УДК 669.14
ОСОБЕННОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ СУЛЬФИДНЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ И ИХ РАСПОЛОЖЕНИЕ ВНУТРИ ЗЕРНА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УСЛОВИЙ РАСКИСЛЕНИЯ СТАЛИ 20
© Шевцова Ольга Алексеевна, e-mail: shevtzova@list.ru; Зюбан Николай Александрович, д-р техн. наук, e-mail: tecmat@vstu.ru; Пегишева Светлана Алексеевна, канд. техн. наук; Руцкий Дмитрий Владимирович, канд. техн. наук;
Титов Константин Евгеньевич, канд. техн. наук; Клячина Наталья Владимировна
Волгоградский государственный технический университет. Россия, г. Волгоград Статья поступила 26.09.2013 г.
Рассмотрены особенности образования сульфидных включений в процессе кристаллизации металла в различных условиях его раскисления. Установлены взаимосвязи между величиной окисленности низколегированных конструкционных сталей и морфологией сульфидных и оксисульфидных включений, особенности их расположения внутри зерна, обусловливающие возможное снижение пластических характеристик изделий.
Ключевые слова: оксидные включения; сульфидные включения; раскисление; степень окисленности; вакуумирование; морфология включений.
Современные методы вакуумирования и вне-печной обработки металла позволяют получать высококачественные стальные изделия для нужд энергетической, атомной, химической и других отраслей промышленности. Однако стремление к достижению в расплаве сверхнизких концентраций кислорода, серы и других примесей может привести к нежелательным явлениям, связанным с изменением условий формирования неметаллических включений (НВ) и их распределением в металле.
При проведении глубокой десульфурации и порционного вакуумирования низкоуглеродистых сталей мартенситного класса были выявлены случаи поражения поковок флокенами, что авторы работы [1] связывали с уменьшением количества сульфидных включений и возрастанием объема остаточного водорода, аккумулируемого каждым включением.
Установлено [2], что глубокая десульфурация может способствовать образованию флокенов, так как межфазная поверхность сульфидов с металлической матрицей служит резервуаром для атомов водорода (и местом их рекомбинации). В связи с этим чем меньше число таких мест в объеме металла, тем больше атомов водорода в твердом растворе, которые диффундируют под действием растягивающих напряжений к месту, где происходит разупрочнение структуры. Атомы водорода концентрируются в этом месте и вы-
зывают локальное охрупчивание металлической матрицы, снижая тем самым напряжение, необходимое для разрушения.
Образование сульфидных включений в большой степени зависит от наличия оксидов и окси-сульфидов в стали: можно сказать, что глубокая десульфурация может привести к нарушению «баланса» между отдельными видами НВ, и это может оказать отрицательное влияние на качество металла.
С другой стороны, применение вакуумиро-вания, приводящего к уменьшению в обрабатываемом металле количества оксидов, может существенно повлиять на форму и расположение оксисульфидов и сульфидной фазы, что также может отрицательно сказаться на свойствах получаемого металла. Эта проблема была частично исследована в работе [3], где рассмотрено влияние типа стали, выплавленной в печах с основной и кислой футеровкой, и вида ее обработки (с вакуумированием или без него) на механические свойства поковок энергетического машиностроения из стали 38ХН3МФА.
Было установлено, что после проведения ва-куумирования прочностные свойства стали обоих типов повышаются, но при этом отмечено некоторое снижение пластических характеристик, в частности для основной вакуумированной стали от 9 до 20%. Можно предположить, что снижение вязкостных и пластических свойств поковок из
кислои и основной стали после вакуумирования обусловлено морфологией оксидных и сульфидных включений в условиях дефицита кислорода в исследуемом металле [4].
Для уточнения механизма образования НВ в малоокисленном металле и выявления факторов, определяющих вид и форму включений, провели серию лабораторных исследований по выплавке в индукционной печи стали 20 и разливке цилиндрических образцов диам. 50 мм и высотой 60 мм при различных вариантах раскисления:
Номер образца
1
2
3
4
5
6
7
8
Вариант раскисления
Исходный 0,059 Al 0,101 Al 0,222 Al 0,105 SiCa 0,293 SiCa 0,059 Al + 0,059 SiCa 0,051 Al + 0,103 SiCa
Результаты исследования индекса загрязненности образцов методом Л (ГОСТ 1778-70) на микроскопе МИМ 8, МЕТАМ РВ-22 представлены на рис. 1. Из приведенных данных видно, что в образце № 1 (нераскисленный металл) наблюдается незначительное количество оксисульфидов, сульфидов же в два раза больше, с преимущественным расположением по границам зерен (рис. 2).
При раскислении алюминием (образец № 2) наблюдаются снижение количества сульфидов и резкое увеличение количества оксисульфидов (в 4,5 раза по сравнению с исходным металлом). Далее с увеличением количества вводимого А1 (образцы № 3, 4) наблюдается увеличение количества оксисульфидов, а количество сульфидов уменьшается в 2,5 раза по сравнению с исходным металлом.
При традиционном конечном раскислении литой стали алюминием 80-85% НВ (практически все сульфиды) находятся на границах литых кристаллитов [5]. Значительное очищение границ литых зерен от неметаллической фазы может быть достигнуто дополнительным (к раскислению алюминием) раскислением - модифицированием щелочно- или редкоземельными элементами. Редкоземельные элементы, имея высокое сродство к кислороду, сере и другим примесям, активно взаимодействуют с ними, образуя при этом совершенно новый тип включений - твердые растворы переменного нестехиометрического состава. Вновь образованные включения имеют преимущественно глобулярную форму и коагулируют, что способствует образованию более крупных включений, поэтому во второй серии экспериментов в качестве раскислителя использовали силикокаль-ций. При его введении (образцы № 5, 6) наблюдается уменьшение количества оксисульфидов, а количество сульфидов увеличивается. При совместном раскислении алюминием и сили-кокальцием наблюдается минимальное количество сульфидов (образец № 7); далее с увеличением количества вводимого силикокальция количество оксисульфидов увеличивается; они представлены включениями преимущественно глобулярной формы и располагаются внутри зерна (рис. 3) [6].
Рис. 2. Сульфид на границе зерна (образец № 1), х8000 (микроскоп Versa 3D)
1 2 3 4 5 6 7 Номер образца
у:
ф ж
1,1 V /
(
Рис. 1. Загрязненность образцов сульфидными и оксисульфидными включениями (средние значения)
Рис. 3. Глобулярный оксисульфид внутри зерна (образец № 7), х8000 (микроскоп Versa 3D)
0
8
Рис. 4. Химический состав оксисульфидного включения в образце № 3, пики слева направо: О, Fe, Al, S, Mn
2,0
0 12345678 Номер образца
Рис. 5. Зависимость концентрации серы в сульфидных включениях от режима раскисления
Второй этап исследований проводили с использованием электронного сканирующего микроскопа Versa 3D. Задача исследования -выявление концентрации серы в сульфидных включениях и определение их расположения относительно границ зерна. На рис. 4 представлена гистограмма распределения серы и кислорода в оксисульфидном включении образца № 3, полученная на микроскопе Versa 3D.
По результатам исследования была получена зависимость концентрации серы в сульфидных включениях от режима раскисления стали 20 (рис. 5). Видно, что концентрация серы в сульфидах определяется степенью раскисленности стали.
Таким образом, по результатам исследования можно сказать, что при данной степени окислен-ности стали оксиды, сульфиды и оксисульфиды находятся в определенном стабильном состоянии, определяющем вид, форму НВ и особенности их распределения в металле.
Резкое уменьшение концентрации кислорода в металле приводит к существенному перераспределению оксидов, оксисульфидов и сульфидов в стали с возрастанием количества «чистой» сульфидной фазы, которая может располагаться неблагоприятно - по границам зерна. По экспе-
Номер образца
Рис. 6. Загрязненность образцов сульфидными включениями (средние значения) внутри и по границам зерен
риментальным данным, полученным с использованием микроскопа Versa 3D, была построена зависимость загрязненности сульфидными включениями, располагающимися внутри и по границам зерен. Представленные данные показывают, что увеличение концентрации такого сильного раскислителя, как алюминий (образцы № 1-4), приводит к накоплению оксисульфидов внутри зерна и соответственному снижению количества сульфидов на его границах. Применение сили-кокальция (образцы № 5-6) оказывает в основном модифицирующий эффект, расположение сульфидов в зерне остается неблагоприятным. Совместное использование алюминия и сили-кокальция в небольшой концентрации (образец № 7) резко уменьшает количество сульфидов на поверхности зерна, а увеличение количества вводимого силикокальция до 0,1% выравнивает содержание сульфидов, располагающихся как на границе, так и внутри зерна (образец № 8).
По полученным данным была построена расчетная трехмерная зависимость влияния содержания серы и кислорода в металле на количество оксисульфидных включений (рис. 7). Видно, что увеличение количества оксисульфидов сопровождается понижением концентрации серы в металле, что способствует уменьшению концентрации сульфидной фазы по границам зерен и стабилизации пластических свойств.
Результаты исследования свидетельствуют о наличии определенной связи между количеством образующихся сульфидных и оксисульфидных включений, зависящим от степени окисленности металла.
Рис. 7. Влияние содержания серы и кислорода в металле на количество оксисульфидных включений
При выделении оксисульфида в расплаве понижается содержание в нем как кислорода, так и серы. После того, как содержание кислорода понизится до равновесных значений, происходит образование только чистых сульфидов, что может привести к снижению пластических свойств получаемого металла. Таким образом, выделение сульфидов может происходить только тогда, когда в металлическом расплаве достигается очень низкое содержание кислорода.
Выводы. Необходимость глубокого вакууми-рования стали выдвигает условие доведения содержания серы до минимального значения, мене
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.