Днепропетровский национальный университет
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ПРИДНІПРОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ
БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ
КалІнІн Олександр ВасилЬОВИЧ
УДК 620.175.2:669.15
Підвищення механічних властивостей
кремнІймарганцЕВИСТИХ сталей 17Г1С, 17ГС і 16ГС
обробкою комплексними модифікаторами
Спеціальність 05.02.01 – матеріалознавство
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Дніпропетровськ-2008
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в науково-дослідній лабораторії нових матеріалів та безвідходних технологій Дніпропетровського національного університету Міністерства освіти і науки України, м. Дніпропетровськ
Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки України Шаповалова Оксана Михайлівна, Дніпропетровський національний університет, завідувач науково-дослідної лабораторії нових матеріалів та безвідходних технологій кафедри безпеки життєдіяльності фізико-технічного факультету
Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор, Лауреат державної
премії СРСР та УРСР Мєшков Юрій Якович, Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, головний науковий співробітник відділу фізики міцності та руйнування, м. Київ
доктор технічних наук, професор Середа Борис
Петрович, Запорізька державна інженерна академія,
завідувач кафедри обробки металів тиском, м. Запоріжжя
Захист відбудеться 3 липня 2008р. о 13-00 год. на засіданні
спеціалізованої вченої ради Д08.085.02 при Придніпровській державній академії
будівництва та архітектури за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-а.
З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Придніпровської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ,
вул. Чернишевського, 24-а.
Автореферат розісланий 29 травня 2008 р.
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради Д08.085.02 Кваша Е.М.
Загальна характеристика роботи
Актуальність теми. У промисловості та будівництві для виготовлення сталевих каркасів і опір, магістральних нафто- і газопроводних труб, а також поковок суднобудування, широко розповсюджені низьколеговані кремніймарганцевисті сталі з вимогами високого рівня механічних властивостей, потреба в яких обчислюється десятками мільйонів тон. Це пов'язано не лише з недефіцитністю Si-Mn-сталей, але й з сприятливим поєднанням міцносних і пластичних властивостей. Перспективними є кремніймарганцевисті сталі марок 17Г1С, 17ГС, 16ГС, які виробляють металургійні та машинобудівні підприємства України. В даний час до Si-Mn-сталей пред'являються високі вимоги з конструктивної міцності, технологічності і стабільності властивостей. Вимоги бувають достатньо суперечливими, тому вивчення таких сталей з метою їх масового виробництва є актуальним і важливим завданням.
Кремніймарганцевисті економно леговані сталі підвищеної і високої міцності повинні мати межу текучості більш 400 МПа. Для отримання дисперсної однорідної структури, високого рівня і стабільності властивостей необхідна комплексна обробка розплавів, яка дозволяє без застосування спеціального устаткування одночасно проводити процеси модифікування, десульфурації і розкислювання рідкої сталі.
Підвищення якості Si-Mn-сталей досягається не тільки завдяки механічним властивостям, але й зменшенням впливу ліквації і неметалевих включень, що формуються при кристалізації. Трудність рішення проблеми полягає не лише в зменшенні кількості шкідливих домішок, таких як сірка і фосфор, але й в розробці рекомендацій по досягненню високої стабільності хімічного складу, структури і механічних властивостей, що дозволяє підвищити конкурентоспроможність Si-Mn-сталей на світовому ринку. Тому подана дисертаційна робота, в якій встановлені причини нестабільності і недостатнього рівня механічних властивостей Si-Mn-сталей 17Г1С, 17ГС і 16ГС та запропоновані шляхи їх поліпшення за допомогою обробки розплавів високоефективними комплексними модифікаторами, є актуальною.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в науково-дослідній лабораторії нових матеріалів та безвідходних технологій Дніпропетровського національного університету відповідно до пріоритетного напряму розвитку науки і техніки України "Нові речовини і матеріали та високоефективні технології виробництва" по держбюджетних темах № 06-160-00 "Розробка матеріалів, сировинних композитів, новітніх технологій обробки титанових сплавів і сталей на основі фазових перетворень та їх аномалій", ГР 0100U005236; № 7-037-03 "Теоретичні основи керування структуро- і формоутворенням сплавів з мінімізацією енерговитрат", ГР 0103U000573; № 7-138-06 "Теоретичні основи створення неплавлених модифікаторів широкого спектру дії для обробки рідкометалевих розплавів".
Мета і завдання дослідження. Мета роботи - підвищення рівня і стабільності механічних властивостей, встановлення впливу вмісту легуючих елементів і домішок, особливостей формування структури у литому, деформованому і термообробленому стані кремніймарганцевистих сталей 17Г1С, 17ГС і 16ГС при обробці розплавів комплексними модифікаторами.
Для досягнення вказаної мети в роботі поставлені наступні завдання:
1. Встановлення причин нестабільності і недостатнього рівня механічних властивостей сталей 17Г1С, 17ГС і 16ГС із застосуванням комп'ютерної обробки масиву даних промислових плавок.
2. Встановлення впливу обробки сталей комплексними модифікаторами на вміст шкідливих домішок, газів, а також на кількість, склад і морфологію неметалевих включень.
3. Виявлення особливостей макро- і мікроструктури, встановлення фазового складу литих і деформованих кремніймарганцевистих сталей до і після модифікування.
4. Визначення комплексу механічних властивостей модифікованих кремніймарганцевистих сталей у литому, деформованому і термічно обробленому станах, кореляційно-регресійний аналіз взаємозвязку складу та властивостей досліджуваних сталей.
5. Розробка і впровадження технологічного процесу модифікування кремніймарганцевистих сталей.
Об'єкт дослідження. Низьколеговані кремніймарганцевисті сталі марок 17Г1С, 17ГС і 16ГС, що оброблені комплексними модифікаторами.
Предмет дослідження. Закономірності взаємодії комплексних модифікаторів з компонентами кремніймарганцевистих сталей і впливу модифікування на структуру і властивості досліджуваних сталей.
Методи дослідження. Для виконання мети і завдань роботи використовували сучасні методи: хімічний, спектральний, кількісний аналіз структури і неметалевих включень, металографічний, електронномікроскопічний, мікрорентгеноспектральний, термогравіметрічний, вивчення корозійної стійкості, механічних властивостей, кореляційно-регресійний аналіз.
Наукова новизна отриманих результатів. В результаті виконаних теоретичних і експериментальних досліджень закономірностей формування структури і неметалевих включень в модифікованих кремніймарганцевистих сталях 17Г1С, 17ГС і 16ГС у литому, деформованому і термообробленому станах, вивчення корозійних властивостей і визначення кореляційних залежностей між хімічним складом і механічними характеристиками запропоновані нові наукові рішення:
1. Вперше встановлена особливість взаємодії розробленого комплексного модифікатора з компонентами Si-Mn-сталей, в результаті чого досягнуто зниження вмісту газів і шкідливих домішок у модифікованих сталях: кисню на 30...50%, азоту – на 10...35%, водню – на 10...25%, сірки – на 12...20%, фосфору – на 10...15%.
Розробка дозволила підвищити якість досліджуваних сталей за рахунок зниження газової пористості відливок і збільшити корозійну стійкість модифікованих сталей у 2,0…2,3 рази.
2. Встановлено механізм кристалізації Si-Mn-сталей, оброблених комплексним модифікатором багатофункціональної дії, який полягає в утворенні додаткових центрів кристалізації та здрібненні аустенітного зерна в 2...3 рази при взаємодії компонентів модифікатора із розплавом. Одержаний результат дозволив розвинути уявлення про особливості кристалізації модифікованих сталей.
3. Вперше визначена зміна морфології і фазового складу неметалевих включень в модифікованих сталях, що полягає у зменшенні в 2,0…2,5 рази їх кількості, утворенні дисперсних глобулярних включень сульфідів, оксидів і нітридів з присутністю в них компонентів модифікаторів.
Отримані результати дозволили підвищити в модифікованих сталях на 30...40% ударну в'язкість, на 13…17% відносне подовження при одночасному підвищенні межі міцності на 23…33% і межі текучості на 19…28%.
4. Методом парної і множинної кореляції встановлений вплив основних: C, Mn, Si, S, P і супутніх елементів: Al, Cu, Cr, Mo, Ni на характеристики міцності, пластичності та ударної в'язкості промислових Si-Mn-сталей.
В результаті запропонований механізм впливу окремих елементів хімічного складу та їх груп на механічні властивості Si-Mn-сталей. Це дозволило рекомендувати оптимальні склади комплексних модифікаторів для обробки дослідженої групи сталей.
5. Розглянуто механізм зміцнюючого ефекту комплексного модифікування, що дозволило при деформуванні та термічній обробці сталей 17Г1С, 17ГС і 16ГС отримати високий комплекс механічних властивостей: sв ...810 МПа,
sТ = 640...675 МПа, d = 19...21%, ш = 43...45%, KCU = 0,72...0,8 МДж/м2.
Практичне значення отриманих результатів. На основі отриманих закономірностей, експериментальних і промислових досліджень розроблені:
- новий високоефективний комплексний модифікатор для обробки Si-Mn-сталей (патент України № 5321);
- технологічний процес модифікування Si-Mn-сталей (технологічна інструкція ТІ № 102.25103.00343 від 24.03.2006 р.).
Основні результати роботи впроваджені на ДП ВО "Південний машинобудівний завод" (акт впровадження від 13.11.2006 р.). Проведена статистична обробка великого масиву промислових правок на підприємствах: "Дніпроважмаш", Новокраматорському машинобудівному заводі при виплавці Si-Mn-сталей, що дозволило значно підвищити рівень і стабільність міцносних характеристик та ударну в'язкість. Результати дисертаційної роботи впроваджені у навчальний процес Дніпропетровського національного університету (акт реалізації від 11.02.2008 р.)
Особистий внесок здобувача. Розроблений склад комплексного модифікатора для обробки Si-Mn-сталей 17Г1С, 17ГС і 16ГС. Розроблений та впроваджений технологічний процес модифікування Si-Mn сталей. Проведений кореляційно-регресійний аналіз масиву промислових плавок Si-Mn сталей, отримані оптимальні концентрації елементів і закономірності їх впливу на комплекс механічних властивостей. Основні результати дисертаційної роботи отримані здобувачем самостійно. У спільних публікаціях автор:
- досліджував вплив різних варіантів вмісту елементів в комплексній добавці для обробки кремніймарганцевистих сталей на їх механічні властивості [14, 15];
- довів з позиції екології [5] переваги модифікування кремніймарганцевистих сталей;
- встановив закономірності комплексного впливу компонентів кремніймарганцевистої сталі на властивості поковок виробництва "Дніпроважмаш" [1];
- обгрунтував подрібнення параметрів структури і підвищення механічних властивостей модифікованої сталі 17Г1С [3];
- провів порівняльний аналіз фазового складу сталей до і після модифікування за результатами мікрорентгеноспектрального дослідження [10];
- застосував метод множинної кореляції і статистично обробив великий масив даних хімічного аналізу промислових плавок сталі 17Г1С на крупних металургійних підприємствах [7, 16];
- за результатами локального мікрорентгеноспектрального аналізу визначив кількісний і фазовий склад структурних складових і неметалевих включень в сталях 16ГС і 17Г1С до і після модифікування [2, 7, 9];
- розрахував коефіцієнти парної кореляції і побудував залежності концентрації компонентів з характеристиками механічних властивостей для крупних поковок St.52.3 Новокраматорського машинобудівного заводу [4, 8];
- проаналізував і визначив вплив термічної обробки і хімічного складу на механічні властивості великогабаритних напівфабрикатів сталі St.52.3 [4, 13];
- встановив роль Ti і Al на якість сталі 17Г1С при модифікуванні [11];
- виявив вплив комплексного модифікування кремніймарганцевистих сталей на підвищення физико-механических властивостей [12].
Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи були викладені і обговорені на Міжнародних науково-практичних конференціях: “Строительство, материаловедение, машиностроение” (м. Дніпропетровськ, 2002-2006 рр.); “Наука і освіта” (м. Дніпропетровськ, 2001 р.); науково-практичній конференції "Людіна і космос" (м. Дніпропетровськ, 2001, 2002 рр.); "Оборудование и технологии термческой обработки металлов и сплавов" (м. Харків, 2005-2007 рр.); "Неметалеві включення і гази в ливарних сплавах" (м. Запоріжжя, 2006 р.); підсумкових наукових конференціях Дніпропетровського національного університету.
Публікації. По темі дисертації опубліковано 16 робіт, у тому числі 13 робіт у фахових виданнях ВАК, 1 патент і 2 тези доповідей.
Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 6 розділів, висновків і 2 додатків. Об'єм дисертації становить 169 сторінки, в тому числі 50 рисунків, 37 таблиць, списку використаних джерел з 150 найменувань на 13 сторінках та додатків на 2 сторінках.
Основний зміст роботи
У вступі обгрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульовані мета і завдання досліджень, визначена наукова новизна і практична цінність отриманих в роботі результатів, вказаний зв'язок роботи з науковими програмами, темами. Представлений особистий внесок здобувача, структура і об'єм дисертаційної роботи.
У першому розділі викладені сучасні уявлення з поліпшення якості, механічних властивостей і термічній обробці маловуглецевих низьколегованих сталей. Відмічено, що найбільш важливі результати з питань кристалізації, взаємозв'язку структури і властивостей, легування, модифікування і термічної обробки вказаних класів сталей висвітлені в роботах В.К. Семенченко, М.В. Мальцева, К.Ф. Стародубова, В.І. Большакова, О.М. Шаповалової, І.Є. Долженкова, С.І. Губенко, В.В. Луньова та інших вчених.
Проведений критичний аналіз впливу існуючих способів модифікування на структуру і властивості низьколегованих сталей. Встановлені причини нестабільності і низького рівня механічних властивостей промислових Si-Mn-сталей підвищеної і високої міцності для виробництва поковок, тонко- і товстолистового прокату для газо- і нафтопровідних труб, гнутих профілів, будівельних конструкцій. Проте немає однозначних рекомендацій по впливу модифікування існуючими модифікаторами одночасно на металеву матрицю і вторинні фази. Проведена оцінка модифікуючого впливу на неметалеві включення показала відсутність робіт по вивченню залежності між ступенем чистоти і властивостями низьколегованих сталей. Сформульовані наукові і практичні завдання дисертаційної роботи, вирішення яких необхідне для досягнення високої якості і гарантованих механічних властивостей промислових Si-Mn-сталей.
У другому розділі викладені методологічні положення роботи. Матеріалом дослідження були низьколеговані Si-Mn будівельні сталі 17Г1С, 17ГС і 16ГС, вживані для газо- і нафтопроводів, будівельних ферм, а також великогабаритних поковок суднобудування. Досліджені сталі мають наступний хімічний склад: 0,12…0,20% С; 0,4…0,7% Si; 0,9…1,4% Mn; ? 0,30% Cr; ? 0,30% Ni; ? 0,30% Cu; ? 0,040% S; ?0,035% P; ? 0,008% N.
Дослідно-промислові партії плавок виплавлені в ливарному цеху ДП ВО "Південний машинобудівний завод" в індукційній печі опору ІСТ-0,15 ємністю тигля 150 кг. Статистична обробка даних механічних випробувань і оптимізація складів Si-Mn-сталей проведена на 42 мартенівських плавках ВАТ "Дніпроважмаш", 103 плавках ЗАО "Новокраматорський машинобудівний завод" і 54 конвертерних плавках МК "Азовсталь". Для обробки розплавів був розроблений, запатентований і застосований комплексний модифікатор.
Для експериментів використовували плавки різного хімічного складу. Відливки масою 40 кг кували на прутки розміром 0,05х0,05х1,2 м. Кування проводили на пресі EARIE з усиллям 1000 т та проміжним подогрівом до 1150С. Вміст елементів у пробах і відливках визначали методом хімічного аналізу по ГОСТ 28473-90, експрес-аналізом промислових плавок на квантометрі "Полівак Е-600". Вміст кисню і азоту визначали на газоаналізаторі ТС-436 фірми Leco методом відновного плавлення, вміст водню – на газоаналізаторі РН-402.
Розподіл і типи неметалевих включень оцінювали по ГОСТ 1778-80. Мікроструктуру сталей досліджували за допомогою мікроскопів NEOPHOT-2, МІМ-8М, МБС. Первинну (дендритну) структуру виявляли травленням у гарячому розчині пікрату натрію. Кількісна оцінка мікроструктури виконана за допомогою комп'ютерної програми MATHCAD обробкою цифрових зображень структурних складових. Фазовий склад структурних складових і неметалевих включень досліджували енергодисперсійним методом РСМА на растровому електронному мікроскопі JEOL ISN-6360LA з системою мікрорентгеноспектрального аналізу JED-2300 з локальністю 1 мкм. Корозійну стійкість сталей вивчали випробуванням на спільну корозію за ГОСТ 9.911-89 в промисловій атмосфері і методом прискорених випробувань за ГОСТ 92-4395-86.
Для дослідження хімічних реакцій і фазових перетворень в сталях використовували метод термогравіметричного аналізу за допомогою дериватографа Q-1500 при швидкості нагріву зразка 10єС/мин. Механічні властивості сталей 17Г1С, 17ГС і 16ГС визначали на стандартних зразках по ГОСТ 1497-84 на розривній машині МУП-20 при навантаженні 5т і швидкості активного захвату 2,5 мм/мін. Результати випробувань оцінювали як середнє з 5 вирізаних зразків. Для визначення впливу хімічного складу на механічні властивості Si-Mn-сталей в литому і кованому станах проведений кореляційно-регресійний аналіз даних з використанням комп'ютерних програм для промислових плавок підприємств НКМЗ, Дніпроважмаш, Азовсталь, а також дослідно-промислових плавок ВО ПМЗ. Проведений розрахунок рівнянь регресії і побудова тривимірних залежностей елементів хімічного складу сталей і механічних характеристик. Довірчу оцінку рівнянь регресії проводили по критеріях Фішера, Стьюдента і Кохрена.
У третьому розділі розглянуті закономірності впливу модифікування на склад, структуру і неметалеві включення Si-Mn-сталей. Запропоновано склад комплексного модифікатора (патент України № 5321). Титан є сильним карбідо- і нітридоутворюючим елементом, алюміній надає рафінуючу та розкислюючу дію, кальцій є поверхнево активним елементом. Субмікроскопічні тугоплавкі частки карбідів і нітридів, що виникають при модифікуванні та утворюються в мікрооб'ємах розплаву в результаті взаємодії титану з розчиненим в сталі азотом і вуглецем, служать центрами кристалізації. Титан активно взаємодіє з газами, розчиненими в сталі і шкідливими домішками, надаючи инокулюючий ефект. Перевагою розробленого модифікатора є його значна щільність, що сприяє ефективній дії всіх компонентів модифікатора на розплав.
Модифікатори, що мають розміри: діаметр 0,07…0,18 м і висота 0,07 м вводили під струмінь рідкого металу в кількості 2…5 кг на 1 т стали при температурі 1585…1600°С. Результати модифікування оцінювали за хімічним складом і механічним властивостям ковшових проб (табл. 1).
Таблиця 1
Вміст газів, шкідливих домішок і механічні властивості
Si-Mn-сталей в литому стані
Марка
сталі | Стан сталі | О2, % | N2, % | Н2,
ppm | S, % | P, % | Механічні властивості
в,
МПа | т,
МПа | ,
% | KCU,
МДж/м2
17Г1С | вихідний | 0,020 | 0,008 | 2,2 | 0,035 | 0,030 | 524 | 365 | 5,0 | 0,26
модифікований | 0,009 | 0,006 | 2,0 | 0,030 | 0,028 | 645 | 471 | 5,2 | 0,38
17ГС | вихідний | 0,018 | 0,009 | 2,4 | 0,030 | 0,033 | 516 | 408 | 5,5 | 0,30
модифікований | 0,009 | 0,007 | 1,8 | 0,028 | 0,030 | 578 | 460 | 6,0 | 0,40
16ГС | вихідний | 0,016 | 0,008 | 2,2 | 0,032 | 0,035 | 475 | 332 | 5,8 | 0,32
модифікований | 0,008 | 0,006 | 1,6 | 0,030 | 0,033 | 559 | 388 | 6,9 | 0,42
У досліджених сталях, оброблених комплексними модифікаторами, в середньому знизився вміст О2 – на 30...50%, N2 – на 10...35%, Н2 – на 10...25%, S – на 12...20%, Р – на 10...15%. Міцносні і пластичні властивості підвищені: sв на 17%; sт – на 16%; d – на 9%; KCU – на 37%. Зниження вмісту газів і шкідливих домішок зменшило газову пористість і рихлість в центральній частці відливок. Це пов'язано з наявністю в модифікаторах алюмінію, який викликає барботаж мікрооб'ємів розплаву при кипінні. Титан сприяє поглинанню водню, внаслідок чого підвищується щільність модифікованих відливок. Отримані результати застосування розробленого модифікатора дозволили встановити:
- комплексний модифікатор сприяє збільшенню реакційної здібності, інтенсифікації фізико-хімічних процесів взаємодії і підвищенню ступеня засвоєння компонентів із розплавом;
- здатність комплексного модифікатора проводити одночасне модифікування, рафінування і розкислювання розплаву за рахунок спільного введення компонентів модифікатору;
- підвищення щільності модифікатора за рахунок сталевої стружки сприяє збільшенню тривалості процесу модифікування.
Неметалеві включення в початкових Si-Mn-сталях промислового виробництва представлені сульфідами і оксисульфідами марганцю, на частку яких припадає 65…75%. Включення виділяються в різних морфологічних видах: глобулярні (35…45%), плівкові (25…30%) і ограновані (30…40%).
При модифікуванні кількість неметалевих включень знижується в 2,0...2,5 рази. Розмір включень зменшується з 4-5 до 1-2 балу (ГОСТ 1778-80).
У модифікованих сталях кількість огранованих і плівкових сульфідів марганцю значно зменшується; сульфіди (Mn,Fe)S подрібнюються і мають складніший хімічний склад (рис.1): додатково містять Ti, Al, Si, O, що є наслідком обробки сталі комплексним модифікатором. Відмітною особливістю модифікованої сталі є поява в структурі нітриду титану, який знаходиться як самостійна фаза, так і у вигляді складного подвійного включення з MnS (рис. 2).
Отримані теоретичні передумови, результати досліджень і технологічних рішень послужили основою для розробки технологічної інструкції та реалізації промислової технології модифікування Si-Mn-сталей марок 17Г1С, 17ГС і 16ГС на ВО "Південний машинобудівний завод".
У четвертому розділі представлені результати вивчення механічних властивостей Si-Mn-сталей, оброблених комплексним модифікатором. Сталі 16ГС, 17ГС і 17Г1С, вживані для зварних, клепаних, болтових металоконструкцій і трубопроводів відповідального призначення, згідно тих, що діють за ГОСТ 19281-89 і ГОСТ 4543-90, повинні мати наступний рівень механічних властивостей: sв=430...590 МПа; sт=345...355 МПа; d = 21...23%; KCU-20=0,65 МДж/м2. Ці вимоги відповідають підвищеному класу міцності (СНіП 11-23-89) з межі текучості.
Модифікуюча обробка є одним з раціональних способів вирішення проблеми підвищення міцносних властивостей сталі при одночасному підвищенні рівня пластичності і особливо ударної в'язкості. На відміну від легування, комплексне модифікування дозволяє підвищувати механічні властивості Si-Mn-сталей не лише за рахунок подрібнення зерна, але і структурних складових, шляхом збільшення числа центрів кристалізації і підвищення дисперсності структури. У модифікованих сталях встановлено збільшення кількості перліту з 29 до 37%. Вміст Ti і Al в модифікованих сталях при різній витраті модифікатору приведений в табл.2.
Таблиця 2
Вміст титану і алюмінію в модифікованих сталях
Модифікатор | Витрата модифікатора, % мас. | Ti, % | Al, %
введений | залишковий | введений | залишковий
За патентом
№ 5321 | 0,20 | 0,12 | 0,056 | 0,08 | 0,036
0,30 | 0,18 | 0,078 | 0,12 | 0,063
0,40 | 0,24 | 0,123 | 0,16 | 0,086
0,55 | 0,30 | 0,156 | 0,20 | 0,108
Механічні властивості зразків, які вирізані з виливків дослідно-промислових плавок сталей до і після модифікування, приведені в табл. 3.
Таблиця 3
Вплив модифікування на механічні властивості
Si-Mn-сталей в литому стані
Марка сталі | Стан сталі | Механічні властивості
в, МПа | т, МПа | , % | , % | KCU, МДж/м2
17Г1С | вихідний | 524 | 365 | 5,0 | 4,5 | 0,26
модифікований | 645 | 471 | 5,2 | 4,8 | 0,38
17ГС | вихідний | 509 | 350 | 5,1 | 6,5 | 0,25
модифікований | 615 | 422 | 5,3 | 7,4 | 0,35
16ГС | вихідний | 475 | 332 | 5,8 | 5,3 | 0,32
модифікований | 559 | 388 | 6,9 | 5,6 | 0,42
Модифіковані сталі мають високий комплекс міцносних і пластичних властивостей: sв підвищується на 18...23%; sт - на 13...17%; d - на 8...19%; - на 13...26% при істотному збільшенні KCU - на 32...46%.
При модифікуванні досліджуваних Si-Mn-сталей і подальшій гарячій деформації мають місце наступні види зміцнення:
- твердорозчинне зміцнення тв.р (частка зміцнення - 25…40%) за рахунок вмісту кремнію і марганцю;
- зерногранічне з (25...30%) в результаті подрібнення дендритів d-фериту і зерна аустеніту за рахунок утворення нових центрів кристалізації на основі дисперсних включень по механізму інокуляції;
- зміцнення шляхом збільшення кількості перліту п (10...15%), пов'язане з підвищенням стійкості переохолодженого аустеніту в результаті дії модифікуючих добавок (Ti і Al), зсуву точки S діаграми Fе-C ліворуч легування цементиту;
- дисперсійне зміцнення д.з. структурних складових (5...10%);
- деформаційне зміцнення д в результаті підвищення щільності дислокацій (15...25%).
Оцінюючи вклад кожного механізму зміцнення, можна визначити сумарну величину межі текучості: т = тв.р + з + п + д.з. + д.. З вказаних механізмів зміцнення можна виділити домінуючі: зерногранічне і перлітне зміцнення, які виявляються в сталях при модифікуючій обробці новими модифікаторами.
Встановлено, що модифіковані сталі після кування, в порівнянні з литими мають вищий комплекс міцносних і пластичних властивостей (табл. 4).
Після кування у модифікованих сталях комплекс механічних властивостей підвищився: sв – на 10...21%; sт – на 21...34%; d – на 14...26%; – на 30...31%; KCU – на 21...41%.
Таблиця 4
Вплив модифікування та деформації на механічні властивості
сталей 17Г1С, 17ГС і 16ГС після кування
Марка сталі | Стан сталі | Механічні властивості
в, МПа | т, МПа | , % | , % | KCU, МДж/м2
17Г1С | вихідна | 635 | 469 | 15,1 | 32,4 | 0,39
модифікована | 769 | 652 | 19,0 | 42,1 | 0,55
17ГС | вихідна | 615 | 434 | 16,1 | 29,7 | 0,42
модифікована | 639 | 541 | 17,6 | 33,8 | 0,51
16ГС | вихідна | 524 | 421 | 17,3 | 43,2 | 0,46
модифікована | 576 | 508 | 19,7 | 56,7 | 0,58
Досліджено вплив термічної обробки нормалізації на структуру і механічні властивості модифікованих Si-Mn-сталей. Температури нормалізації сталей обирали, виходячи з положення критичних точок, які визначали по кривих диференціального термічного аналізу. Температури Ас1 і Ас3 для вихідних сталей складали 730…737°С і 865…870°С; для модифікованих сталей – 746...748°С і 870...876°С відповідно. Залежність межі текучості і розміру зерна модифікованих сталей від температури нормалізації приведена на рис.3.
Дослідження показали, що при температурах нормалізації 880...900°С для модифікованих Si-Mn-сталей досягається високе значення межі текучості: 660...680 МПа при малому розмірі зерна. Подрібнення аустенітного зерна і наявність дисперсних включень, в першу чергу TіN, підвищує межу текучості. Величина аустенітного зерна і перлітних колоній в Si-Mn-сталях до і після модифікування приведена на рис. 4.
Модифіковані сталі після нормалізації характеризуються однорідною ферито-перлітною структурою і дрібнішим аустенітним зерном: 19...24 мкм, що в 2,5…3,1 разів менше, ніж до модифікування. Вплив модифікування на механічні властивості сталей в деформованому стані після нормалізації приведений в табл.5.
Таблиця 5
Вплив модифікування на механічні властивості Si-Mn-сталей
в деформованому стані після нормалізації
Стан сталі | в, МПа | т, МПа | , % | , % | KCU, МДж/м2 | НВ
17Г1С | вихідна | 657 | 568 | 18,2 | 40,7 | 0,58 | 221
модифікована | 811 | 675 | 21,3 | 45,7 | 0,81 | 240
17ГС | вихідна | 598 | 514 | 17,3 | 39,5 | 0,54 | 195
модифікована | 775 | 660 | 19,7 | 43,4 | 0,72 | 237
16ГС | вихідна | 574 | 510 | 19,0 | 40,6 | 0,58 | 198
модифікована | 762 | 641 | 21,5 | 45,2 | 0,76 | 228
Модифікування комплексними добавками на основі Ti і Al підвищує міцносні та пластичні властивості деформованих Si-Mn-сталей: sв збільшується на 23...33%; sт – на 19...28%; d – на 13...17%; – на 10...11% при значному зростанні ударної в'язкості: на 31...40%. Стабільність механічних властивостей також підвищується.
Таким чином, зернограничне і перлітне зміцнення, які виявляються у низьколегованих Si-Mn-сталях, оброблених комплексними модифікаторами, дозволяє отримати наступний рівень механічних властивостей: sв = 810 МПа; sт = 675 МПа; d = 21%; = 46%; KCU = 0,8 МДж/м2. Такий комплекс властивостей відповідає класам міцності С590 і С740 за градацією «висока». Виходячи з економічних і технологічних міркувань, низьколегованими Si-Mn-сталями, обробленими комплексними модифікаторами, можна замінити складнолеговані сталі того ж класу міцності.
У п'ятому розділі проведена критеріальна оцінка і прогнозування якості модифікованих Si-Mn-сталей. По значеннях узагальнених критеріїв встановлено, що модифіковані стали 17Г1С, 17ГС і 16ГС за якістю вище зарубіжного аналогу – сталі St.52.3.
Проведено дослідження і статистичну обробку даних хімічного складу і механічних властивостей 42 мартенівських плавок заводу "Дніпроважмаш". Отримані дані хімічного складу і механічних властивостей обробляли методом парної і групової кореляції. На рис.5 показана залежність коефіцієнтів парної кореляції т і в кожного з основних і супутніх елементів хімічного складу.
Найбільший вплив на зміцнення сталі 17Г1С надавали основні легуючі елементи, а також алюміній та мідь. Шкідливі домішки Р і S знижували міцність сталі 17Г1С; особливо негативним був вплив фосфору в порівнянні із впливом сірки . Коефіцієнт кореляції Al з д складав . Розрахунок коефіцієнтів варіації, ексцесу і асиметрії для компонентів і механічних властивостей сталі 17Г1С показав, що найбільшу нестабільність механічних властивостей і низьку ударну в'язкість викликає фосфор (коефіцієнт варіації 79,54).
Був проаналізований масив статистичних даних за хімічним складом і механічними властивостями 103 великогабаритних поковок сталі 17Г1С (St.52.3) 500 мм виробництва Новокраматорського машинобудівного заводу.
Для з'ясування ступеню стабільності характеристик обчислювали коефіцієнт варіації вмісту компонентів сталі і параметрів механічних властивостей. Найбільший розкид мали значення роботи удару (КV = 73%), решта властивостей були відносно стабільними (КVв=7%, КV =11%, КV=12%). Аналіз також показав, що 39 % поковок за механічними властивостями не відповідали вимогам ТУ, як правило, по значеннях KCU. Коефіцієнти варіацій вмісту елементів досліджуваної сталі наведені на рис.6.
Для масиву даних, які проаналізовані, з вірогідністю 0,95 критичне значення коефіцієнту парної кореляції дорівнює 0,2. З урахуванням цього для в и т істотним був вплив С, Mn, Si – основних зміцнювачів сталі. Для значущими були коефіцієнти кореляції з Si, С, S, Mn. На відносне звуження помітно впливали С і Si, підвищення вмісту яких призводило до зниження . Найбільший вплив на роботу удару (рис. ) здійснювали Al, P і С; при цьому збільшення концентрації алюмінію сприяло підвищенню ударної в`язкості, а збільшення концентрації фосфору та сірки – її зниженню.
У шостому розділі викладені дані по вивченню корозійної стійкості і ударної в'язкості сталей при низьких температурах. Оскільки Si-Mn-сталі застосовують для великогабаритних виробів суднобудування, нафто- і газопровідних труб, що підлягають впливу морської атмосфери і промислових газів, а також низьких температур, зразки випробували на спільну корозію і корозію методом прискорених випробувань. На рис. 8 наведена мікроструктура сталі 17Г1С після 720 год. випробувань на спільну корозію.
Після випробувань немодифікована сталь прокородувала з поверхні на глибину більше 20 мкм, тоді як модифікована сталь має слабо окислений шар без слідів руйнування. Активними вогнищами пітінгової корозії у немодифікованих сталях є ділянки металу, прилеглі до неметалевих включень, особливо сульфідів, оксидів і нітридів.Згідно шкалі оцінки ГОСТ 92-4395-86, модифіковані сталі відносяться до вельми стійких.
Проведені випробування листової сталі 17Г1С на ударну в'язкість при низьких температурах з варіюванням вмісту сірки і фосфору. Зниження вмісту сірки і фосфору з 0,030...0,035 до 0,008...0,012% сприяє збільшенню ударної в`язкості на 38...46% при температурах мінус 40 і мінус 60°С. Зі зниженням температури випробувань ударна вязкість зменшилась на 0,10…0,12 МДж/м2. Розраховані рівняння множинної регресії та побудовані гістограми для ударної вязкості при низьких температурах, які підтверджують більш високі показники модифікованих сталей.
На основі виконаних досліджень розроблений та впроваджений технологічний процес комплексного модифікування Si-Mn-сталей на машинобудівному підприємстві. Загальні теоретичні розробки дисертації реалізовані у навчальному процесі за спеціальністю "Прикладне матеріалознавство".
ВИСНОВКИ
В результаті узагальнення теоретичних і експериментальних досліджень в дисертаційній роботі вирішено актуальну науково-технічну задачу підвищення стабільності та рівня механічних властивостей, вивчення закономірностей формування структури промислових кремніймарганцевистих сталей обробкою їх комплексними модифікаторами.
1. Показано, що з низьколегованних кремніймарганцевистих сталей найбільш поширеними є сталі групи 17Г1С, 17ГС і 16ГС, вживані для виготовлення важливих поковок суднобудування, машинобудування, будівельних конструкцій, газо- і нафтопровідних труб великого діаметру. Для отримання високих якісних показників Si-Mn-сталей актуальним є застосування комплексного модифікування, яке являється ефективним способом дії на структуру і властивості сталі.
2. В результаті експериментальних досліджень розроблений, запатентований та випробуваний склад комплексного модифікатора, який включає некондиційні відходи машинобудівних виробництв. Вивчено дію комплексного модифікатора при оптимальній витраті 0,1...0,2% мас., що дозволяє одночасно проводити процеси модифікування, рафінування і розкислювання розплаву. В Si-Mn-сталях в результаті модифікування їх розплавів новими модифікаторами знижується вміст газів і шкідливих домішок: кисню на 30...50%, азоту – на 10...35%, водню – на 10...25%, сірки – на 12...20%, фосфору – на 10...15%.
3. Встановлений механізм кристалізації Si-Mn-сталей, оброблених комплексним модифікатором, що полягає в утворенні додаткових центрів кристалізації та здрібненні аустенітного зерна у 2,5…3,0 рази в результаті взаємодії компонентів модифікатора із розплавом: титан утворює карбіди і нітриди, алюміній надає рафінуючу та розкислюючу дію, кальцій є поверхнево активною добавкою.
В модифікованих сталях досягнуто збільшення кількості перліту з 29 до 37% та підвищення його мікротвердості на 11…13%. Встановлено, що ферит модифікованих сталей додатково містить титан, що підтверджує ефективність дії модифікатору.
4. Встановлено, що в модифікованих сталях у 2,0...2,5 разів зменшились кількість і розміри неметалевих включень. Вперше виявлена зміна морфології та фазового складу неметалевих включень, що полягає в утворенні дрібних глобулярних складних сульфідів, оксидів марганцю з присутністю в них Mg, Cu, Si, Ni, P, O2, а також дисперсних включень нітридів титану з вмістом в них Al і Ca, що сприятиме зміцненню сталей.
5. Вивчений вплив комплексного модифікування на механічні властивості сталей 17Г1С, 17ГС і 16ГС у литому і деформованому станах. Модифіковані стали, в порівнянні з початковими, у литому стані мають вищі міцносні і пластичні властивості: sв підвищився на 18...23%; sт – на 13...17%; d – на 8...19%; KCU – на 32...46%.
Розроблений раціональний режим нормалізації при 880....900 °С модифікованих деформованих сталей, що дозволило отримати високий комплекс механічних властивостей:ув = 810МПа, = 21%, = 46%, KCU = 0,8МДж/м2.
6. Проведена статистична обробка даних хімічного складу і механічних властивостей 42 промислових плавок сталі 17Г1С заводу «Дніпроважмаш». Встановлений вплив елементів хімічного складу на sв, sт, d і KCU, що дозволило оптимізувати склад дослідженої групи сталей. Виявлено, що ударна в'язкість великогабаритних поковок має найбільшу нестабільність властивостей із-за розкиду вмісту сірки і фосфору.
На основі аналізу 103 великих поковок Новокраматорського машинобудівного заводу встановлено, що для sв і sт істотним був вплив C, Mn, Si – основних зміцнювачів сталі. Для d значущими були коефіцієнти кореляції з Si, C, S, Mn; на помітно впливали C і Si. Найбільший вплив на роботу удару здійснювали Al, P, C; при цьому збільшення концентрації Al сприяло підвищенню KCU, а збільшення концентрації P і S – її зниженню. Встановлено, що при вмісті Al 0,005% і несприятливому співвідношенні концентрації легуючих елементів неможливо отримати необхідний рівень ударної вязкості поковок.
7. Вивчення корозійної стійкості Si-Mn-сталей показало, що модифікування зменшує швидкість пітингової корозії: після 720 годин випробувань швидкість корозії зменшилась у 2,0...2,3 рази. Проведеним кореляційно-регресійним аналізом впливу C, Si, Mn, S, P на ударну в'язкість листів сталі 17Г1С при – 40°С і – 60°С вперше встановлено, що модифікована сталь має найбільш високі показники ударної вязкості при низьких температурах.
8. Розроблена технологічна інструкція на виплавку і модифікування Si-Mn-ста-лей. Технологічний процес виплавки сталей, оброблених комплексними модифікаторами, був впровадженим на ДП ВО "Південний машинобудівний завод ім.О.М. Макарова".
Основний зміст роботи викладено в публікаціях:
1. Шаповалова О.М., Калинин А.В., Ем Ю.А. Комплексное влияние элементов химического состава на свойства поковок из стали 17Г1С // Сб. научн. тр. "Строительство, материаловедение, машиностроение". – Днепропетровск: ПГАСиА, 2002. - вып.15. – С.181-182.
2. Шаповалова О.М., Калинин А.В. Корреляционный анализ влияния химического состава на механические свойства стали 17Г1С // Сб. научн. тр. "Строительство, материаловедение, машиностроение". – Днепропетровск: ПГАСиА, 2004. – вып.26, ч.1. – С. 197-201.
3. Шаповалова О.М., Калинин А.В. Улучшение стали 17Г1С путем модифицирующей обработки // Сб. научн. тр. 5 Междунар. конф. "Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов". – Харьков: ХФТИ, 2005. – т.3. – С. 34-37.
4. Шаповалова О.М., Калинин А.В., Маркова И.А., Ивченко Т.И. Влияние химического состава стали St.52.3 на механические свойства крупногабаритных полуфабрикатов //Металлургическая и горнорудная промышленность, 2005. – №3 – С.60-62.
5. Шаповалова О.М., Калинин А.В. Экологические аспекты обработки стали 17Г1С модификаторами-раскислителями // Экология и ресурсосбережение. – К.: НАНУ. – 2005. – №3 – С.57-60.
6. Шаповалова О.М., Калинин А.В. Улучшение структуры и механических свойств стали 17Г1С модифицированием // Сб. научн. тр. "Строительство, материаловедение, машиностроение". – Днепропетровск: ПГАСиА, 2005. – вып.32, ч.1. – С. 57-60.
7. Шаповалова О.М., Калинин А.В. Влияние модификаторов-раскислителей на структуру и свойства стали 17Г1С в разных состояниях // Сб. научн. тр. "Строительство, материаловедение, машиностроение". – Днепропетровск: ПГАСиА, 2006. – вып.36, ч.1. – С. 192-196.
8. Шаповалова О.М., Маркова И.А., Ивченко Т.И., Калинин А.В. Влияние термической обработки и химического состава на механические свойства крупногабаритных полуфабрикатов из стали St.52.3 // Сб. научн. тр. “Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов”. – Харьков:. ХФТИ, 2006. – том . – С.74-78.
9. Шаповалова О.М., Калинин А.В. Влияние обработки расплава модификаторами-раскислителями на неметаллические включения в кремниймарганцовистой стали // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. – Запоріжжя: ЗНТУ, 2006. – №2. – С.38-40.
10. Калінін О.В. Вплив комплексного модифікування на структуру та механічні властивості низьколегованих сталей // Металознавство та обробка металів. – 2007. – №2. – С.16-19.
11. Шаповалова О.М., Калинин А.В. Исследования качества стали 17Г1С, модифицированной титаном и алюминием // Металл и литье Украины, 2007. – №2. – С.13-15.
12. Калинин А.В., Шаповалова О.М. Структура и свойства стали 17Г1С в литом и деформированном состоянии // Вестник двигателестроения. Запорожье.: Мотор Сич, 2007. – №1. – С.131-133.
13. Шаповалова О.М., Калинин А.В., Маркова И.А., Ивченко Т.И. Влияние термической обработки на механические свойства модифицированных кремниймарганцовистых сталей // Сб. научн. тр. “Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов”. – Харьков.: ХФТИ, 2007. – том 1. – С.18-21.
14. Декл. Пат. 5321 України, МКВ С22 С35 00. Комплексна добавка для обробки сталей. Шаповалова О.М., Шаповалов О.В., Калінін О.В.; заявник і патентовласник Дніпропетровський національний університет. – №2004010031; заявл. 08.01.04; опубл. 15.03.05. Бюл. №3.
Додаткові наукові результати викладені в публікаціях:
15. Калинин А.В., Шаповалова О.М. Классификация современных модификаторов и их применение для обработки сплавов разного назначения // Зб. наук. праць III Міжнар. молодіжної науково-практ. конф. "Людина і космос". – Дніпропетровськ: НКАУ, 2001. – С.235.
16. Калинин А.В., Шаповалова О.М. Изучение влияния неметаллических компонентов на ударную вязкость стали 17Г1С методом парной и групповой корреляции // Зб. наук. праць IV Міжнар. молодіжної науково-практ. конф. "Людина і космос". – Дніпропетровськ: НКАУ, 2002. – С.254.
Анотація
Калінін О.В. Підвищення механічних властивостей кремніймарганцевистих сталей 17Г1С, 17ГС і 16ГС обробкою комплексними модифікаторами.
