при локальных местных нагрузках неметаллические включения, особенно неправильной формы с острыми краями и углами, играют роль концентраторов напряжения и могут вызвать образование трещин, являющиеся в последующем очагом разрушения стали. Крайне негативное влияние оказывают неметаллические включения на ударную вязкость стали.

Решающее значение при изучении влияния неметаллических включений на качество стали имеют их свойства: размер, форма, природа, а также характер их расположения.

Анализ причин выхода из строя деталей из конструкционных марок сталей показывает, что одним из определяющих факторов, влияющих на надежность и долговечность литых деталей, является концентрация вредных примесей как растворенных в стали, так и находящихся в виде неметаллических включений. Поэтому актуальной задачей в настоящее время является совершенствование существующих и создание новых марок сталей путем ввода в их состав элементов, обеспечивающих очищение от вредных примесей, позволяющих управлять структурой и природой неметаллических включений с целью улучшения физико – механических и служебных свойств литых изделий.

Одним из эффективных путей повышения качества стали и чугуна является обработка их активными металлами. В связи с этим в последние годы за рубежом и в Казахстане широкое развитие получили модифицирование и легирование стали кальций- и барий-содержащими сплавами [1, 2]. Если сплавы с кальцием применяют широко и продолжительное время [3, 4], то влияние сплавов с барием на свойства и микроструктуру сталей изучено недостаточно.

Казахстан обладает достаточными запасами баритовых руд, которые по свойствам, химическому составу и запасам могут служить надежной рудной базой для промышленного производства баритовых сплавов.

Сравнение физико-химических свойств бария и кальция позволяют предположить, что воздействие бария на жидкий металл должно быть более эффективным, и, следовательно, более сильным должно быть его влияние на формирование микроструктуры и свойств сплава после кристаллизации.

Основная цель исследования – изучение влияния введения ферросиликобария на металлургическое качество стали, в частности на количество и распределение неметаллических включений.

Ферросиликобарий – это ферросплав, содержащий 57–60 % Si, 15–22 % Ba, остальное – Fe. В данной работе для металлографического исследования использовались образцы, изготовленные из стали 45ХЛ при модифицировании ферросиликобарием марки ФС65Ба15. Сплав был получен по технологии, разработанной в Химико-металлургическом институте им. Абишева (Караганда, Казахстан) [5, 6].

Сталь 45ХЛ используется для изготовления литых деталей, работающих в условиях ударных нагрузок и абразивного износа, в частности для изготовления звездочек ленточных конвейеров для транспортировки угля и горных пород. В соответствии с условиями эксплуатации сталь должна обладать хорошим комплексом прочности, твердости, износостойкости и ударной вязкости. Последний показатель особенно сильно зависит от количества и характера распределения неметаллических включений в стали.

Плавку опытных образцов проводили в печи Таммана, ферросиликобарий вводили за несколько минут до окончания плавки. Дополнительное раскисление стали осуществляли алюминием. После охлаждения из полученных образцов изготавливались стандартные металлографические шлифы. В качестве эталона использовался образец стали 45ХЛ, раскисленной марганцем, кремнием и алюминием.

Неметаллические включения, их форму и характер распределения изучались согласно общепринятым методикам, индекс загрязненности определяли по формуле [7]:

kv01.wmf (1)

где b – цена деления окулярной шкалы при данном увеличении в мкм;

ai – среднее значение размеров включений в делениях окулярной шкалы;

mi – количество включений данной группы;

l – длина подсчета в мкм.

Природу неметаллических включений определяли методом рентгенофазового анализа. Результаты проведенных исследований показаны в табл. 1.

Как видно из данных табл. 1 и рис. 1, минимальный индекс загрязненности неметаллическими включениям и максимальное значение ударной вязкости присутствуют для образцов, модифицированных 0,1–0,2 % ферросиликобарием.

В сталях, раскисленных обычными способами, основная часть включений (более 60 %) располагается па границах зерен [2]. Это приводит к тому, что границы зерен сами по себе являющиеся дефектной составляющей, т.к. на этих участках скапливается повышенное число дислокаций, становятся концентраторами напряжений в силу повышенного содержания неметаллических включений. Модифицирование ферросиликобарием приводит к росту доли включений в осях дендритов и очищению границ литого зерна. При оптимальных присадках лигатуры с барием на границах литых зерен остается около 35 % включений.

Исследования природы неметаллических включений показали, что в стали при всех вариантах модифицирования присутствуют сульфиды, комплексные фазы типа оксисульфидов, силикаты и корунд. С добавлением ферросиликобария включения приобретают округлую форму и более равномерное распределение по матрице сплава (рис. 2).

Таблица 1

Влияние модифицирования на распределение неметаллических включений

№ п/п

Присадка ФС65Ба15, %

Индекс загрязненности Iобщ*10-3

граница

оси дендритов

общий

1

0 (эталон)

1,87/62

1,15/38

3,02/100

2

0,05

1,15/67

0,67 /37

1,71/100

3

0,10

0,55/38,4

0,88 /61,6

1,43/100

4

0,20

0,46 /33,6

0,91/66,4

1,37/100

5

0,30

0,95/34,2

1,82/65,8

2,77/100

6

0,40

0,95/35,3

1,74/64,7

2,69/100

Примечание. Числитель – абсолютные значения, знаменатель относительный процент.

kvon1.wmf

Рис. 1. Влияние модифицирования ферросиликобарием на распределение неметаллических включений

kvon2a.tif kvon2b.tif

а) б)

Рис. 2. Распределение и форма неметаллических включений в исходной (а) и опытной стали (б) 45ХЛ х400

 

Логично предположить, что изменение характера распределения неметаллических включений приведет к некоторому изменению механических свойств. С этой целью были измерены предел прочности и ударная вязкость стали. В качестве образцов использовались сплавы согласно табл. 1. Образцы были подвергнуты упрочняющей термообработке, состоящей из закалки (840 °, масло) и высокого отпуска (550 °С, воздух). Испытания на предел прочности, ударную вязкость и твердость проводили согласно соответствующим ГОСТам. Полученные данные приведены в табл. 2.

Таблица 2

Механические свойства стали, раскисленной ферросиликобарием, после улучшения

№ п/п

Механические свойства

δв, МПа

δт, МПа

НВ

KCU, МДж/м2

1

850

750

320

0,6

2

830

720

310

0,71

3

840

730

310

0,9

4

880

750

330

1,05

5

800

730

320

0,63

6

810

730

310

0,65

 

kvon3.wmf

Рис. 3. Влияние модифицирования ферросиликобарием стали на ударную вязкость

Заключение

Как видно из данных (табл. 2, рис. 3) прочностные свойства стали – эталона и стали, модифицированной ферросиликобарием, различаются незначительно. Влияние модифицирования проявляется на изменении ударной вязкости: во всех образцах ударная вязкость выше, чем в эталоне, при этом для образцов с минимальным индексом загрязненности (образцы 3 и 4) ударная вязкость возрастает на 30 % и 42 % соответственно. Это достаточно легко объясняется, если учитывать, что влияние неметаллических включений особенно велико на ударную вязкость [3].

Механизм влияния ферросиликобария при модифицирования им стали на распределение неметаллических включений и, следовательно, на свойства представляется следующим образом [8]. При введении в сталь ферросиликобария частицы сплава после расплавления вступают в активное взаимодействие с основным металлом. Надо учесть, что железо и кремний растворяются в стали, оставшиеся частицы нерастворимого бария имеют высокую химическую активность и вступают во взаимодействие с кислородом и другими элементами. При этом значительно снижается межфазное натяжение, что может привести к самодиспергированию частиц Ва до весьма малых размеров, вплоть до наночастиц.

В результате указанных процессов в стали на весьма короткое время, равное времени пребывания в ней Ва, образуется высокодисперсная самоорганизующаяся система из частиц Ва, поведение которой и определяет характер протекания процессов модифицирования. Именно возникновение огромного множества микро- и наночастиц Ва в металлическом расплаве при локальном характере введения модификаторов позволяет объяснить и понять возможность осуществления изменения микростроения и свойств всего объема жидкой стали, которые в дальнейшем скажутся на изменении свойств готовых изделий.

Атомы или наночастицы бария в металле и при выходе на границу металл-шлак соединяются с адсорбированными поверхностно-активными металлоидами (О, S и Р) и в виде соединений ВаО, BaS, Ва3, Р2 переходят в шлак. В силу малых размеров они легко поглощаются шлаком, способствуя снижению содержания кислорода, серы и фосфора в стали [8].

Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что использование ферросиликобария в качестве раскислителя и модификатора уменьшает индекс загрязненности неметаллическими включениями и повышает ударную вязкость.

Его введение приводит к повышению пластических свойств металлической матрицы и более благоприятному виду неметаллических включений, что должно способствовать повышению эксплуатационной стойкости стали в целом.


Библиографическая ссылка

Квон С.С., Филиппова Т.С., Куликов В.Ю. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ В СТАЛИ 45ХЛ, РАСКИСЛЕННОЙ ФЕРРОСИЛИКОБАРИЕМ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 8-4. – С. 659-663;
URL: http://www.applied-research.ru/ru/article/view?id=7215 (дата обращения: 07.03.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074