МОДИФИЦИРОВАНИЕ КАК СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КАЧЕСТВЕННЫХ СТАЛЬНЫХ ОТЛИВОК ОТВЕТСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ ДЛЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

 

Солдатов В. Г. (БГТУ, г. Брянск, РФ)

 

Ladle metallurgy is widely practiced in foundries to adjust final liquid metal composition, to remove harmful elements, and to add nucleating agents to control the growth of specific phases on solidification.

 

Одним из методов ковшевой металлургии является модифицирование - глубинный процесс активного воздействия на состояние металлических расплавов путем введения малых добавок веществ, приводящий к изменению размеров и формы структурных составляющих и соответственно к повышению технологических и служебных свойств материалов.

Ужесточение условий эксплуатации железнодорожного транспорта, увеличение скорости движения грузовых поездов, грузоподъёмности вагонов и интенсивности маневровых операций, расширение сети железных дорог в районах Севера требует значительного повышения конструкционной прочности основных литых деталей автосцепного устройства грузового вагона – корпуса автосцепки и тягового хомута, выходящих из строя по хрупким и усталостным разрушениям. Для подвергающихся эксплутационному износу деталей необходимо выбирать оптимальное сочетание всех механических свойств. С 2000 г. МПС РФ ужесточило требования к литым деталям железнодорожного транспорта в направлении повышения их надежности и эксплутационной стойкости. Основной задачей для предприятия является разработка оптимального сочетания таких методов воздействия на жидкий металл, которые бы обеспечивали высокое качество стальных отливок с учетом растущих требований МПС РФ.

В настоящее время развиваются различные способы воздействия на расплав с целью получения чистой по неметаллическим включениям высококачественной стали с плотноупакованной мелкозернистой структурой. Только отливки из такой стали могут обеспечить надёжность и долговечность работы деталей ответственного назначения. Самыми перспективными методами с этой точки зрения являются микролегирование и модифицирование жидкого стального расплава.

Основными элементами структуры стального расплава являются кластеры и бесструктурная жидкость, а управляющими процессами – физико-химические на атомных уровнях. В твёрдом состоянии наибольшей важностью обладают характеристики дендритов и особенно междендритных и зернограничных участков, через которые необходимо обеспечить свободное прохождение дислокаций – пластичность. Управляющими процессами при этом являются восходящая и разделительная диффузия в зоне растущего кристалла. Восходящая диффузия обеспечивает приток атом в зону кристаллизации и формирует плотную отливку. Разделительная диффузия приводит к ликвации, превышению концентрации частиц предела растворимости и образованию пор или неметаллических плёночных включений.

Для получения плотной структуры и высокого качества стали необходимо подобрать такой регулирующий процесс, который обеспечивает устранение разделительной диффузии. Из числа таких процессов наиболее эффективными являются ввод легирующих элементов и модифицирование, которые обеспечивают полную растворимость ликвантов. Вводимые легирующие и модифицирующие элементы должны обеспечивать управляемость процессов структурообразования стали и выполнять максимальное число функций.

В настоящее время на ОАО "Бежицкий сталелитейный завод" для производства ответственных литых деталей для железнодорожного транспорта тягового хомута и корпуса автосцепки применяют сталь 20ГЛ.

Для повышения эксплутационной надежности и конструкционной прочности литых деталей применяют микролегирование ванадием. С этой целью на ОАО "БСЗ" в мартеновском цехе были проведены две опытно промышленные плавки с микролегированием ванадием, который добавляли в ковш при выпуске металла из печи. Полученный химический состав и механические свойства стали приведены в таблице 1. Из анализа данных плавок видно, что прочностные, пластические и вязкие свойства микролегированной ванадием стали в отливках выше, чем в отливках из стали 20ГЛ.

 

Таблица 1 -Химический состав и механические свойства отливок из стали опытно промышленных плавок, проведенных на ОАО "БСЗ"

Содержание S и P в плавках < 0.030%

 

Отсюда сделан вывод, что небольшие добавки ванадия в сталь полезны и приводят к положительным результатам после закалки и отпуска отливок.

С целью выявления положительного эффекта модифицирования в литейной лаборатории ЦЗЛ ОАО "БСЗ" на плавильной установке ЛПЗ-67 выполнены плавки с химическим составом близким к составу стали 20ГЛ. С каждой плавки были залиты по две трефы - первая с модифицированием, вторая без (таб. 2).

Первая плавка №1 была проведена с комплексным модифицированием в ковше FeSi+ФСМГ(FeSiMg)+CaSi в количестве FeSi 0,1% - 20 г (вес жидкого металла в ковше 20 кг), CaSi 0,1% - 20 г, ФСМГ(FeSiMg) 0,25% - 50 г. В результате заметно положительное влияние модифицирования, т. к. содержание серы в образце отлитом из ковша без модифицирования 0,037%, а с модифицированием 0,034%.

Вторая №2 - FeV+CaSi в количестве CaSi 0,15% - 30 г, FeV 0,2% - 40 г, при этом заметного снижения содержания серы не произошло, существенно выросли прочностные свойства стали.

Третья №3 плавка была проведена с модифицированием в первом ковше (№3м) ФСМГ(FeSiMg)+CaSi в количестве ФСМГ 0,3% - 60 г, CaSi 0,1% - 20 г, во втором ковше (№3) РЗМ(FeCe)+ CaSi в количестве FeCe 0,12% - 24 г, CaSi 0,15% - 30 г. Содержание серы в первом ковше зафиксировано 0,030%, а во втором 0,029% против содержания в образце без модифицирования 0,037%. Это значит что при увеличении добавок ФСМГ содержание серы снижается: 0,25% - 0,034% S, 0,3% - 0,030% S.

Четвертая №4 проведена с модифицированием меньшим количеством РЗМ (№4ьм) 0,05% - 10 г и плюс CaSi 0,15% - 30г, содержание серы при этом получено 0,022%. Во второй ковш (№4) был добавлен просто CaSi 0,15% - 30 г и содержание серы при этом получено 0,025%. Из этого можно сделать вывод о том что добавки Ca положительно влияют на уменьшение содержания серы в металле, и что модифицирующий эффект РЗМ(FeCe) проявляется даже при небольших его добавках в металл (0,05% от веса жидкой стали) совместно с CaSi. Серу при этом удалось снизить до 0,022%, что является довольно хорошим показателем.

 

Таблица 2 - Химический состав и механические свойства стали опытных плавок

Сочетаясь с доводкой плавок и особенно с их конечным раскислением, модифицирование в значительной степени определяет характер кристаллизации, степень гранулярности и комплекс свойств стали. Для изготовления ответственных деталей железнодорожного транспорта рекомендуется последовательное комплексное микролегирование стали ванадий содержащей лигатурой и модифицирование р. з. м, что обеспечит получение качественных отливок с высокими эксплутационными свойствами. Оптимальное содержание V в стали необходимо иметь в пределах 0,04-0,1%, а РЗМ добавлять в количестве 0,05-0,1% от веса жидкого металла, что позволит увеличить прочностные свойства стали в отливках при этом практически не снижая пластичность.