Реферат: Улучшения структуры и повышения механических свойств стальных отливок является внепечное модифицирование расплава в ковше или форме комплексными модификаторами

Аникеев В.В.


ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ МОДИФИКАТОРОВ ПРИ ВНЕПЕЧНОМ МОДИФИЦИРОВАНИИ УГЛЕРОДИСТЫХ, НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ, МАРГАНЦОВИСТЫХ И КОРРОЗИОННОСТОЙКИХ СТАЛЕЙ В УСЛОВИЯХ ОАО «САМАРСКИЙ СТАЛЕЛИТЕЙНЫЙ ЗАВОД»


(ГОУВПО «Самарский государственный технический университет, ОАО «Самарский сталелитейный завод», Самарское региональное отделение Российской ассоциации литейщиков, г. Самара)


Одним из способов улучшения структуры и повышения механических свойств стальных отливок является внепечное модифицирование расплава в ковше или форме комплексными модификаторами.

В ОАО «Самарский сталелитейный завод» провели промышленные испытания модификаторов НПП «Технология» при внепечном модифицировании углеродистых, низколегированных, марганцовистых и коррозионностойких сталей.

Марки и химический состав модификаторов приведены в таблице 1.


Таблица 1

Марка модификатора

Si

Ca

РЗМ

Al

Mg

Ti

Ba

Fe

FeSiCa12-77Ti3Mg

42,0

11,5

7,0

7,2

2,2

3,0

-

27,1

FeSiCa12-77Ba3Mg

42,1

12,7

8,6

7,0

2,3

-

3,8

23,5


Фракция модификатора с титаном – 1…20 мм, с барием – 1…10 мм.

Основное назначение и химический состав исследованных сталей по ГОСТ 977-88 «Отливки стальные. Общие технические условия» приведены в таблице 2.


Таблица 2

Марка стали

Основное назначение

Массовая доля элемента, %

C

Si

Mn

Cr

Ni

Ti

S

P

Cu

Mo

35Л

Конструкцион-ная нелегированная

0,29-0,42

0,12-0,62

0,35-1,08

≤0,80

≤0,80

-

≤0,020

≤0,039

≤0,30

-

40ХНЛ

Конструкцион-ная легированная

0,35-0,45

0,20-0,50

0,40-0,90

0,50-0,80

1,0-1,50

-

≤0,040

≤0,040

-

-

35ХН2МЛ

Конструкцион-ная легированная

0,20-0,40

0,25-0,45

0,60-0,90

0,50-0,80

1,30-1,70

-

≤0,025

≤0,025

-

0,20-0,30

110Г13Л

Износостойкая

0,90-1,50

0,30-1,0

11,50-15,0

≤1,0

≤1,0

-

≤0,050

≤0,12

-

-

12Х18Н9ТЛ

Коррозионно-стойкая

≤0,12

0,2-1,0

1,0-2,0

17,0-20,0

8,0-11,0

5·С-0,70

≤0,030

≤0,035

-

-

12Х18Н12М3ТЛ

Коррозионно-стойкая

≤0,12

0,2-1,0

1,0-2,0

16,0-19,0

11,0-13,0

5·С-0,70

≤0,030

≤0,035

-

3,0-4,0


Испытания модификаторов проводили на промышленных плавках с дуговой сталеплавильной печи ДСП-1,5 по 7 – 10 плавок каждой марки стали. Технологию плавки стали не меняли. Модифицирование проводили в ковше и форме.

Д
ля исследования технологии модифицирования и влияния модификаторов на качество стальных отливок была специально изготовлена деревянная модель отливки–представителя (рисунки 1, 2).


Размеры моделей в плане: массивной части 160×160 мм, второй части - 140×60 мм, высота – 120 мм; размер прибыли в плане 200×100 мм, высота – 300 мм. Масса отливки составляла 32 кг (24 кг + 8 кг), масса прибыли – 47 кг; общая масса отливки вместе с прибылью – 79 кг.

По принятой на заводе технологии готовили форму ручной формовкой для заливки 3-х отливок-представителей. Заливку подготовленной формы проводили в следующей последовательности: 1-я отливка – серийная заливка, 2-я – с модифицированием в форме, 3-я – с модифицированием в ковше. Количество вводимого модификатора при модифицировании в форме брали из расчета 1,5 кг/т (1,5г/кг), при модифицировании в ковше – 2,0 кг/т (2,0 г/кг).

При модифицировании в форме модификатор подавали на струю металла с помощью металлического желоба длиной 1,5 м путем его наклона к прибыли и периодического встряхивания. Модификатор перед подачей равномерно распределяли по желобу на длину 150…200 мм от его рабочего конца. Подачу модификатора прекращали за 4…8 секунд до окончания заливки.

При модифицировании в ковше модификатор (его количество определяли на каждой плавке, исходя из количества оставшегося металла в ковше) вводили в металл в упакованном виде (лист жести) на металлическом прутке путем помешивания.

Варианты модифицирования представлены в таблице 3.


Таблица 3

Марка стали

Модифицирование в ковше

Модифицирование в форме

35 Л

FeSiCa12-77Ti3Mg

FeSiCa12-77Ti3Mg

40ХНЛ

FeSiCa12-77Ti3Mg

FeSiCa12-77Ti3Mg

32ХН2МЛ

FeSiCa12-77Ba3Mg

-

110Г13Л

FeSiCa12-77Ba3Mg

FeSiCa12-77Ti3Mg

12Х18Н9ТЛ

FeSiCa12-77Ba3Mg

-

12Х18Н12М3ТЛ

FeSiCa12-77Ba3Mg

FeSiCa12-77Ba3Mg


Анализ химического состава стали из отливок показывает, что при модифицировании он не меняется, в том числе по вредным примесям, сере и фосфору.

Отличия в микроструктуре модифицированного и немодифицированного металла не отмечены (рисунки 3, 4), однако, на отдельных образцах модифицированного металла наблюдается измельчение зерен феррита и меньшее количество ферритной фазы.









Результаты исследования механических свойств отливок (средние значения по 7…10 плавкам каждой марки стали) приведены в таблице 4 и на рисунках. 5 – 10.


Таблица 4

Марка стали

Обработка

σв,

МПа

σт,

МПа

δ, %

ψ, %

KCU, кДж/м2

НВ

Балл по микро-структуре

Склон-ность к МКК

35Л

Нормы ГОСТ

491

275

15

25

343

-

-

-

Серийная за­ливка

512

338

26,8

52

531

179

-

-

Модифици­рование в ковше (с ти­таном)

689

497

19,6

55,6

857

187

-

-

Модифици­рование в форме (с ти­таном)

710

495

18,0

49,0

674

187

-

-

40ХНЛ

Нормы ГОСТ

672

481

12

25

343

-

-

-

Серийная за­ливка

962

670

14,4

38

605

255

-

-

Модифици­рование в ковше (с ти­таном)

975

681

13,6

45

616

255

-

-

Модифици­рование в форме (с ти­таном)

930

648

12,4

29

725

269

-

-

35ХН2МЛ

Нормы ГОСТ

780

690

10

20

39

229-285

-

-

Серийная за­ливка

920

756

10,8

21,7

45

253

-

-

Модифици­рование в ковше (с барием)

1010

843

12,4

23

51

275

-

-

110Г13Л

Нормы ГОСТ

-

-

-

-

кгс/мм27

156-230

1-8

-

Серийная за­ливка

-

-

-

-

12,1

220

1-4

-

Модифици­рование в ковше (с барием)

-

-

-

-

33,5

257

1-3

-

Модифици­рование в форме (с титаном)

-

-

-

-

16,6

209

1-3

-

12Х18Н9ТЛ

Нормы ГОСТ

441

196

25

-

590

-

-

-

Серийная за­ливка

541

346

56

-

1210

-

-

Не склон-ная

Модифици­рование в ковше (с барием)

562

370

58

-

1334

-

-

Не склон-ная

12Х18Н12М3ТЛ

Нормы ГОСТ

441

216

25

-

590

-

-

-

Модифици­рование в ковше (с барием)

542

338

40

-

1180

-

-

Не склон-ная

Модифици­рование в форме (с барием)

554

341

40,4

-

928

-

-

Не склон-ная









Р и с. 5















Анализ полученных данных показывает, что независимо от выбранного способа ввода модификатора и его марки, механические свойства отливок из углеродистых и низколегированных сталей в сравнении с нормами ГОСТ 977-88 возросли в среднем на 40…80% (при модифицировании FeSiCa12-77Ti3Mg) и на 20…25% (при модифицировании FeSiCa12-77Ba3Mg). На марганцовистой стали отмечено значительное увеличение ударной вязкости KCU при модифицировании в ковше FeSiCa12-77Ba3Mg – в 4 раза, при модифицировании в форме FeSiCa12-77Ti3Mg – в 2 раза. На коррозионностойких сталях модифицирование проводили FeSiCa12-77Ba3Mg, и показатели механических свойств отливок превышают нормы ГОСТ 977-88 в среднем на 30 – 70%. Механические свойства модифицированного металла независимо от марки стали в сравнении с теми же показателями металла серийной заливки несколько выравниваются, но остаются более высокими в среднем на 20…30% за исключением относительного удлинения δ на стали 35Л, относительного сужения ψ при модифицировании в форме стали 40ХНЛ (в обоих случаях использовали модификатор FeSiCa12-77Ti3Mg), и ударной вязкости KCU на стали 12Х18Н12М3ТЛ при модифицировании в форме FeSiCa12-77Ba3Mg, которые ниже в среднем на 25%. Отмечено незначительное понижение твердости НВ на стали 110Г13Л (обработка обоими модификаторами) в среднем на 10%.

Анализ микроструктуры марганцовистой стали показал, что балл по микроструктуре при модифицировании снижается на 1…2 единицы; коррозионностойкие стали не подвержены межкристаллитной коррозии.

Вторым этапом данной работы явилось исследование влияния модифицирования на качество серийно выпускаемых стальных отливок. Учитывая, что модифицирование стали в ковше является более технологичным и легко выполнимым процессом, чем модифицирование в форме, сталь для промышленных отливок модифицировали в ковше путем присадок модификатора FeSiCa12-77Ti3Mg на струю металла в 3…4 приема после наполнения ковша на 1/4 …1/3 его высоты. При этом расход модификатора увеличивали до 2,2…2,3 кг/т.

Следует отметить, что модифицирование в ковше является более предпочтительным, так как обработке подвергается весь объем расплава, при этом скорость расплавления и равномерность распределения модификатора в объеме жидкой стали повышаются.

Модифицированию подвергали сталь марок 35Л и 45Л, занимающих больший объем в номенклатуре изготавливаемых отливок. При этом исследовали механические свойства отливок на клиновидных образцах (для сравнения провели статистический анализ серийных плавок за 3 месяца того же периода и экономическую эффективность процесса модифицирования).

Результаты исследования механических свойств отливок (средние значения по 7 плавкам каждой марки стали) приведены в таблице 5 и на рисунках 11 – 15.


Таблица 5

Марка стали

Обработка

σв,

МПа

σт,

МПа

δ, %

KCU, кДж/м2

35Л

Нормы ГОСТ 977-88, не менее

491

275

15

343

Серийная заливка

643

395

19,8

410

Модифицирование в ковше

687

420

22,2

496

45Л

Нормы ГОСТ 977-88, не менее

540

314

12

294

Серийная заливка

677

340

16,7

340

Модифицирование в ковше

749

372

20,4

375










Анализ полученных данных показывает, что модифицирование стали в ковше приводит к повышению в сравнении с нормами ГОСТ 977-88 предела прочности при растяжении σв на 39…40%, предела текучести σт – на 53% (сталь 35Л) и на 18% (сталь 45Л), относительного удлинения δ – на 48% и 70% (стали 35Л и 45Л), ударной вязкости KCU – на 45% и 27% соответственно. В сравнении с серийными плавками механические свойства модифицированного FeSiCa12-77Ti3Mg металла выше в среднем на 6…11% (σв, σт) и на 10…22% (δ, KCU). Достаточно высокое превышение значений механических свойств модифицированной стали над нормами ГОСТ 977-88 и улучшение их показателей в сравнении с серийным металлом позволяют сделать вывод о повышении эксплуатационной стойкости отливок из модифицированной стали.

Анализ калькуляций себестоимости отливок из немодифицированной и модифицированной стали показывает, что использование модификаторов приводит к увеличению прямых затрат на 0,2…0,3%, что мало влияет на себестоимость отливок.

Общие выводы.

1. На ОАО «Самарский сталелитейный завод» проведены промышленные испытания модификаторов НПП «Технология» при внепечном модифицировании углеродистых, низколегированных, марганцовистых и коррозионностойких сталей.

2. Модифицирование проводили в ковше и форме с расходом модификаторов соответственно 2,0 кг/т и 1,5 кг/т.

3. Исследовали влияние модифицирования на химический состав стали, микроструктуру, склонность к межкристаллитной коррозии (коррозионностойкие стали) и механические свойства отливок.

4. Установлено, что модифицирование не влияет на химический состав стали, в том числе на содержание вредных примесей серы и фосфора.

5. Установлено, что при модифицировании наблюдается измельчение зерен феррита и уменьшение количества ферритной фазы. На марганцовистой стали балл по микроструктуре снижается на 1…2 единицы. Коррозионностойкие стали не подвержены межкристаллитной коррозии.

6. Установлено, что модифицирование приводит к значительному повышению механических свойств отливок (до 80%) в сравнении с нормами ГОСТ 977-88. Механические свойства отливок из модифицированного металла в сравнении с металлом серийной заливки несколько выравниваются, но остаются более высокими на 20…30%.

7. Использование модификаторов практически не влияет на себестоимость отливок.