Анализ влияния добавок олова на состав неметаллических включений в конструкционных сталях

Ведущее место в технологии машиностроения занимают процессы обработки лезвийным инструментом. Во многих отраслях их трудоемкость и производственные расходы достигают 40–60 % от общих затрат и превосходят суммарную стоимость литья, обработки металлов давлением, сварки и других методов [1]. Вследствие этого очевидно, что обрабатываемость резанием является важнейшей характеристикой стали, а повышение эффективности процесса токарной обработки металлических материалов представляется весьма актуальной задачей.

Однако легирующие добавки, применяемые в современной практике для получения так называемых автоматных сталей, имеют ряд особенностей, которые в определенной степени обусловливают значительное усложнение технологии вы- плавки данного сортамента и приводят к ухудшению экологической обстановки производства, а вопрос их равноценной замены по-прежнему остается неразрешенным. В ряде публикаций в качестве такой альтернативы предлагается использовать олово [2, 3].

В то же время в результате многочисленных исследований установлено, что уровень обрабатываемости стали резанием связан с наличием определенного типа включений в ее структуре. Причем влияние последних обусловлено не только химическим составом и количеством, но и их величиной, формой и распределением в объеме металла. В связи с этим в данной работе был проведен анализ влияния добавок олова на состав и морфологию избыточных фаз в конструкционных сталях.

Химический состав сталей

В качестве объектов для исследования были выбраны стали марок 17ХГ и АЦ16ХГ по ТУ 14-14605-89. Выплавка производилась в лабораторной индукционной печи. Для легирования использовали металлическое олово квалификации ч.д.а., которое присаживали на дно изложницы. Кальций вводили в печь перед выпуском плавки в виде порошковой проволоки силикокальция марки СК30. Для каждой марки стали по идентичной технологии провели четыре плавки, отличающиеся друг от друга только содержанием олова. Химический состав полученных слитков представлен в таблице.

С целью определения форм присутствия олова из каждой отобранной пробы были изготовлены шлифы, которые отправляли на электронно-зондовый анализ. Для изучения структуры металла применялся растровый электронный микроскоп Jeol JEM7001F с термополевой эмиссией и энергодисперсионным анализатором элементного состава Oxford INCA X-Max80 компании Oxford Instruments. Включения, характерные для стали марки 17ХГ, представлены на рис. 1.

Типичные включения, встречающиеся в структуре стали марки АЦ16ХГ, изображены на рис. 2.

В результате многочисленных исследований установлено, что в автоматных сталях, легированных свинцом, висмутом и их сочетаниями с серой, сульфиды часто выступают в роли подложки для осаждения частиц отмеченных металлов [4]. Кроме того, в работе [5] сообщается, что олово, обладая некоторой растворимостью в сульфидах, входит в состав данных избыточных фаз. Наряду с этим существует мнение, что кальций связывает цветные примеси не только в различные интерме-таллиды, но и в неметаллические включения. Так, согласно результатам исследований, опубликованным в работе [6], цветные металлы могут присутствовать в комплексных включениях, которые в данном случае представлены сложными оксидами.

Тем не менее по итогам изучени я встречающихся частиц в характе р истическом рентгеновском излучении можно сделать вывод, что олово не сформировало собственных вклю ч ений и не входит в состав образовавшейся неметаллической ф а зы. Вследствие того, что максимальная раствор и мость олова в железе, р авная 17,7 м ас. % [7], значительно превышает данную характеристику для всех традиционных легирующих элементов, улучшающих обрабатываемость, указанные компоненты образуют друг с другом твердый раствор.

Присутствие олова в сульфидах марганца, определенное в работе [5], в е роятнее всего, объясняется следующим образом. Наличие в стали углер о да, кремния и ряда др у гих элементов вносит существенные изменения в процесс выделения данных включений и их химический состав. В ча-

Рис. 1. Включения в структуре стали марки 17ХГ

Никитин М.С., Рябов А.В.

Рис. 2. Включения в структуре стали марки АЦ16ХГ

стности, в сталях с содержанием марганца более 0,4 % образующиеся сульфиды помимо основных составляющих обычно содержат от 3 до 5 % железа [8]. Следовательно, некоторая малая часть олова, которое равномерно распределено в твердом растворе, также может входить в состав сульфидной фазы совместно с железом.

Отсутствие интенсивного взаимодействия олова с кальцием объясняется по крайней мере двумя основными причинами. Во-первых, вследствие поздней присадки олова на фоне весьма высокой скорости кристаллизации в объеме металла не создается оптимальных временно-температурных условий. Во-вторых, содержащийся в расплаве кальций находится в связанном состоянии, в виде комплексных соединений, представленных оксидными и сульфидными включениями, что затрудня- ет протекание дальнейших физико-химических реакций с его участием.

Выводы

При содержании до 0,20 мас. % оло в о, не образуя собственных и не оказывая влияния на состав уже сформировавшихся неметаллических включений, полностью переходит в твердый раство р с железом.