ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ В СЛИТКЕ С «ЗАХОЛАЖИВАЮЩЕЙ» ГОЛОВНОЙ ЧАСТЬЮ

RESEARCH OF NON-METALIC INCLUSION DISTRIBUTION IN THE INGOT WITH “PULL DOWN” HEAD END

Sergey Gamanyuk

сandidate of Technical Sciences, Associate Professor of

Volgograd State Technical University,

Russia, Volgograd

Dmitry Rutskii

сandidate of Technical Sciences, Associate Professor of Volgograd State Technical University,

Russia, Volgograd

Nikolai Zyuban

doctor of Technical Sciences, Professor, Head of “Materials Technology” Chair,

Volgograd State Technical University,

Russia, Volgograd

Anton Galkin

post-graduate student of Volgograd State Technical University,

Russia, Volgograd

АННОТАЦИЯ

В данной статье авторы приводят результаты исследования распределения неметаллических включений в слитке стали 38ХН3МФА массой 1,53 т, отлитом с применением прибыли-холодильника. Установлены особенности расположения сульфидов, заключающееся в существенном снижении их количества в подприбыльном горизонте слитка, и резком возрастании (в 3–4 раза) в осевой области среднего горизонта, по сравнению со слитками с утепляющей прибыльной надставкой. Это создаёт благоприятные условия для эффективного удаления сульфидов вместе с отходами при прошивке слитка.

ABSTRACT

In the article, the authors present research results of non-metallic inclusions distribution in a steel ingot 38HN3MFA weighing 1,53 tons and cast with the use of the refrigerator-profit. Features of sulfides arrangement are set consisting in significant reduction in their number in the under-profit horizon of an ingot and sharp increase (3–4 times) in the axial middle area of the horizon, compared to ingots with a warming profitable extension. It creates favorable conditions for the effective removal of sulfides along with the waste under the ingot broach.

Ключевые слова: слиток; «захолаживающая» надставка; кристаллизация; неметаллические включения; химическая неоднородность; ликвация.

Keywords: ingot; “pull down” extension; crystallization; non-metallic inclusions; chemical inhomogeneity; liquation.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-38-60007 мол_а_дк.

Наличие неметаллических включений в слитках и поковках является технологически неизбежным и, в зависимости от количества, вида, расположения и формы они могут оказывать самое негативное влияние накачество и уровень свойств готовых изделий. Наиболее распространёнными включениями в рассматриваемой марки стали являются оксиды, сульфиды и оксисульфиды [1–4]. Наиболее опасными из них являются сульфиды. Сера в жидкой стали обладает неограниченной растворимостью и очень малой растворимостью в твердом состоянии.

Предельная растворимость S в железе при 1365°С составляет 0,05 %, а при 1000°С 0,013 %. Значение растворимости серы в α – Fe крайне мало. Вследствие понижения растворимости во время кристаллизации стали и ее охлаждения сера выделяется из раствора в виде включений сульфидов FeS или оксисульфидовFeS – FeO, имеющих температуру плавления 930–988^оС. Это обусловливает позднее затвердевание сульфидов, расположение их по границам зерна и ослабление прочностных свойств металла (а возможно и разрушение) при дальнейшей деформационной обработке слитка.

К проблеме распределения неметаллических включений в слитке обращались многие исследователи, однако наиболее полно результаты исследований представлены в работе [5] и статьях [6–9]. В исследовании [5] показано, что сульфиды распределяются в слитке массой 24,2 т стали 38ХН3МФА по его высоте весьма неравномерно. Наименьшее количество сульфидов содержится в донной части слитка, на среднем горизонте количество сульфидов несколько возрастает, увеличиваясь от края слитка к его осевой области. Относительно высоким является содержание сульфидов в головной части слитка, уменьшаясь от периферии к оси слитка.

Для выявления особенностей распределения сульфидов и других включений в слитке с захолаживаемой прибылью массой 1,53 т стали 38ХН3МФА исследовали их содержание на трёх горизонтах по высоте слитка. При этом исследовали загрязнённость оксидами, сульфидами и оксисульфидами и оценивался их химический состав. Распределение индекса загрязненности слитка неметаллическими включениями на нижнем, среднем и верхнем горизонтах приведено на рисунке 1, а их внешний вид – на рисунке 2.

Рисунок 1. Загрязнённость неметаллическими включениями слитка стали 38ХН3МФА массой 1,53 т с захоложенной головной частью

Рисунок 2. Внешний вид включений

Особенностью расположения неметаллических включений в слитке с захоложенной прибылью является пониженное содержание сульфидов в головной части, и их значительное возрастание (в 3–4 раза) на среднем горизонте, особенно в области осевой зоны. Это обусловлено особенностями кристаллизации захолаживаемого слитка, заключающимися в ускоренном затвердевании, как нижней, так и верхней его частей. Это способствует формированию теплового центра на среднем горизонте и интенсивному образованию сульфидных включений в этой области, удаляемых при дальнейшей деформационной обработке слитка.Полученное распределение подтверждает известную взаимосвязь о количественном соотношении между содержанием оксидов, сульфидов и оксисульфидов.

Исследование химического состава неметаллических включений на сканирующем микроскопе Versa 3D (рисунок 3) показало, что оксиды представлены исключительно окислами кремния, сульфиды – сульфидами марганца, а оксисульфиды представляют собой оксиды кремния (в качестве подложки) и сульфиды марганца (окружение).

Рисунок 3. Пиковые диаграммы химических элементов в сульфидных (а) и оксидных (б) включениях

Таким образом, исследование распределения неметаллических включений в слитке стали 38ХН3МФА массой 1,53 т, отлитом с применением прибыли-холодильника выявило: существенное уменьшение (в 4 раза) количества сульфидных включений в подприбыльных горизонтах слитка по сравнению со средней его частью, вследствие интенсивного охлаждающего воздействия массивной прибыльной надставки; повышенное содержание сульфидов в средней части слитка по сравнению с его верхней и нижними частями, что свидетельствует о расположении теплового центра в этой зоне слитка. Это создаёт благоприятные условия для эффективного удаления сульфидов вместе с отходами при прошивке слитка.

Список литературы:

1. Иодко Э.А., Моргунов А.В. Исследование поведения неметаллических включений при затвердевании слитка спокойной стали. // Проблемы стального слитка. Труды IV конференции по слитку. – М.: Металлургия – 1969 – С. 237–241.
2. Inclusions characteristics of bearing steel in a runner after ingot casting. Doostmohammadi H., Jönsson P.G., Komenda J., Hagman S. Steel Research International. 2010. Т. 81. № 2. С. 142–149. 56.
3. Inclusions generated during ingot casting of tool steel. Ragnarsson L., Sichen D. Steel Research International. 2010. Т. 81. № 1. С. 40–47.
4. Червяков А.Н. Металлографическое определение включений в стали / А.Н. Червяков, С.А. Кисилева, А.Г. Рыльникова. – М.: Металлургия, 1972. – 195 с.
5. Гаманюк С.Б. Исследование крупного кузнечного стального слитка изменённой геометрии с целью повышения качества металла поковок. Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. Волгоград, 2012. 162 с.
6. Дуб В.С., Ромашкин А.Н., Мальгинов А.Н. и др. Влияние геометрии слитка на его химическую неоднородность. Часть 1. Металлург, 2013. № 11. С. 46–52.
7. Особенности образования сульфидных включений и их расположение внутри зерна в зависимости от условий раскисления стали 20. Шевцова О.А., Зюбан Н.А., Пегишева С.А., Руцкий Д.В., Титов К.Е., Клячина Н.В. Металлург. 2014. № 5. С. 60–63.
8. Исследование распределения неметаллических включений в слитках различной геометрии. Руцкий Д.В., Гаманюк С.Б., Зюбан Н.А., Шмаль В.В., Пузиков А.Я. Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2012. № 1 (94). С. 216–223.
9. Исследование особенностей формирования типа и вида сульфидных включений в зависимости от степени окисленности металла и их влияния на свойства низколегированных конструкционных сталей. Шевцова О.А., Зюбан Н.А., Летников М.Н., Руцкий Д.В. Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2010. № 2. С. 56–60.