Влияние серы на свойства металла

Обновлено: 18.05.2024

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Колокольцев Валерий Михайлович, Коток Алексей Петрович, Долбилов Кирилл Александрович

Исследовано влияние серы на механические свойства литейных сталей , используемых для изготовления фасонных отливок. Показано, что содержание серы в сталях выше 0,023% приводит к резкому снижению их прочности, ударной вязкости, пластичности, что существенно уменьшает эксплуатационную стойкость отливок. Сделан вывод о необходимости внедрения новых технологий десульфурации сталей в литейном производстве.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Колокольцев Валерий Михайлович, Коток Алексей Петрович, Долбилов Кирилл Александрович

Методика определения рациональной длины поддерживающей системы узких граней непрерывнолитого сляба для предотвращения выпучивания

Определение длины лунки жидкого металла в непрерывнолитых слябах из трубной стали с использованием эффекта «Искусственного раздутия» заготовки

PROBLEM WITH SULFUR IN CAST STEEL

This article studies the effect of sulfur on the mechanical properties of cast steels used for shaped castings. It is shown that the sulfur content in steels above 0.023% leads to a sharp decrease in their strength, toughness, ductility, which significantly reduces the operational stability of castings. We made a conclusion about the need to introduce new steel desulfurization technologies in the steel foundry.

Текст научной работы на тему «Проблема серы в литейных сталях»

О способах воздействия на процесс формирования стальной непрерывнолитой заготовки

ПРОБЛЕМА СЕРЫ В ЛИТЕЙНЫХ СТАЛЯХ

Колокольцев В.М.1, Коток А.П.2, Долбилов К.А.1

1 Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, Россия

2 ЗАО «Механоремонтный комплекс» ОАО «ММК», Россия

Аннотация. Исследовано влияние серы на механические свойства литейных сталей, используемых для изготовления фасонных отливок. Показано, что содержание серы в сталях выше 0,023% приводит к резкому снижению их прочности, ударной вязкости, пластичности, что существенно уменьшает эксплуатационную стойкость отливок. Сделан вывод о необходимости внедрения новых технологий десульфурации сталей в литейном производстве.

Ключевые слова: литейная сталь, дуговая печь, сера, неметаллические включения, механические свойства.

Литейное производство в России является основной заготовительной базой машиностроительного комплекса, и его развитие зависит от темпов развития машиностроения в целом. В отличие от заготовок, полученных обработкой металлов давлением (проката, штамповок и поковок), в отливках все недостатки и особенности плавки и разливки наследуются и затем отражаются на свойствах готовых литых изделий.

Одной из главных проблем в литейных цехах остается использование старых нормативно -технических документов, в которых содержание вредных примесей в сталях не соответствует нынешним реалиям развития металлургии стального литья. В современных ГОСТах большой металлургии максимальное содержание вредных примесей в стали достигло тысячных долей процентов. Однако основная сложность заключается в том, что в литейных цехах выплавляются небольшие объемы сталей и кардинальное решение вопроса повышения качества за счет внедрения дорогостоящего оборудования, которые используются в большой металлургии (вакууматоры, агрегат печь-ковш и т.п.), практически невозможно. Использование таких агрегатов резко повышает стоимость получаемых отливок и приводит к длительным срокам окупаемости вложений.

Повышение эксплуатационных и механических свойств отливки возможно при условии успешного удаления из металла вредных примесей (кислорода, водорода, серы, фосфора, цветных металлов и т. п.). В значительной степени, качество литья определяется низким содержанием серы в готовом металле.

Согласно исследованиям [1, 2] сера неограниченно растворима в жидком железе и обладает очень малой растворимостью в твёрдом. Предельная растворимость серы в у-железе при температуре 1365°С составляет от 0,04 до 0,05% и со снижением температуры уменьшается (при переходе 5 ^у - железо в интервале температур 1365-915°С). Переход у ^ а - железо приводит к скачкообразному образованию сульфидов, снижению концентрации серы в растворе железа до 0,01%, к дальнейшему снижению её при охлаждении. Избыточная сера в металле, свыше предела растворимости, приводит к такому явлению, как красноломкость (разрушение металла). Особенно сильно это наблюдается в литом состояние (в виде рванин и трещин), так как включения сульфидов выделяются по границам первичных кристаллитов, что ведет к снижению прочности, пластичности, вязкости как самого металла, так и готовых изделий из него (отливок, слитков).

Материал и методика исследований

Исследования проводили на литейных сталях марки 35Л,35ФЛ,35ХМЛ, выплавленных в литейном цехе ЗАО «Механо-ремонтный комплекс» ОАО «ММК» в дуговой печи ДСП-6М с основной футеровкой по действующей технологии.

Свойства определяли в термически обработанном состоянии сталей по следующим режимам: Сталь 35ФЛ - нормализация (Н) 880-890°С, отпуск (О) 620-630°С; Сталь 35ХМЛ - Н. 860-880°С, О. 620-630°С,; Сталь 35Л - Н. 860-880°С, О. 600-620°С.

В программе Excel был произведен статистический анализ плавок сталей на содержание серы

Колокольцев В.М., КотокА.П, Долбилов К.А.

в металле по ходу плавки и в изложнице, а также анализ влияния серы на механические свойства стали.

Результаты исследований и их обсуждение

Из табл. 1 видно, что содержание серы как в период расплавления, так и после доводки стали и выпуска в изложницу незначительно для всех исследуемых сталей и ниже верхнего предела по ГОСТу [3].

Таблица 1 Результаты статистического анализа плавок стали в ДСП-6М

Марка стали Количество плавок Среднее содержание серы по расплавлении, % Среднее содержание серы в готовой стали, % Степень удаления серы, % Среднее время доводки, мин Скорость удаления серы во время доводки, %/мин *10-3

35Л 62 0,032 0,020 37,5 44,6 0,27

35ФЛ 54 0,030 0,020 33,3 43,2 0,23

35ХМЛ 42 0,029 0,021 27,5 45,3 0,18

На рис. 1 показано распределение исследованных марок сталей по содержанию серы в готовом металле.

0,013 0,018 0,023 0,028 0,033 Среднее содержание серы, %

Рис. 1. Распределение плавок сталей по содержанию серы

При выплавке сталей 35Л, 35ХМЛ и 35Л в дуговой электропечи наиболее часто в период расплавления концентрация серы составляет от 0,021 до 0,030% по массе. Такие значения отмечены у более 60% всего количества плавок этих сталей. На долю близких к верхнему пределу ГОСТов содержаний серы 0,040-0,050% приходится около 6%, т.е. в 10 раз меньше, чем для вышеуказанных значений. Наибольший процент плавок (более 73,0%) имеет содержание серы в готовом металле в пределах 0,016-0,025% масс.

В табл. 2-3 приведены значения механических свойств вышеуказанных сталей при различном содержании в них серы.

Ударная вязкость сталей при различном содержании серы*

Марка стали KCU, МДж/м2, при содержании серы, %

0,013 0,023 0,033 0,043

35ФЛ 0,62 0,38 0,56 0,31 0,40 0,21 0,31 0,12

35ХМЛ 0,59 0,35 0,48 0,28 0,31 0,12 0,28 0,07

35Л 0,50 0,22 0,46 0,17 0,30 0,08 0,24 0,02

* Числитель - при температуре испытания +20°С, знаменатель - при -60°С.

Прочность и относительное удлинение сталей при различном содержании серы

Марка стали ств, МПа, при содержании серы, % б, %, при содержании серы, %

0,013 0,023 0,033 0,043 0,013 0,023 0,033 0,043

35ФЛ 650 635 610 605 21 20 15 10

35ХМЛ 670 655 630 630 18 16 12 10

35Л 580 570 520 500 23 21 16 14

При этом было установлено, что резкое падение всех свойств сталей, особенно вязкости и пластичности, происходит при содержании серы более 0,023%. В частности, для большинства сталей при увеличении содержания серы с 0,013 до 0,043% ударная вязкость при нормальной температуре испытания падает почти в 2 раза, а при температуре -60°С - больше чем в 3 раза. Влияние серы на ударную вязкость при температуре +20°С показанно на рис. 2.

Рис. 2. Влияние содержания серы на ударную вязкость стали при тмпературе +2о°С

Такое влияние обусловлено тем, что в металле по границам зерен первичных кристаллов образуются сульфидные и оксисульфидные неметаллические включения, которые уменьшают их спайность и тем самым обеспечивают снижение

показателей пластичности и вязкости литого металла. Поэтому чем выше концентрация серы в металле, тем в большей степени он загрязнен неметаллическими включениями и тем ниже будут показатели ударной вязкости.

Проведенный анализ указывает на необходимость и целесообразность разработки технологий модифицирования и рафинирования расплавов стали с целью получения стабильно низких концентраций серы для обеспечения высоких свойств отливок. Также необходимо внести изменения в стандарты на изготовление стальных отливок по

содержанию серы в сталях. Существующие стандарты допускают содержание серы до 0,05% при основном процессе плавки и до 0,06% - при кислом [2]. В то же время зарубежные стандарты, например ASTM, DIN и др., предусматривают содержание серы не более 0, 03%.

1. Лунёв В.В., Аверин В.В. Сера и фосфор в стали. М.: Металлургия, 1988. 256 с.

2. Шульте Ю.А. Электрометаллургия стального литья. М.: Металлургия, 1970. 328 с.

3. ГОСТ 977-88. Отливки стальные. Общие технические условия. М.: Изд-во стандартов, 1989. 56 с.

INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH

PROBLEM WITH SULFUR IN CAST STEEL

Kotok Alexey Petrovich - Ph.D. (Eng.), Chief Engineer of CJSC Mechanical repair complex, OJSC MMK, Russia.

Dolbilov Kirill Alexandrovich - Postgraduate Student, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Russia.

Abstract. This article studies the effect of sulfur on the mechanical properties of cast steels used for shaped castings. It is shown that the sulfur content in steels above 0.023% leads to a sharp decrease in their strength, toughness, ductility, which significantly reduces the operational stability of castings. We made a conclusion about the need to introduce new steel desulfurization technologies in the steel foundry. Keywords: cast steel, electric arc furnace, sulfur,

nonmetallic inclusions, mechanical properties.

1. Lunev V.V., Averin V.V. Sera i fosfor v stali [Sulfur and phosphorus in steel]. Moscow: Metallurgy, 1988, 256 p.

2. Shulte Yu.A. Ehlektrometallurgiya stal'nogo lit'ya [Electrometallurgy of steel casting]. Moscow: Metallurgy, 1970, 328 p.

3. GOST 977-88. Steel castings. General specifications. Moscow: 1989, 56 p.

Шевченко Е.А.1, Столяров A.M.1, Шаповалов А.Н.2

2 Новотроицкого филиала НИТУ «МИСиС», Россия

Аннотация. Разработана методика определения рациональной длины поддерживающей системы из роликов, расположенной на раме кристаллизатора, узких граней непрерывнолитого сляба. В ней предлагается производить проверку соотношения между внутренним распирающим давлением жидкого металла и условным пределом текучести затвердевшего металла корочки заготовки.

Ключевые слова: непрерывнолитой сляб, узкие грани, выпучивание, методика, кристаллизатор, роликовая система, рациональная длина.

Влияние серы на свойства стали, возможности десульфурации и поведение серы в условиях окислительной плавки

Сера имеет неограниченную растворимость в жидком железе и ог­раниченную – в твердом железе. При кристаллизации стали по грани­цам зерен выделяются сульфиды железа, которые могут образовать легкоплавкую эвтектику с железом, вызывающую явление краснолом­кости при нагревании слитков перед прокаткой или ковкой. Красно­ломкость проявляется сильнее в литой стали в виде трещин или рва­нин, потому что сульфиды и оксисульфиды скапливаются по границам первичных зерен.

В процессе горячей деформации (прокатки, ковки) сульфидные включения легко деформируются и вытягиваются в строчки по на­правлению деформации. Строчечные сульфидные включения наруша­ют сплошность структуры металла, и, если нагрузка на готовое изде­лие направлена поперек оси деформации (перпендикулярно сульфид­ным строчкам), металлическая матрица разрушается по границе разде­ла с сульфидами; в результате снижается пластичность стали в попе­речных образцах. В случае испытания образцов металла при низких температурах сульфиды резко снижают пластичность и повышают по­рог хладноломкости. В частности, низкое содержание серы (и соответ­ственно малое количество сульфидов) очень важно иметь в стали, применяемой при производстве труб большого диаметра для газопро­водов, прокладываемых по Крайнему Северу ([S]

В то же время большое количество конструкционных сталей ис­пользуется для изготовления изделий, у которых основные нагрузки – в направлении вдоль оси прокатки. В таком случае особо низкого со­держания серы в металле не требуется, так как сера оказывает благо­приятное влияние на обрабатываемость стали на металлорежущих станках (сера увеличивает хрупкость стружки и не дает возможности образования так называемой витой стружки). Поэтому в большинстве марок электростали допустимый верхний предел содержания серы со­ставляет 0,035 % и лишь в высококачественных сталях он не должен превышать 0,020 %. Более низкое содержание серы в стали обычно оговаривается техническими условиями на поставку конкретной марки стали.

Сера попадает в металлический расплав с шихтовыми материалами. Передельный чугун содержит от 0,025 до 0,070 % серы, в чугунном ломе ее примерно столько же, в ломе углеродистых сталей – 0,030…0,050% серы. Кокс, применяемый для науглероживания рас­плава, содержит до 2 % серы. Некоторое количество серы может пе­рейти в металл из мазута, если мазут используется в топливокислород­ных горелках. Обычно содержание серы в металле после расплавления выше допустимого для готовой стали, поэтому в процессе плавки и внепечной обработки требуется удалить из металла избыточное коли­чество серы (осуществить десульфурацию металла).

Суть процесса десульфурации металла заключается в переводе се­ры из металла в десульфурирующую фазу (чаще всего это шлак). На скорость и степень («глубину») десульфурации металла влияют: актив­ность серы в металле и шлаке, наличие поверхностно-активных приме­сей на поверхности раздела металл-десульфурирующая фаза, величина поверхности контакта металл-шлак, состав и свойства шлака (прежде всего основность, окисленность и вязкость), а также, особо подчер­киваем, количество шлака или другой десульфурирующей фазы.

Активность серы в жидкой стали повышают углерод, кремний, алюминий. Поэтому в полном металлургическом цикле (интегриро­ванные заводы) выгоднее удалять серу из чугуна (в доменной печи или в чугуновозных ковшах, миксерах и т.д.), а при выплавке сталей с повышенным содержанием углерода, кремния и алюминия удается полу­чать металл с более низким содержанием серы. Активность серы в шлаке определяется прежде всего основностью шлака.

Сера является поверхностно-активным элементом, ее концентрация на поверхности раздела фаз существенно выше, чем в объеме металла. Поэтому при проведении десульфурации металла необходимо доби­ваться увеличения поверхности контакта металла с десульфурирую­щей фазой (перемешивание металла со шлаком, вдувание в расплав порошков шлакообразующих компонентов и т,п.). Если в металличе­ском расплаве имеется несколько поверхностно-активных элементов, то поступление серы на поверхность раздела фаз затруднено. Кисло­род, присутствующий в металле, также является поверхностно­активным элементом, поэтому в окислительных условиях поверхность контакта металл-шлак занята кислородом и десульфурация металла усложняется. При небольших концентрациях кислорода в металле (меньше 0,01 %) адсорбция серы больше, чем адсорбация кислорода, степень удаления серы из металла резко увеличивается.

Самый простой и дешевый способ десульфурации стали – десуль­фурация основным шлаком. Переход серы из металла в шлак может быть описан следующими схемами:

[FeS] + (CaO) = (CaS) + (FeO) – при записи в молекулярной форме;

[S] + О 2- = S 2- + [О] – при записи в ионной форме.

Вторая схема объясняет взаимосвязь процессов раскисления ме­талла и удаления из него серы. Исходя из этих схем для условий ме­таллургической практики можно утверждать, что, чем выше актив­ность СаО в шлаке и ниже активность FeO и серы в нем, тем выше десульфурирующая способность такого шлака; лучшему переходу се­ры из металла в шлак способствует меньшее содержание кислорода в металле (меньшая окисленность металла). Степень использования десульфурирующей способности шлака обычно характеризуют величи­ной полученного в процессе десульфурации коэффициента распреде­ления серы между шлаком и металлом ϒs = (S) / [S], равной отноше­нию концентраций серы в шлаке и металле. Сравнивая его с так назы­ваемым «равновесным» коэффициентом распределения, определенным для подобных шлаков в лабораторных условиях для случая равновесия между шлаком и металлом, можно судить о глубине десульфурации.

Многочисленные исследования, проведенные в промышленных и лабораторных условиях, подтвердили влияние основности и окисленности шлака на величину полученного коэффициента распределения серы (рис. 3.2).

Условия окислительного периода плавки (высокая окисленность шла­ка и металла) не способствуют проведению глубокой десульфурации металла, поэтому в большинстве случаев электрометаллурги стараются удалить основную часть серы при наличии раскисленного металла и шлака: при использовании классической технологии и ее более позд­них модификаций в восстановительный период плавки и во время вы­пуска металла вместе со шлаком; при использовании современной тех­нологии путем внепечной обработки на установках типа ковш-печь, путем продувки твердыми десульфурирующими реагентами и т.д. Учитывая довольное высокое содержание серы в шихте, по нашему мнению, не следует отвергать возможность частичной десульфурации металла в окислительных условиях в конце плавления и в окислительный период плавки (кратность шлака 0,05…0,07), особенно в современ­ных печах, использующих вспененные постоянно обновляющиеся шла­ки, обеспечивающие довольно большую величину удельной поверхно­сти контакта шлак-металл. Наши данные (рис. 3.3) свидетельст­вуют о возможности получения заметных значений коэффициента рас­пределения серы в окислительный период плавки в 100-тонной печи, особенно при повышении основности шлака, и соответственно о воз­можности удаления в это время до 20 % серы, содержащейся в шихте.

Кроме того, видно (рис. 3.4), что десульфурирующая способность шлаков окислительного периода полностью не использовалась и фак­тическая концентрация серы в металле в конце окислительного перио­да превышала равновесную со шлаком (рассчитанную по формуле Морозова). Причины этого – небольшая длительность окислительного периода и повышенная окисленность металла.

Железные руды, топливо, флюсы содержат какое-то количество фосфора, которое в процессе производства чугуна остается в нем в той или иной степени и затем переходит в сталь. Фосфор хорошо растворяется в феррите и аустените, а при высоком содержании образует фосфид Fe3Р (15,62 % Р). Растворяясь в феррите, фосфор искажает кристаллическую решетку и увеличивает пределы прочности и текучести стали, сильно уменьшает пластичность и вязкость; каждые 0,01 % Р повышают порог хладноломкости на 20…25 0С. Фосфор является вредной примесью в сталях.

Полезные и специальные примеси в стали

В стали встречаются вредные и полезные примеси. Сначала остановимся на полезных, к которым относят марганец и кремний:

• Марганец – это химический элемент, благодаря которому возрастает прокаливаемость стали и снижается влияние серы, оказывающей вредное воздействие на металл.
• Кремний – примесь данного элемента помогает раскислить сталь и, как следствие, повысить ее прочность. Его специально добавляют в металл в ходе его выплавки.

Углеродистая сталь содержит примесь кремния не более 0,35–0,4 % и марганец в количестве 0,5–0,8 %. Переход марганца и кремния в сталь происходит во время раскисления в ходе выплавки. Эти химические элементы соединяются с кислородом закиси железа FеO, а затем, превращаясь в окислы, переходят в шлак, то есть, иначе говоря, раскисляют сталь.

Данный процесс оказывает благоприятное воздействие на свойства стали. За счет дегазации металла кремнием увеличивается ее плотность. Часть химического элемента остается в феррите (твердом растворе) уже после раскисления, что приводит к значительному возрастанию предела текучести. При этом способность к холодной высадке и вытяжке у стали снижается.

Рекомендовано к прочтению

• Резка меди лазером: преимущества и недостатки технологии
• Виды резки металла: промышленное применение
• Металлообработка по чертежам: удобно и выгодно

По этой причине производители снижают количество кремния в сталях, изготавливаемых для холодной штамповки и высадки. Прочность металла значительно повышается благодаря примеси марганца. Последний сильно уменьшает красноломкость стали, оставляя пластичность практически неизменной. Таким образом, резко падает хрупкость стали при воздействии высокой температуры, которая возникала из-за присутствия серы.

Для получения сталей, имеющих определенные свойства, в металл добавляют специальные примеси. Они носят название легирующих элементов. Стали же именуют легированными.

Остановимся подробно на назначении некоторых элементов:

• Алюминий – его примесь помогает повысить окалино- и жаростойкость стали.
• Медь – увеличивает стойкость стали к коррозии.
• Хром – повышает прочность, твердость сталей, увеличивает стойкость к коррозии, при этом пластичность падает незначительно. Нержавеющей сталь делает большое содержание хрома.
• Никель – повышает пластичность, прочность, делает сталь стойкой к коррозии.
• Вольфрам – при добавлении в сталь создает корбиды (химические соединения повышенной твердости). Они значительно повышают красностойкость и твердость. Под воздействием вольфрама сталь перестает расширяться в процессе нагревания, а хрупкость при отпуске уходит.
• Ванадий – способствует возрастанию плотности, прочности и твердости стали. Он признается прекрасным раскислителем.
• Кобальт – под его воздействием увеличивается жаропрочность, стойкость к ударным нагрузкам, возрастают магнитные свойства.
• Молибден – улучшается сопротивляемость стали к окислению в ходе воздействия на нее высоких температур, возрастает упругость, красностойкость, увеличивается стойкость к коррозии, повышается предел прочности к растяжению.
• Титан – являясь прекрасным раскислителем, он повышает стойкость к коррозии, увеличивает плотность и прочность металла, делает лучше его обрабатываемость.
• Церий – способствует возрастанию пластичности и прочности стали.
• Цирконий (Ц) – воздействует на зернистость стали, давая возможность изготовить металл с установленным размером зерна, делает его мельче.
• Лантан, неодим и цезий – уменьшают пористость стали, сокращают количество серы, делают качество поверхности лучше, а зерно мельче.

Как и фосфор, сера попадает в металл из руд, а также из печных газов — продукт горения топлива (SO2). Сера весьма ограниченно растворима в феррите, и практически любое ее количество образует с железом сернистое соединение — сульфид железа FeS, который входит в состав эвтектики, имеющей температуру плавления 988 0С. Она располагается преимущественно по границам зерен. При нагреве стали до температуры прокатки, ковки (1000…1200 0С) эвтектика расплавляется, нарушая связь между зернами. В процессе деформации в этих местах образуются надрывы и трещины. Это явление носит название красноломкости. Введение марганца в сталь уменьшает вредное влияние серы, так как при введении его в жидкую сталь идет образование сульфида марганца, имеющего температуру плавления

FeS + Mn -> MnS + Fe.

Частицы MnS располагаются в виде отдельных включений и при деформации вытягиваются в строчки вдоль прокатки.

Сернистые соединения сильно снижают механические свойства стали при статическом и циклическом нагружении, особенно вязкость, пластичность, предел выносливости. Сера является вредной примесью в сталях.

Влияние легирующих элементов на свариваемость сталей

Влияние легирующих элементов на свариваемость сталей часто имеет решающее значение. Конечно, на свариваемость сталей влияет и толщина свариваемых металлов и вид сварки и температура окружающей среды и чёткое соблюдение технологии сварки.

Даже плохо свариваемые стали можно успехом сваривать, если обеспечить нужную интенсивность нагрева, и охлаждения. А также, провести термообработку до и после сварки. И, наоборот, стали, сваривающиеся без ограничений, можно сварить с множеством дефектов в сварном шве.

Но, хотя факторов, влияющих на свариваемость сталей несколько, именно химический состав стали играет главную роль. Потому что и технология сварки и применяемый вид сварки зависят, в большинстве случаев, от химического состава свариваемой стали.

Улучшение качества стали

Для удаления из жидкой стали растворенных в ней газов и неметаллических включений применяют ее вакуумную обработку. Для этого ковш с жидкой сталью помещают в герметически закрытую камеру, где создается разряжение 267…667 Па (2…5 мм рт. ст.). Бурно выделяющиеся газы увлекают с собой и выносят из металла неметаллические включения. В течение 10…15 минут количество растворенных газов уменьшается в 3…5 раз, количество неметаллических включений- в 2…3 раза.

Для защиты металла от окисления разливку стали ведут в инертной атмосфере, например, аргона, под слоем синтетического шлака. Для получения сталей особо высокого качества применяют электрошлаковый переплав (ЭШП), плазменнодуговой переплав, электроннолучевой переплав, электродуговой вакуумный переплав. Металл хорошо очищается (рафинируется) от газов и неметаллических включений обработкой шлаком и направленной кристаллизацией жидкого расплава, созданием глубокого вакуума.

Классификация углеродистых сталей > Дальше >

Оптико-эмиссионный спектральный анализ C, S, P.

Оптико-эмиссионные спектрометры — универсальные приборы, которые способны решать широкий круг аналитических задач. В основу их работы лежат принципы атомно-эмиссионного спектрального анализа элементного состава вещества:

• спектр возбужденных атомов и ионов индивидуален для каждого элемента;
• интенсивность спектральной линии находится в зависимости от концентрации элемента в исследуемой пробе.

Эмиссионные спектральные приборы находят широкое применение в металлургии, что обусловлено следующими преимуществами метода:

• Возможность исследования проб в различном агрегатном состоянии.
• Анализ носит неразрушающий характер.
• Количество исследуемых элементов практически не ограничено. В их число входят углерод, сера и фосфор, которые представляют особый интерес для металлургов.
• Для проведения исследования в качестве пробы достаточно малого количества вещества.
• Высокая чувствительность и точность.
• Экспрессность.
• Возможность проведения сертификационного анализа.

Для анализа углерода, серы и фосфора с использованием эмиссионных спектрометров должны быть созданы в приборе определенные условия, а именно: бескислородная атмосфера. В противном случае определить элементы, длина волны которых короче 185 нм, не представляется возможным. В настоящее время удаление кислорода в приборе осуществляется двумя способами:

• путем прокачки инертным газом;
• вакуумированием.

Каждая из систем декислородизации имеет определенные особенности эксплуатации и обслуживания, поэтому при выборе прибора для анализа углерода, серы и фосфора следует учитывать их преимущества и недостатки. Это позволит подобрать спектрометр, который оптимально соответствует аналитической задаче, требованиям к точности результатов исследований и имеет удовлетворительные экономические показатели.

Оптико-эмиссионные приборы, предусматривающие прокачку инертным газом

В спектральных приборах для декислородизации используют чаще всего аргон. Для удаления кислорода предусматривается одна из следующих систем:

• Открытая. В результате продувки происходит вытеснение кислорода, а инертный газ удаляется из прибора в окружающую атмосферу.
• Замкнутая. При прохождении инертного газа происходит захват кислорода, который в дальнейшем очищается с помощью фильтра. Газ продолжает движение по замкнутой системе, давление в которой обеспечивает насос.

Приборы с открытой системой декислородизации отличаются простотой конструкции и меньшей стоимостью. Однако в этом случае степень очистки находится на низком уровне, а аргон расходуется безвозвратно. Применение подобных спектрометров целесообразно при пониженных требованиях к аналитическим характеристикам, как со стороны потребителя, так и со стороны производителя.

Конструкция приборов с замкнутой системой декислодизации усложняется, так как для обеспечения функциональности необходимы дополнительные компоненты и их обслуживание:

• Насос с блоком питания.
• Баллон с газом для компенсации потерь.
• Дополнительный фильтрующий элемент.

Каждый из этих компонентов прибора требует обслуживания, а расходные материалы — замены, что связано с дополнительными расходами. Кроме этого, в результате непрофессиональных действий обслуживающего персонала возникает риск завоздушить систему при замене фильтра. Ликвидация последствий этого требует не только с дополнительных материальных затрат, но и времени.

Оптико-эмиссионные приборы с системой вакуумирования

Система вакуумирования позволяет получить низкую остаточную концентрацию кислорода, которая во много раз ниже, чем в открытой системе декислородизации, и сопоставима с лучшими результатами, полученными в замкнутых. Следует отметить, что при этом нет необходимости использования инертного газа.

Такая система удаления кислорода применяется в наиболее совершенных спектральных приборах. В них установлен масляный насос, который дополняется специальными ловушками для масла. Кроме этого, предусмотрен клапан, который при аварийном отключении электропитания, не допускает повреждения спектрометра маслом в результате его проникновения в вакуумную магистраль.

Двухступенчатые масляные форвакуумные насосы — наиболее предпочтительное оборудование по сравнению безмасляными мембранными моделями. Они имеют сопоставимую стоимость, но при этом в десятки раз превосходят последние по степени удаления кислорода, а также обладают значительным ресурсом и намного проще в обслуживании.

Универсальные настольные и стационарные спектрометры Искролайн 100/300 — отличные образцы приборов, в которых для удаление кислорода реализована система вакуумирования. Они способны определять более 70 элементов, в число которых входят углерод, сера и фосфор, с пределом детектирования до 0,0001% Приборы позволяют быстро и точно проводить спектральный анализ сталей, и отличаются высоким спектральным разрешением, высокой сходимостью результатов измерений и высоким качеством изготовления.

Влияние серы на свойства металла

Включения серы в сталях можно увидеть.

Сера, как и фосфор, является вредной примесью, попадая в сталь в процессе выплавки (из руды и при сгорании органического топлива). Обычно содержание серы в высококачественной стали ограничено и не превышает 0,02—0,03%. В углеродистой стали обычного качества - не более 0,03—0,04%. При обработке жидкого металла синтетическими шлаками содержание серы можно снизить до 0,005%.
Наличие сульфидов недопустимо для ответственных деталей.
Сера нерастворима в железе, и любое ее количество образует с железом соединение под названием сульфид железа (FeS), который входит в состав эвтектики состава Fe + FeS, образующейся при 988 ºС (рис.1).

Рисунок 1. Фрагмент диаграммы состояния железо-сера.

Обычно сернистая эвтектика, присутствующая в небольшом количестве, коалесцирует, т.е. феррит эвтектики объединяется с ферритом основной массы металла, а соединение FeS располагается по границам зерен в виде цепочки отдельных включений (рис.2,а) или более крупными включениями в виде оторочки по границам зерен (рис.2,б; 3). Такая форма включений серы является особенно вредной, так как при горячей обработке давлением получаются надрывы и трещины. Ну а если вспомнить, что эвтектика имеет наименьшую температуру плавления среди фаз данного сплава, то ясно, что в процессе нагрева стали вокруг оторочек сернистого железа, начиная с температуры 988 ºС, происходит оплавление (т.е. образование расплава в соответствии с диаграммой состояния Fe-S). Поэтому при 800 ºС и выше, т.е. при температуре красного каления, сталь становится хрупкой. О калении на этом сайте сказано в статье «Каленый и закаленный – в чем разница?». Хрупкость стали при температуре красного каления носит название «красноломкость». Поэтому сталь с повышенным содержанием серы не поддается горячей обработке давлением.

а	б

Рисунок 2. Сульфиды железа в стали 45.

Рисунок 3. Сульфидные включения различной формы в стали 45.

Отдельные обособленные крупные включения сернистого железа (рис.4) уже менее вредны.

а	б

Рисунок 4. Обособленные включения сульфида железа: нетравленный образец, б – после травления.

Протяженные включения сульфидов железа можно видеть в исходно деформированной стали как в состоянии поставки (нормализация), так и после закалки и отпуска (рис. 5).

а	б

Рис. 5. Протяженные включения сульфидов железа в нормализованной (а) и в закаленной и отпущенной (б) стали 45

Введение марганца в сталь уменьшает вредное влияние серы, так как при введении его в жидкую сталь протекает реакция образования сульфида марганца:

FeS + Mn  MnS + Fe.

Сульфид марганца плавится при 1620 ºС, т.е. при температурах более высоких, чем температура горячей обработки. Сульфид марганца нерастворим также в жидком металле, поэтому невозможно образование легкоплавкой эвтектики с фазой сульфид марганца. Поэтому присутствие сульфида марганца в стали допустимо.
Включения сульфида марганца в сталях, как правило, наблюдаются хорошо. В отсутствие травления (рис.6,а) они имеют вид темных включений. В светлопольном освещении после травления включения светлые (рис.6,б). На том же участке структуры в темном поле (рис.6,в) включения выглядят темными. Здесь употреблен термин «прицельная металлография». Это означает, что один и тот же участок структуры фотографируют, например, до и после травления, чтобы показать особенности структуры. Или до и после какой-нибудь обработки, чтобы заметить изменения в структуре.

а	б
в

Рисунок 6. Структура стали 1.2312 HASCO (обозначение по DIN 40CrMnMoS86): а – нетравленый шлиф; б – после травления, светлое поле; в – после травления, темное поле; прицельная металлография.

При температурах горячей обработки (800—1200 ºС) сульфид марганца пластичен и под действием внешних сил вытягивается в направлении деформации в виде продолговатых включений (рис.6, а) или цепочек по границам зерна (рис.6, б). Встречаются отдельные крупные включения (рис. 7,а) или в виде сплошной окантовки вокруг зерна (рис. 7,б).

а	б

Рисунок 6. Крупные (а) и строчечные (б) включения сульфида марганца в структуре стали 1.2312 HASCO.

а	б

Рисунок 7. Включения сульфида марганца в стали 1.2312 HASCO; без травления.

Сульфиды железа можно наблюдать и в чугуне. Здесь показаны круглые (принято говорить «глобулярные») включения сульфидов в сером феррито-перлитном чугуне на фоне фосфидной эвтектики (рис.8), а также в зернах перлита и феррита (рис.9).

Рисунок 8. Сульфиды в сером чугуне на фоне фосфидной эвтектики.

Влияние серы, кальция, алюминия на пластические свойства металла Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Вдовин К. Н., Феоктистов Н. А.

Текст научной работы на тему «Влияние серы, кальция, алюминия на пластические свойства металла»

ского расширения сплава в закристаллизованном состоянии и позволяют ему выдержать большие температурные перепады.

Таким образом, кристаллизация отливки из стеклообразного состояния не всегда приводит к повышению эксплуатационных свойств, что видно из результатов экспериментов. Такая термообработка существенно повлияла только на износостойкость, остальные свойства остались на том же уровне. Поэтому кристаллизация «снизу» целесообразна при получении износостойких отливок. В других более выгодно провести кристаллизацию в форме.

1. Чернов В.П., Карпов В.М. Основы получения отливок из оксидных расплавов: монография. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008. 262 с.

2. Абразивная износостойкость литых сталей и чугунов / В.М. Колокольцев, В.В. Бахметьев, К.Н. Вдовин и др. М.: Наука, 1997. 148 с.

3. Новые неметаллические материалы для износостойких деталей / В.М. Колокольцев, В.П. Чернов, В.А. Куц, А.П. Коток // Прогрессивные технологии в машиностроении: материалы ме-ждунар. науч.-техн. конф. Одесса, 2000. С. 46 - 47.

К.Н. Вдовин, Н.А. Феоктистов

ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

ВЛИЯНИЕ СЕРЫ, КАЛЬЦИЯ, АЛЮМИНИЯ НА ПЛАСТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛА

В настоящее время в ОАО «ММК» производится свыше одного миллиона тонн стали ежегодно. Результатом таких объёмов производства является большое количество отходов, получаемых в процессе сталеварения. Одним из типов отходов является шлак,

© Вдовин К.Н., Феоктистов Н.А., 2010

который транспортируется от плавильных агрегатов к отвалам при помощи шлаковых чаш.

Стойкость шлаковых чаш имеет практический интерес для электросталеплавильного, кислородно-конвертерного и доменного цехов ОАО «ММК». Наибольшей стойкостью обладают чаши, для которых характерны повышенные значения ударной вязкости и предела текучести металла, из которого они изготавливаются [1].

На ударную вязкость и предел текучести оказывают влияние такие факторы, как содержание серы в готовом металле, наличие неметаллических включений, их дисперсность и количество, присутствие легирующих элементов в металле и др.

Сера оказывает отрицательное влияние на данные свойства. Негативное влияние серы проявляется в том, что она практически не растворяется в у^е. При этом образуется FeS, входящий в эвтектику у + FeS. Эвтектика в процессе кристаллизации стали располагается по границам зёрен и при наличии напряжений способствует межзёренному разрушению, а также снижению ударной вязкости и предела текучести.

Для определения влияния серы на механические свойства был проведён анализ 100 плавок стали 25Л, из которой заливались чаши. Из этого массива были выбраны наиболее близкие по химическому составу плавки. Во всех случаях содержание углерода по расплавлению было 0,95±0,06, серы 0,022±0,002, кремния 0,07±0,04, марганца 0,26±0,07. Содержание других элементов по расплавлению и в ковше было приблизительно на одном уровне. Далее была рассчитана величина изменения серы в процессе плавки (ДS, %) и построена зависимость влияния степени десуль-фурации на предел текучести и ударную вязкость (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость предела текучести от степени десульфурации

Из представленной зависимости видно, что увеличение степени удаления серы из металла способствует повышению механических свойств. Аналогичная зависимость характерна для ударной вязкости.

Одним из способов десульфурации жидкого металла является обработка его материалами с высоким сродством к сере (Мп, Са). Общеизвестно, что марганец активно взаимодействует с серой, но из-за высокого значения энергии Гиббса при температурах сталеварения образование MnS происходит в заметной степени лишь в процессе затвердевания стали. В начальный момент обработки металла кальцийсодержащими материалами возможны две реакции: между кальцием и кислородом, а также между кальцием и серой. В интервале температур 1500-17000С значение энергии Гиббса СаО в несколько раз меньше, чем у СаS [2]. Поэтому кальций в первую очередь расходуется на связывание кислорода, а лишь затем серы.

Таким образом, для более глубокой десульфурации стали кальцийсодержащими материалами необходимо изначально связать кислород, растворённый в металле. Часто для раскисления стали используется алюминий. Следовательно, степень десульфурации и соответственно величина пластических свойств зависит от алюминия, содержащегося в металле. По мнению Ю.А. Шульте [2], оптимальное значение пластичности стали соответствует содержанию в ней общего алюминия 0,03-0,06%, что хорошо сочетается с зависимостями, представленными на рис. 2, 3.

и 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08

к2 0,6842 Содержание А1, %

Рис. 2. Зависимость предела текучести от содержания остаточного алюминия в металле

Рис. 3. Зависимость ударной вязкости от содержания остаточного алюминия в металле

При содержании в жидком металле остаточного алюминия не менее 0,03% наблюдается равновесная концентрация кислорода менее 0,001%. Следовательно, при наиболее оптимальной концентрации алюминия, с точки зрения раскисления металла, будет наблюдаться более высокая степень десульфурации стали каль-цийсодержащими материалами.

Падение ударной вязкости и предала текучести при содержании алюминия менее 0,03% связано с присутствием плёнок сульфидных эвтектик, располагающихся по границам зёрен. В этом случае обработка сплава кальцийсодержащими материалами малоэффективна, так как значительная часть кальция расходуется на раскисление.

При концентрации алюминия в металле свыше 0,05%, что часто наблюдается в производственных условиях, практически единственной равновесной фазой является корунд (А12Оз) [3]. Частицы корунда имеют остроугольную форму и являются концентраторами напряжений, что приводит к снижению механических свойств. Кроме того, при такой концентрации алюминия наблюдается образование плёночных нитридов алюминия по границам зёрен [4].

Устранение отрицательного влияния корунда возможно при помощи его модифицирования кальцием, что будет играть ключевую роль в воздействии на механические свойства. Протекание процесса модифицирования возможно по двум вариантам. В случае повышенного содержания серы в металле (>0,020) модифицирование включений корунда затруднено из-за обволакивания алю-

минатных включений слоем CaS. За счёт ввода кальция достигается образование глобулярных включений. Наличие таких включений мене губительно по сравнению с остроугольными, и, несмотря на их присутствие в готовом металле, происходит повышение механических свойств [4].

Также возможен вариант образования жидких включений СаО^!^ и частичное удаление их из жидкой стали в шлак. Наиболее широкий температурный интервал существования жидких алюминатных включений обеспечивается при их составе, близком к ^СаО^А^^ Согласно диаграмме состояния Са0-Al203 [3] это соединение имеет минимальную температуру плавления (Тпл= 1455 0С). Следует отметить, что для образования жидких включений, при содержании алюминия в металле 0,03-0,07, концентрация серы должна быть в равновесии с ^СаО^А!^ при определённом остаточном содержании Са в металле.

Согласно данным, предоставленных источником [3], который, в свою очередь, ссылается на разработанную в IRSID модель равновесия в системе Fe-Ca-Al-O-S, для образования жидких включений необходимо остаточное содержание кальция 0,001% при содержании серы в стали порядка 0,015-0,020%. Следуя данным полученной модели, при содержании алюминия в стали в интервале 0,03-0,05, отношение остаточного кальция к алюминию будет в пределах 0,02-0,03.

Анализируя химический состав сталей, из которых заливались чаши, было найдено отношение остаточного кальция в металле к алюминию и построена зависимость влияния этого отношения на предел текучести и ударную вязкость стали (рис. 4, 5).

Рис. 4. Влияние отношения кальция к алюминию на предел текучести стали 25Л

О 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06

R2 0 7932 Отношение С а/AI

Рис. 5. Влияние отношения кальция к алюминию на ударную вязкость стали 25Л

Из представленных зависимостей видно, что точка экстремума ударной вязкости и предела текучести находится при отношении остаточного кальция к алюминию в пределах 0,02-0,03, что хорошо согласуется с данными источника [3]. Содержание серы во всех плавках было в интервале 0,015-0,020%. Вероятнее всего, что при таком соотношении происходит образование жидких алюминатов кальция, которые более интенсивно, по сравнению с глобулярными включениями, переходят в шлак.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что состав включений, равновесный с жидкой сталью при различных температурах, а также остаточное содержание кальция при определённом содержании алюминия и серы в металле имеют значительное влияние на механические свойства металла. Следовательно, уточнение закономерностей, определяющих процесс десульфура-ции и раскисления стали, а также глубину модифицирования включений, представляет практический интерес для разработки и совершенствования технологических рекомендаций, регламентирующих режим ввода кальция.

2. Голубцов В.А., Лунёв В.В. Модифицирование стали для отливок и слитков. Челябинск; Запорожье: ЗНТУ, 2009. 356 с.

3. Моделирование современных процессов внепечной обработки и непрерывной разливки стали / Исаев О.Б., Чичкарёв Е.А., Кислица В.В. и др. М.: ЗАО «Металлургиздат», 2008. 376 с.

4. Козлов Л.Я., Колокольцев В.М., Вдовин К.Н. Производство стальных отливок. М.: МИСиС, 2005. 352 с.

УДК 621.746.46 Е.А. Чернышов

ГОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им.Р.Е.Алексеева» А.А. Евлампиев, А.В. Королев

ГОУ ВПО «Чувашский государственный университет»

УНИФИКАЦИЯ ФОРМЫ И РАЗМЕРОВ ПРИБЫЛЕЙ

В реальном многономенклатурном литейном производстве при изготовлении среднего литья для организации гарантированного питания сложной отливки могут применяться одновременно почти все типы и размеры прибылей. При этом на каждую отливку обычно разрабатывают прибыли с индивидуальными размерами и конфигурацией. Это усложняет работу модельного цеха, удорожает модельную оснастку, снижает эффективность работы конструкторов и технологов, а также мешает четкой организации модельного и литейного производств.

Ранее было сделано несколько попыток применения при производстве стальных отливок унифицированных прибылей, но снижение затрат было достигнуто в основном за счёт экономии материалов при изготовлении модельной оснастки 1. В современных условиях можно получить дополнительный эффект за счёт экономии металла на прибыли (без снижения ее питающей способности), а также сокращения сроков подготовки производства и снижения затрат на финишные операции. Этого можно добиться, используя для повышения эффективности работы прибылей теплоизолирующие и зкзотермические смеси в виде оболочек и вкладышей.

Читайте также:

  
• Легкий серебристый металл с желтым отливом
  
• Софит металлический гранд лайн размеры
  
• 581 проба что за металл
  
• Станок для нанесения надписей на металл
  
• Огнезащитное средство для металла