Теория и практика использования внешних воздействий для обработки расплавов
Автор: Шабурова Наталия Александровна
Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия @vestnik-susu-metallurgy
Статья в выпуске: 1 т.13, 2013 года.
Бесплатный доступ
Описаны исследования, проводимые в рамках работы по изучению технологии модифицирования низкоуглеродистой стали барийсодержащими модификаторами. Исследована структура самого модификатора, а также структура стали 20, модифицированной БСК-2.
Модифицирование, барийсодержащий модификатор, низкоуглеродистая сталь
Короткий адрес: https://sciup.org/147156814
IDR: 147156814
Текст научной статьи Теория и практика использования внешних воздействий для обработки расплавов
Согласно заключению, сделанному Я.И. Френкелем и впоследствии многократно экспериментально подтвержденному, расплавы по своим свойствам и строению гораздо ближе стоят к твердым телам, чем к газам, особенно при температурах, близких к температуре кристаллизации [1].
Однако в отличие от кристаллических тел, обладающих дальним порядком, основной характеристикой структуры жидкости является ближний порядок, т. е. наличие микроскопических объемов (кластеров), в пределах которых частицы располагаются упорядоченно. Теория кластеров рассматривает расплав как сочетание двух структурных составляющих: кластеров и разделяющей кластеры бесструктурной «разупорядоченной» зоны с хаотическим расположением частиц, как правило, более «рыхлой».
Кластеры и бесструктурная зона термодинамически неустойчивы и в результате флуктуации энергии они непрерывно локально «перерождаются» друг в друга. Но соотношение объемов, занимаемых кластерами и разупорядоченной зоной, для каждой температуры постоянно.
Продолжительность жизни кластеров велика по сравнению с продолжительностью цикла колебаний частиц в жидких металлах (10–14–10–13 с), а их размеры на несколько порядков превышают размеры атомов [1]. При снижении температуры расплава до кристаллизационной, кластеры участвуют в процессе кристаллизации, играя роль готовых зародышевых центров.
Таким образом, физико-механическими свойствами сплава, которые формируются в предкри-сталлизационный и кристаллизационный периоды, определяются эксплуатационные характеристики литых заготовок. А значит, воздействием на структуру и свойства расплава возможно получение металла с заданными свойствами.
На сегодняшний день существует большое количество способов внешнего воздействия на расплавы, с помощью которых можно управлять литой структурой [2]. Все их можно разделить на две группы: химические методы и физические методы.
Химические методы объединяют совокуп- ность методов управления, связанных с изменением состава сплава, т. е. дополнительным вводом компонентов (легирование и модифицирование), либо удалением вредных примесей (рафинирование). В особую вспомогательную группу отнесены защитные методы, которые непосредственно не влияют на литую структуру, а лишь способствуют стабилизации качества путем сохранения результатов воздействия.
Физические методы включают воздействия, осуществляемые за счет энергетического взаимодействия системы (сплавов) с окружающей средой без изменения химического состава сплава. Физические методы воздействия в зависимости от вида энергоносителя можно разделить на следующие группы: тепловые; барометрические; гравитационные; механические; электромагнитные; высокоэнергетические (корпускулярные).
При выборе модифицирующих добавок мы остановились на барийсодержащих. И тому есть основания.
Если обратиться к существующим механизмам воздействия модификаторов, то можно отметить три из них:
-
1. Увеличение в расплаве неметаллических включений, которые могут служить центрами кристаллизации. Если эти включения находятся в физическом, химическом и структурном соответствии с основным металлом, то они оказывают инокулирующее действие.
-
2. Адсорбция элемента-модификатора на поверхности раздела фаз кристалл– расплав (вследствие чего происходит замедление скорости роста кристалла).
-
3. Связан с низкой предельной растворимостью модификатора в железе (при этом, чем меньше растворимость элемента, тем при меньшей его концентрации проявляется модифицирующий эффект).
Эффективность бария высока с точки зрения двух из указанных механизмов. Во-первых, он из всех ЩЗМ металлов имеет наименьшую растворимость в железе, а во-вторых, обладает сильным воздействием на электронное состояние жидкой стали [1].
В ра боте ис с л е дов а л а с ь стру к т ура м одиф ик атора БСК- 2 и н и зко у г л ерод и стой с та ли посл е м одифицирования БСК-2.
О б раз цы м одиф икатора д л я ис с л едо ваний ш л и фов а ли сь на на жда чно й б ум аге и пол иров ал ис ь на м окром сук не бе з ис пол ьз ов ан ия суспе нзи й, в о избе ж ание попа дан ия по л ир у ющ их ча с т и ц на н е ров нос ти пов е р х нос ти и з ат ру дн ени я хим ич еского анализа структуры.
Ми кро с тр у к ту ра иссл едовала с ь на о п т ичес ко м мет а лл о гра ф и че ском ми кроско пе Axi o Ob se r v e r D1 фирмы Carl Zeiss и рас тров ом эл е ктронном м икроскопе JEOL JSM-6460LV.

Рис. 1. Дендритное строение БСК-2, х 30
С тр у кту ра обра з ца м одифи ка тора БС К-2 имеет явно в ыра ж е н ное дендр и тное с трое н ие и с ос т оит из двух фаз (рис. 1).
Каждая из указанных фаз имеет однофазные и двухфазные участки.
Темные одно- и двухфазные области не содержат бария и стронция, основные элементы O, Si, K, Al, Fe. В двухфазных областях темной структурной составляющей, в отличие от однофазной, снижается количество Si и О, увеличивается содержание Ca и Fe. Полностью исчезает Al и K, но присутствуют Na и Mg. Химический состав участков темной структурной составляющей представлен в табл. 1.
В оставшихся элементах структуры (однофазной светлой области, темных включениях в светлой фазе) присутствуют Ba, Sr, Ca, O, C.
Химический состав указанных областей приведен в табл. 2–3.
Помимо темных Ca-Sr-Ba включений в светлой фазе встречаются выделения светло-серой фазы с повышенным содержанием стронция (≈ 30 %). Эти выделения имеют различные форму и размеры и равномерно распределены в светлой фазе (рис. 2).
Очевидно, что светлая фаза преимущественно содержит элементы, имеющие низкие температуры плавления и кристаллизуется по более сложному механизму. Ввиду этого представляло интерес рассмотреть распределение основных элементов в этом участке структуры детально. Для этого на растровом электронном микроскопе с микроанализатором JSM-6460 LV было проведено сканирование по линии. Результаты представлены на рис. 3.
Химический состав темной фазы модификатора БСК-35, мас. %
Таблица 1
О
Al
K
Si
Ca
Fe
Уча с ток с тр у кт уры од нофа з ный

47,55
46,38
Среднее, мас. %
6,59 15,63 25,12 0,52 4,58
6,80 16,88 26,15 – 3,79
46,97
6,70 16,25 25,64 0,26 4,19
Окончание табл. 1
Участок структуры двухфазный |
С |
О |
Na |
Mg |
Si |
Ca |
Fe |
|||
jL*rjflM |
||||||||||
11,64 |
44,00 |
3,09 |
2,05 |
13,13 |
13,97 |
12,11 |
||||
у Г 1 |
||||||||||
20ки Х38 500мт |
09 55 BES В |
|||||||||
if |
^ |
ИШ&А . в®! [V |
ДР -’ |
9,21 |
40,73 |
3,51 |
2,83 |
17,73 |
10,44 |
15,56 |
20к |
и X50 500Mm |
10 55 BES В |
||||||||
Среднее, мас. % |
10,43 |
42,37 |
3,3 |
2,44 |
15,43 |
12,21 |
13,84 |
Таблица 2
Химический состав светлых однофазных участков, мас. %
Ca |
Sr |
Ba |
C |
O |
|||
1 |
15,93 |
8,11 |
32,11 |
13,79 |
30,05 |
||
2 |
16,73 |
8,61 |
33,41 |
12,47 |
28,78 |
||
1 '^L/ " |
6 |
3 |
13,92 |
5,81 |
41,87 |
12,42 |
25,99 |
В 20kU Х30 500Wm |
09 55 BES 1 |
||||||
Среднее содержание элементов в однофазной области, мас. % |
15,53 |
7,51 |
35,80 |
12,89 |
28,27 |
Таблица 3
Химический состав темных включений в светлой фазе, мас. %
Ca |
Sr |
Ba |
C |
O |
||
1 |
36,54 |
6,55 |
3,23 |
12,35 |
41,33 |
|
2 |
37,75 |
5,88 |
2,81 |
12,61 |
40,96 |
|
3 |
31,35 |
5,11 |
2,05 |
15,08 |
46,41 |
|
1 20kU Х500 50мм 09 55 BES В |
||||||
Среднее содержание элементов в однофазной области, мас. % |
35,21 |
5,85 |
2,70 |
13,34 |
42,9 |

Рис. 2. Выделения темно-серой и светло-серой фаз

Кальций
Барий
Рис. 3. Линии спектров основных компонентов светлой фазы

Т а ким обра з ом , м ож но п ре дпол ожить, ч то темная, кремнийсод ерж ащая фа з а им е е т бол е е в ысок ую те мпе ра т ур у п л а вл е н ия и крис тал лизу е тс я в пе рв у ю оче ре дь. С в етл ая ж е с тр у кт у рная с ос та вл яюща я, с оде рж а ща я 3 ра зл ич ные фа з ы, крис талл изу ется по эв тект иче с кому м е х аниз му с обра з ованием тройной эвтектики.
Исследованный модификатор БСК-2 использовался при проведении опытной плавки 10 кг стали 20. Измельченный модификатор в количестве 10 г вводили в расплав перед разливкой, перемешивали и отбирали стержневые пробы через 3 и 12 минут. Пробы диаметром 5 мм охлаждались в во- де. Неметаллические включения исследовались на нетравленых шлифах.
Общий вид наиболее типичных участков структуры образцов представлен на рис. 4.
Следует отметить наличие в первом образце грубых, немодифицированных включений корунда, содержащих Mn и Si , во втором образце преобладают модифицированные включения этого типа.
Размер включений, содержащий Ba, в обоих образцах не превышает 2 мкм. В обоих случаях барий присутствует во включениях одного типа, содержащих помимо бария O, Al, Mn, Mg (рис. 5).

а)

б)
Рис. 4. Неметаллические включения в образцах стали 20: а – через 3 мин; б – через 12 мин после ввода модификатора


а) б)
Рис. 5. Формы барийсодержащих включений в образцах: а – через 3 мин; б – через 12 мин после ввода модификатора

Рис. 6. Внешний вид сложных включений
В обра з це , отобра нном че р е з 12 м ин ут пос л е ввода модификатора, отмечено нал и ч и е н о во г о т и па вк лю ч ени й , вн ешн ий вид к о т о р ы х п р е д ст авлен на р и с. 6. Ц ен т р аль н ая ч асть в к лю ч ен и я ( свет лая )
представляет оксосульфид, содержащий Mn, S, Si, Al, O, P. Оболочка включения – практически чистый оксид Al 2 O 3 .
Таким образом, можно отметить следующее:
-
1. Модификатор изначально имеет грубое дендритное строение, следовательно, для достижения наилучшего модифицирующего эффекта целесообразно его максимальное измельчение.
-
2. Сравнительный анализ образцов свидетельствует об уменьшении количества и размеров неметаллических включений при увеличении продолжительности выдержки после модифицирования.
-
3. Включения с барием обнаруживаются во
всех исследуемых образцах; включений, содержащих стронций, не обнаружено.
Список литературы Теория и практика использования внешних воздействий для обработки расплавов
- Рябчиков, И.В. Модификаторы и технологии внепечной обработки железоуглеродистых сплавов/И.В. Рябчиков. -М.: Экомет, 2008. -400 с.
- Гольдштейн, Я.Е. Модифицирование и микролегирование чугуна и стали/Я.Е. Гольдштейн, В.Г. Мизин. -М.: Металлургия, 1986. -272 с.