ВЛИЯНИЕ ПРОДУВКИ РАСПЛАВА АРГОНОМ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТАЛИ 20ГФЛ

Г. А. Околович, А. В. Габец, Е. О. Чертовских

Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова,
г. Барнаул, Россия

В обычных «открытых» сталеплавиль­ных процессах не удается уменьшить содер­жание водорода в готовой стали ниже 3-4 см³/100г, так как при кипении металла (выде­ление из ванны окиси углерода при окисле­нии углерода) одновременно с удалением водорода и азота происходит поглощение их металлом из газовой фазы. При превращении а-железа в у-железо, а также при повышении температуры растворимость Н и ^ скачкооб­разно увеличивается(рис. 1). Особое значе­ние имеет резкое понижение растворимости Н и ^ в стали при затвердевании и дальней­шем понижении температуры. Например, растворимость водорода в жидком железе равна примерно 28 см³/100 г, а в твердом же­лезе при комнатной температуре находится близко к нулю.

Выделение водорода при охлаждении стали способствует образованию флокенов и межкристаллитных трещин. Флокены имеют вид сглаженных поверхностей матового цве­та на сером фоне излома термообработанной отливки. Межкристаллитными трещинами являются сглаженные поверхности с зер­кальным блеском на сером фоне излома термообработанной отливки.

По результатам электронной микроско­пии на серийной стали 20ГЛ флокены и меж­кристаллитные трещины не выявлены. Также не выявлено ситовидных раковин характери­зующихся дефектом в виде удлиненных тон­ких раковин, ориентированных нормально к поверхности отливки, вызванных повышен­ным содержаниям водорода в кристаллизу­ющемся слое стали.

Для определения содержания газов(Н, О, ^ в стали 20ГЛ были отобраны пробы из аварийной детали «Рама боковая». По ре­зультатам исследований, согласно, ГОСТ17745 содержание [О]=0,009-0,011%, [ВД= 0,008-0,009%, [Н]=0,0005%. Механиче­ские свойства стали данной детали соответ­ствуют техническим требованиям.

Рисунок 1 — Влияние температуры на раство­римость Н и ^ в железе

Для выявления состояния ^ исследова­ли сталь 20ГЛ (микролегированную ванади­ем, не более 0,03%) на масс спектроскопии (рис.2), в результате выявили, что имеющий­ся азот связан с ванадием в химические со­единения типа V^, VС2^2. Известно, что при содержании в стали Н более 2 см³/100г (0,0002%) и ^ более 2 см³/100г (0,002%) в стали проявляется хрупкость в виде пониже­ния относительных сужения и удлинения, а иногда и ударной вязкости. 8[ и С понижают растворимость Н и ^ в жидком железе.

Особенно сильное воздействие на пони­жения содержания водорода оказывает кис­лород. Эффективным способом удаления неметаллических включений и газов(О, ^ Н) является продувка металла инертным газом, что приводит к одновременному протеканию многих процессов[2]:

• выравнивание, корректировка и уста­новление требуемых значений температуры металла;
• выравнивание, корректировка и регу­лировка химического состава;
• повышение чистоты стали по оксид­ным включениям;
• снижение содержания серы и суль­фидных включений при наличии покровного шлака необходимого состава;

5)ускорение расплавления и равномер­ного распределения по объему ковша вводи­мых раскислителей и легирующих добавок;

• ускорение нагрева и расплавления в покровном шлаке вводимых в ковш твердых шлакообразующих смесей;
• улучшение условий протекания реак­ции окисления углерода при обработке не раскисленного металла;

8)снижение температуры разливки ме­талла; Недостаток продувки аргоном в увели­чение разрушения огнеупорной футеровки ковша.

В связи с этим для исследования ис­пользовали внепечную обработку аргоном, как наиболее целесообразную. Для продувки стали применяли аргон газообразный первого сорта ГОСТ 10157-79. Подачу газа в металл производили непосредственно через щеле­вую фурму, встроенную в футеровку днища 8 тонного стопорного ковша. Температура вы­пуска стали из печи ДСП-6 составляла 1610- 1640^оС. После слива металла в ковш, поду­вали аргоном, в течении 3-6 мин при давле­ние 1-3,5 кг/см³. Во время заливки форм установлено повышение жидкотекучести ме­талла, снижение температуры заливки форм. Химический анализ и механические свойства всех плавок соответствовали типовой марки стали

Таблица№1 — Химический состав сталей.

С каждой плавки производили заливку клиновидной пробы по ГОСТ 977-88 для про­ведения механических испытаний, из которой изготавливали V- и и— образные образцы для испытания на ударную вязкость по ГОСТ 9454-78 и образцы на растяжение по ГОСТ 1497-81, по которым в дальнейшем опреде­ляли предел текучести, предел временного сопротивления, относительное удлинение и сужение.

Цель эксперимента выявить влияние продувки аргоном стали на изменение связей между химическими элементами и механиче­скими свойствами. Для анализа использова­ли результаты 60 плавок в дуговой печи, из которых 30 плавок подвергали внепечной обработке аргоном.

После продувки аргоном содержание 8 в стали приводит к снижению ударной вязко­сти. Одновременно с этим типовая сталь имеет лучшие показатели ударной вязкости при более высоком содержании серы. Из­вестно, что при низком содержании серы сталь приобретает повышенную склонность к водородному охрупчиванию. После продувки аргоном сера стала оказывать отрицательное влияние на ударную вязкость с V- и и- образным надрезом. Отрицательное влияние ванадия на ударную вязкость К^_-60 несколь­ко снижается при продувке аргоном, в то же время на КСи-60 ванадий стал оказывать, по­ложительный эффект. Положительное влия­ние серы на типовых сталях может быть свя­зано с рафинированием стали силикокальци- ем. Он повышает величину ударной вязкости при всех значениях концентрации 8, как в об­ласти хрупкого, так и вязкого разрушения за счет увеличения работы зарождения трещи­ны. При этом абсолютный прирост значений ударной вязкости практически не зависит от концентрации серы в стали[3].

Благоприятное влияние ванадия на ударную вязкость на образцах с и-образным надрезом связано с образованием дисперс­ных включений карбида VС над сложной группой VС₂^₂ и V^, образующихся в типовой стали в первую очередь из-за присутствия большего количества свободной энергии в компоненте №

Возможно, при снижении содержания О в стали, снижается количество неметалличе­ских включений типа А12О3, присутствующих в стали в виде оксидных пленок, приводящих к снижению прочности стали. После продувке аргоном снизилось влияние фосфора на ударную вязкость при отрицательных темпе­ратурах.

Ванадий на показатель сужения (рис.3) оказывает негативное влияние, снижая его величину. Взамен происходит повышение предела текучести, который благоприятно влияет на выносливость стали.

В соответствии с графиком механиче­ских свойств после продувки аргоном показа­тель предела временного сопротивления при меньшем содержании углерода в стали обес­печивает прочностные свойства, не уступа­ющие типовой стали. Это свидетельствует о наличии фазового равновесия.

Рисунок 3 — Гистограмма коэффициентов ре­грессии функции относительного сужения, ф

На основании полученной регрессии предела текучести в стали после продувки аргоном выявлена зависимость между со­держанием углерода и ванадия. Установлено, что вследствие перемешивания сплава и снижения содержания неметаллических включений, очистки от газов (Н, И, О), наблю­дается повышение жидкотекучести стали, обеспечивается однородная структура, при этом центрами кристаллизации являются карбиды VС.

Выводы:

После внепечной обработки расплава ар­гоном в 8 тонном ковше выявлены следующие различия в сравнении с типовой плавкой стали 20ГФЛ:

• положительное влияние Р в количестве 0,01-0,03% на все механические свойства;
• усиление отрицательного влияния 8 в количестве 0,01-0,02%;
• стабилизация показателя КС7.60 явля­ющегося характеристикой работы зарождения трещин. Это подтверждается повышением чи­стоты стали по неметаллическим включениям на границах зерен;
• продувка аргоном обеспечивает частич­ное выведение А1₂О₃в шлак;

• продувка аргоном обеспечивает выве­

дение в шлак А1Ы и снижает дисперсность хрупких неметаллических включений в зерне и по его границам.

Список литературы:

1. Меджибожский М.Я. Основы термодина­мики и кинетики сталеплавильных процессов. — Киев — Донецк,1979г.-280с.

2. Кудрин В. А. Внепечная обработка чугуна и стали. -М.: Металлургия. 1992.-336с.

3. Филиппенков А. А. Ванадийсодержащие стали для отливок. Екатеринбург: УрО РАН, 2001.