Пути повышения механических свойств высокомарганцовистой стали 110Г13Л

Машины и агрегаты работающие при переработке горных пород, руды, производства цемента и т.д. должны оснащаться деталями, имеющими повышенную абразивную и ударно-абразивную износостойкость. Идеально отвечает этим требованиям высокомарганцовистая сталь «Гадфильда» аустенитного класса, с содержанием марганца от 9 до 14%.

В этой стали, в процессе работы, поверхностные слои подвергаются наклепу и твердость резко увеличивается, в то время, как сердцевина остается мягкой. Исследованию этого механизма упрочнения посвящено много работ. Однако, многие явления, происходящие в процессе эксплуатации стали до сих пор до конца необъяснимы и требуют дополнительных исследований.

Изменяя стабильность аустенита можно в широких пределах регулировать фазовый состав, развитие мартенситных превращений при деформации и, соответственно, механические свойства. В том случае, когда необходимы повышенные прочностные свойства, состав марганцовистой стали следует выбирать так, чтобы основное развитие γ→α превращение получило при охлаждении и, частично, могло реализоваться при деформации. При необходимости получения высокой пластичности следует ориентироваться на постепенное развитие мартенситных превращений при пластических деформациях [1].

На базе уже разработанной, ГОСТовской марки стали 110Г13Л создают новые износостойкие стали, а также улучшают ее эксплуатационные свойства.

Свойства аустенитных сталей при легировании изменяются как в следствие влияния элементов на свойства собственно твердого раствора аустенита, так и в следствие стабилизации аустенита. В зависимости от того, какие элементы и в каком количестве входят в состав стали определяется стабильность аустенита и свойства самой высокомарганцовистой стали.

Промышленные исследования и анализ многих деталей из высокомарганцовистой стали показывают, что наиболее интенсивный износ происходит в начальный период работы. Повышение прочностных свойств позволяет снизить износ в начальный период, что достигается за счет легирования и микролегирования. В качестве легирующих элементов широко используется хром, титан и др [2].

Существенное влияние на свойства высокомарганцовистой стали оказывает содержание кислорода и водорода [3]. Увеличение их содержания приводит к уменьшению показателей всего комплекса механических характеристик и износостойкости. Повышенное содержание водорода приводит к повышению хрупкости аустенита, а кислород образует неметаллические включения в виде оксидов, которые обволакивают границы зерен и ослабляют межзеренные связи.

Исследуя влияние неметаллических включений на разрушение высокомарганцовистой стали установлено, что на уровень механических свойств этой стали, главным образом оказывает влияние характер расположения неметаллических включений, а затем их количество.

Наиболее желательной формой включений являются мелкие включения округлой формы, расположенные внутри зерен. В случае расположения мелкодисперсных включений только в основе зерна может привести к повышению движущихся дислокаций, за счет искажения решетки аустенита. Тогда взаимодействие движущихся дислокаций с дисперсными неметаллическим включениями приводит к более интенсивному упрочнению стали, за счет увеличения плотности дислокаций.

Изменение формы неметаллических включений может быть достигнуто введением малых добавок модификаторов.

В последнее время, при выплавке стали нашли широкое применение барий-стронций- кальциевые модификаторы. По механизму воздействия эти элементы обладают одновременно эффектом раскисления, рафинирования и модифицирования. Барий и кальций не растворимы, ни в γ, ни в α железе, и не способствуют их упрочнению. В основном, положительные действия этих элементов на структуру связывают с уменьшением содержания газов и изменения морфологии неметаллических включений. Стронций является активным раскислителем, связывает серу и фосфор, а также, растворяясь в γ твердом растворе легирует его и упрочняет.

С целью повышения эксплуатационных характеристик стали 110Г13Л в работе проводились исследования влияния модифицирования и микролегирования на ее структуру и механические свойства.

Совокупность этих методов внепечной обработки позволяет существенно повысить чистоту металла и  эффективно подготовить металлургический расплав к кристаллизации.

На первом этапе отрабатывали технологию модифицирования стали ЩЗМ-содержащим модификатором L-cast (ТУ 1717-005-75073896-2013).

Отладку технологии модифицирования проводили в лабораторных условиях, моделируя процесс плавки методом переплава.

Выплавку металла проводили в индукционной печи емкостью 50 кг. Тигель набивали основной футеровкой.

В качестве шихтовых материалов использовали лом углеродистой конструкционной стали, лом марганцовистой стали, ферромарганец и металлический марганец. Для раскисления применяли алюминий, для науглераживания – графит молотый. В качестве шлакообразующих применяли молотую известь и плавиковый шпат.

Плавку металл проводили следующим образом: на дно тигля загружали лом стали 110Г13Л, присыпали известью. Плавку вели на полной мощности. После расплавления в шлак добавляли плавиковый шпат и температуру металла доводили до 14800С. Затем проводили диффузионное раскисление стали в течении 15 минут, путем подачи на шлак раскислительной смеси на основе кремния и графита, при этом тщательно перемешивали металл. Доводку стали по содержанию марганца осуществляли за 20 минут до слива металлическим марганцем. После ввода металлического марганца проводили раскисление расплава ферросилицием.

Модифицирование осуществляли в два приема: первую добавку модификатора L-cast в количестве 0,35% вводили в печь за 15 минут до слива металла, а вторую добавку в количестве 0,35% вводили в ковш под струю металла при его заполнении.

Температура заливки в форму составляла 1440-14500С. Для контроля структуры заливали стандартные пробы, из которых изготавливались образцы. Химический состав выплавленной стали приведен в табл. 1

Таблица 1

Анализировали структуру металла модифицированного добавками L-cast и не модифицированного.

Параллельно исследовали процесс кристаллизации сплава путем снятия кривых охлаждений, для чего использовали универсальную микропроцессорную систему для термического анализа металлов и сплавов (рис.1).

Эффективность воздействия модификаторов на кристаллизацию определяли величиной переохлаждения и скорости кристаллизации расплава.

При проведении термического анализа фиксировалась температура охлажления сплава каждые 2 секунды, затем строилась кривая охлаждения, по которой, затем, определялась скорость охлаждения и скорость роста кристаллов, путем расчета первой и второй производной (рис. 2).

Результаты исследования модифицирования показали, что с увеличением добавки модификатора в ковш переохлаждение уменьшается и достигает минимального значения (≈120) при расходе 0,3%. Дальнейшее ее увеличение не приводит к снижению переохлаждения (рис. 3).

Анализ структуры металлов в литом состоянии показал, что размер зерен аустенита после модифицирования уменьшился со второго балла до третьего. Количество карбидных включений значительно уменьшилось и они располагались вдоль границ в виде мелких включений (рис. 4).

Исследование структуры металла на электронном микроскопе с увеличением х2000 показали, что кроме карбидных включений по границам зерен в немодифицированной стали находится большое количество фосфидной эвтектики (рис. 5).

Статистический анализ дисперсности включений по размерам и объемной доле, определяемый методом металлографического анализа на анализаторе «Эпиквант» показал, что

модифицирование позволяет получить сталь более чистую по содержанию неметаллических включений (рис. 6).

При этом, включения расположены в объеме зерен, а пленочных включений на границах зерен практически нет (рис. 7).

Ударная вязкость после модифицирования увеличилась до 220 Дж/см2, по сравнению со 160 Дж/см2 (рис. 8).

Таким образом, проведенная работа показала, что модифицирующая обработка расплава стали 110Г13Л позволяет, за счет уменьшения количества неметаллических включений и их формы, повысить ее механические свойства (ударная вязкость) на 20-30%.

Однако, при работе изделий из марганцовистой стали в особо жестких условиях, к ним предъявляются более высокие требования по свойствам. Реализовать это можно за счет изменения устойчивости аустенита путем микролегирования.

С этой целью, разработана технология, позволяющая совместить модифицирующую обработку в ковше с микролегированием тугоплавкими металлами, которая была опробована во второй серии экспериментов.

Дополнительное микролегирование позволило повысить ударную вязкость до 240 Дж/см2 (рис. 8). Размер зерна остался на прежнем уровне, неметаллические включения приняли округлую форму, располагаясь внутри зерен (рис. 9).

По данной технологии на ОАО «Белоозерский энергомеханический завод» было проведено несколько плавок. Ударная вязкость находилась в пределах 210-270 Дж/см2, балл зерна 3-4.

Изготовленные конуса и зубья экскаваторов прошли промышленные испытания на карьерах Республики Беларусь. Эксплуатационная стойкость превысила стойкость серийных изделий на 10-20%.

Выводы: проведенная работа показала, что модифицирование и микролегирование стали 110Г13Л являются эффективными технологическими операциями позволяющими улучшать технологические и эксплуатационные свойства. При этом, в зависимости от условий эксплуатации изделий, необходимо подбирать состав модифицирующих и микролегирующих добавок, обеспечивающий требуемый уровень свойств.

Список литературы:

1. Филиппов М.А., Луговых В.Е., Андриановская Н.Б. Износостойкость углеродистых метастабильных аустенитных сталей при абразивном изнашивании. М и ТОМ №3 1985г.
2. Курбатов М.И., Проценко Я.П., Земко Э.И. Свойства литой и деформированной стали 110 Г 13Л М и ТОМ №5. 1984г.
3. Насиров С.М., Гусятнов С.А. Фазовый состав и распределение элементов между фазами стали 110 Г13Л после отпуска. М и ТОМ №7 1985г.

Авторы: Бестужев А.Н., Либерг И.Г., Розум В.А., Чернявский М.

Опубликовано: ИТБ "Литьё Украины", стр 17-23, №4 (224) 2019 г.