Нанодисперсное модифицирование стали 110Г13Л

ны ферритной составляющей на перлитную, изменяют форму, длину и распределение графитовых включений. Обнаружено, что максимальная эффективность модификаторов проявляется при концентрации тугоплавких частиц в диапазоне 0,0015–0,05 % по массе.

Предлагаемая технология не требует изменения существующих технологий, рецептура чугуна не меняется (нарушений требования ГОСТов и ТУ нет). Основная цель модифицирования – существенно изменить кристаллизацию жидкого металла за счет введения огромного количества центров кристаллизации, при этом структура металла в литом состоянии становится мелкокристаллической и значительно более однородной. За счет изменения структуры серьезно улучшаются механические и другие технологические свойства металла (например, коррозионная стойкость).

В данной работе исследовалось влияние различных дисперсных модификаторов на свойства стали 110Г13Л при внутриформенном модифицировании.

Материалы и методы исследования

Выплавка стали проводилась в печи ДС6-Н1 по технологии переплава легированных отходов (110Г13Л). Масса металла 5,5 т.

Раскисление стали на выпуске осуществляли путём подачи на дно разливочного ковша 8 кг специального раскислителя (70 % Al, 20 % Fe, 5 % Ca, остальное – C, Si, Cu) с добавкой 5 кг гранулированного алюминия.

Температура стали на выпуске (в ковше) 1460 °С.

Модифицирование металла проводилось в форме путём закладки модификатора в специальные реакционные камеры. Количество металла в форме ~120 кг.

Было изготовлено семь опытных форм с реакционными камерами, куда были заложены следующие модификаторы в виде порошков:

• 1)    углерод : медь = 1:1 (200 г);

• 2)    карбид бора : медь = 1:2 (200 г);

• 3)    ферротитан : медь = 1:1 (200 г);

• 4)    (смесь карбидов вольфрама и титана) : медь = 2:5 (140 г);

• 5)    карбид титана : медь = 1:1 (200 г);

• 6)    (смесь ферротитана, карбида бора, углерода) : медь = 1:4 (300 г);

• 7)    медь (100 г), контрольный образец.

Смесь карбидов вольфрама и титана (модификатор 4) была получена методом СВС по методике, описанной в [17]. Соотношение карбидов вольфрама (в пересчете на WC) и карбида титана в данном модификаторе составляло 75:25.

Модификаторы для улучшения смачиваемости расплавом металла предварительно были обработаны в планетарной центробежной мельнице в течение 1 мин.

После приработки стопора были залиты первыми все семь опытных форм.

Заливка протекала спокойно, без пироэффектов.

Во всех опытных формах были предусмотрены и залиты по две приливные пробы типа «топорик» для определения механических свойств и микроструктуры.

Кроме того, от каждой литниковой системы формы были вырезаны реакционные камеры для определения полноты срабатывания модификатора.

Исследования микроструктуры образцов из стали 110Г13Л были проведены отделом металловедения и термической обработки технического управления ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК».

Травление образцов проводили 4%-ным спиртовым раствором HNO3.

Нумерация образцов сталей (1-7) соответствует нумерации образцов модификаторов (1-7).

Результаты и обсуждение

В табл. 1 приведен химический состав готовой стали.

Состав, количество модификаторов и результаты механических испытаний сталей, обработанных этими модификаторами, отражены в табл. 2.

Значительное увеличение временного сопротивления разрыву показали образцы стали, обработанные модификаторами 2, 4 и 5 (на 14,5, 18,0 и 9,0 % соответственно). Кроме этого, применение модификатора 4 (смесь карбидов вольфрама и титана, концентрация активной фазы 0,033 %) позволило увеличить относительное удлинение на 40 %. Свойства сталей, обработанных другими модификаторами, – в пределах контрольного образца 7.

Результаты микроструктурных исследований образцов стали представлены на рис. 1 и в табл. 3.

Было выявлено, что микроструктура образцов состоит из аустенита и карбидов, выделившихся внутри и по границам зерен (рис. 1).

Таблица 1. Химический состав стали

Элементы	С	Si	Mn	S	P	Cr	Ni	Al	Cu
Содержание, %	1,30	0,62	12,74	0,005	0,029	0,13	0,05	0,018	0,09

Таблица 2. Состав, количество модификаторов и свойства образцов стали

Образцы	Модификатор		Свойства образцов стали
	Состав	Содержание активной фазы, %	Временное сопротивление разрыву σb, Н/мм2 (увеличение, %)	о ^„ s S ® 2 s о >■>	ч ^ S S
1	Углерод : медь = 1:1	0,083	580 (5,5)	10	13
2	Карбид бора : медь = 1:2	0,056	630 (14,5)	8	9
3	Ферротитан : медь = 1:1	0,083	590 (7,3)	12	7
4	(Смесь карбидов вольфрама и титана) : медь = 2:5	0,033	650 (18,0)	14	10
5	Карбид титана : медь = 1:1	0,083	600 (9,0)	10	12
6	(Смесь ферротитана, карбида бора, углерода) : медь = 1:4	0,050	570 (3,6)	8	16
7	Медь	0	550	10	16

образец 1

образец 2

образец 3

образец 4

х200                                 х1000

Окончание рис. 1 на с. 123

образец 5

образец 6

х200

образец 7

х1000

Рис. 1. Микроструктура образцов стали 110Г13Л (травление 4%-ным спиртовым раствором HNO 3 )

Оценка величины зерна проводилась по ГОСТ 5639 (табл. 3). Видно, что в образцах 2 и 4 величина зерна соответствует двум баллам (фактический средний диаметр зерна составляет 0,387-0,694 и 0,338-0,581 мм соответственно), в остальных образцах зерно соответствует трем баллам и более (фактический средний диаметр зерна контрольного образца 2,325-3,168 мм).

Заключение

Применение дисперсных модификаторов 2 (концентрация активной фазы – карбида бора – 0,056 %) и 4 (смесь карбидов вольфрама и титана, концентрация активной фазы 0,033 %) при внутриформенном модифицировании стали 110Г13Л способствует равномерному распределению карбидов, выделившихся внутри и по границам зерен, и значительному уменьшению размера зерна. В образцах 2 и 4 величина зерна соответствует двум баллам (фактический средний – 122 –

Таблица 3. Влияние дисперсных модификаторов на микроструктуру стали

Образцы Величина зерна по ГОСТ 5639, баллы Фактический средний диаметр зерна, мм Распределение карбидов 1 >3 1,575-2,406 Мелкие карбиды внутри и по границам зерен аустенита 2 2 0,387-0,694 Отдельные редкие выделения карбидов внутри и по границам зерен аустенита 3 >3 1,506-2,094 Мелкие редкие выделения карбидов внутри и по границам зерен аустенита 4 2 0,338-0,581 Мелкие карбиды внутри и по границам зерен аустенита 5 >3 2,318-3,420 Мелкие карбиды внутри и по границам зерен аустенита 6 >3 2,181-2,362 Мелкие карбиды внутри и по границам зерен аустенита 7 >3 2,325-3,168 Мелкие карбиды внутри зерен аустенита, редко по границам диаметр зерна 0,387-0,694 и 0,338-0,581 мм соответственно), величина зерна контрольного образца – более трех баллов (фактический средний диаметр зерна 2,325-3,168 мм).

Значительное увеличение временного сопротивления разрыву на 14,5, 18,0 и 9,0 % показали образцы стали, отработанные модификаторами 2 (карбид бора), 4 (смесь карбидов вольфрама и титана) и 5 (карбид титана) соответственно. Кроме этого, применение модификатора 4 (смесь карбидов вольфрама и титана, концентрация активной фазы – 0,033 %) позволило увеличить относительное удлинение на 40 %.