УДК 620.192.45:519.87
ПРИМЕНЕНИЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛИЯНИЯ СОДЕРЖАНИЯ АЛЮМИНИЯ И АЗОТА НА ОБРАЗОВАНИЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ В ВЫСОКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ
© Виноградов Владимир Васильевич1, д-р физ.-мат. наук; Семериков Константин Анатольевич2; Петровский Владимир Анатольевич1, канд. техн. наук; Шабалов Иван Павлович1, д-р техн. наук; Филиппов Георгий Анатольевич1, д-р техн. наук
1 ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П.Бардина». Россия, Москва. Е-mail: iqs12@yandex.ru
2 ОАО «Трубная металлургическая компания». Россия, Москва Статья поступила 15.10.2013 г.
Разработана компьютерная модель образования неметаллических включений в высокоуглеродистой подшипниковой стали. Проанализировано влияние содержания алюминия, азота и кислорода на формирование оксидных и нитридных фаз при кристаллизации. Установлена немонотонная зависимость количества оксидов алюминия от содержания алюминия в подшипниковой стали. Высказано предположение об эффективности использования рационального раскисления и микролегирования алюминием для повышения качества подшипниковой стали.
Ключевые слова: подшипниковая сталь; неметаллические включения; кристаллизация; рациональное раскисление; микролегирование; моделирование.
Известно, что сопротивление разрушению высокоуглеродистой подшипниковой стали в условиях контактно-усталостных нагрузок и износа зависит от твердости и однородности структуры и степени чистоты стали по неметаллическим включениям [1]. Если твердость в основном зависит от содержания углерода в стали и режима термической обработки, то однородность структуры и степень чистоты формируются уже в процессе кристаллизации и наследуются в последующем металлургическом переделе. В связи с этим для повышения эксплуатационной стойкости подшипниковой стали необходимы поиски технологических способов снижения загрязненности неметаллическими включениями и повышения однородности структуры.
Одним из эффективных способов регулирования загрязненности оксидными включениями и однородности структуры является рациональное раскисление и микролегирование стали алюминием с образованием нитридных фаз [2-4]. Стали, 5 раскисленные алюминием, являются наследственно мелкозернистыми, что положительно сказыва-^ ется на их сопротивлении разрушению [2].
С другой стороны, известно, что оксиды алю-£ миния, особенно крупные, негативно влияют на < износостойкость подшипниковой стали, поэто-г му исследование влияния содержания алюминия,
кислорода и азота в высокоуглеродистой подшипниковой стали важно для разработки технологических способов улучшения эксплуатационных свойств подшипников.
Цель настоящей работы - анализ влияния легирующих элементов, алюминия и примесей (кислорода и азота) на формирование неметаллических включений (НВ) в подшипниковой стали ШХ15СГ (ГОСТ 801) на основе компьютерного моделирования.
Для определения содержания оксидов и нитридов, образующихся при затвердевании подшипниковой стали ШХ15СГ электродуговой выплавки, использовали теорию образования НВ при кристаллизации слитка [5, 6]. Эта теория получила экспериментальное подтверждение [5-7] и апробирована в заводской практике [8].
Как известно, высокоуглеродистые стали затвердевают с хорошо развитой диффузионной зоной, поэтому для описания процесса затвердевания использовали квазиравновесную теорию кристаллизующегося слитка [9, 10]. Следуя этой теории, принимаем, что структура двухфазной зоны затвердевающего слитка состоит из ячеек цилиндрической формы - вытянутых дендритов (игольчатых кристаллов), окруженных жидким расплавом, затвердевание каждой из которых можно считать независимым от соседних ячеек.
Фазовый состав дендритных ячеек описывается так называемым сечением или долей в ней жидкой фазы 5: в жидкой фазе s = 0, в двухфазной зоне 0 < 5 < 1, а в твердой фазе 5 = 1.
На начальном этапе затвердевания стали, когда образования НВ может не происходить, по мере кристаллизации концентрация элементов в жидкой фазе дендритных ячеек увеличивается согласно уравнению
С/ = С/-1, (1)
где С,0 - концентрация /-того компонента в начале кристаллизации; у, и С, - коэффициент распределения и концентрация /-того компонента в жидкой фазе ячейки.
Химическая реакция образования неметаллической фазы начинается тогда, когда произведение концентраций реагирующих элементов (точнее активностей в степени соответствующих стехиометрических коэффициентов) достигнет равновесного значения. При этом для каждой химической реакции имеет место равенство
ЯТпК = ДТ), (2)
где Я - универсальная газовая постоянная; Т -
температура; К - - константа равновесия
/
реакции (а,, V, - активность и стехиометрический коэффициент /-того реагента); Г(Т) - температурная зависимость константы равновесия. При понижении температуры в ходе кристаллизации равновесное значение произведения активностей уменьшается, что способствует протеканию реакции.
На основании баланса масс в дендритной ячейке для каждого компонента можно записать фС,) = у,С,ск - V/dM, (3)
где вС, - общее количество /-того компонента в жидкой фазе дендритной ячейки; уСС - количество -того компонента, увеличивающееся в жидкой фазе в результате ликвации при затвердевании части жидкой фазы п,СМ - количество /-того компонента, перешедшего в неметаллическую фазу; М - масса неметаллической фазы.
Температура жидкой фазы дендритных ячеек связана с ее химическим составом и может быть определена из уравнения, описывающего температуру ликвидус
Т = ф(СьС2,...). (4)
В ходе кристаллизации подшипниковой стали на отдельных этапах каждый из элементов может вступать одновременно в несколько реакций. Уравнение баланса должно учитывать все одновременно протекающие реакции на каждой стадии кристаллизации.
Рассмотрим решение системы уравнений (1)-(4) для стали ШХ15СГ при формировании оксидов и нитридов, образующихся по реакциям 2[А1] + 3[0] = М2О3; [Б1] + 2[0] = БЮ* [А1] + [Ы] = А1Ы. (5)
Уравнения (1)-(4) с учетом реакций (5) можно представить в виде системы
л1?см)/* = умсм + 1мг + 21ш> (б.1)
(6.2)
^/^оСо^ю,*3'^^ (6.3) = (6.4)
4с;)/ск = ^с., (6.5)
СА1С0 = (КА1 О. СБ1С0 = (К5Ю & /02) , СА1СЫ = (КА1Ы/А1 /Ы) , Т = То + асСс,
(6.6)
(6.7)
(6.8) (6.9)
где ] = С, Мп, Р, Б, Сг, М, Си - содержание элементов, мас. %. Здесь I = -(СМ)/(Св) - интенсивность образования соединений; / - коэффициент активности; Т0 - температура плавления чистого железа; аС - тангенс угла наклона линии ликвидус диаграммы Бе-С.
Уравнения (6.1)-(6.4) системы определяют баланс компонентов, участвующих в реакциях (5) образования неметаллической фазы, а уравнение (6.5) - для компонентов, в этих реакциях не участвующих. Их расчет необходим для вычисления в уравнениях (6.6)-(6.8) коэффициентов активности, определяющих равновесные концентрации реагирующих компонентов. Уравнение (6.9) -уравнение линии ликвидус диаграммы состояния Бе-С. Для уравнений (6.6)-(6.8) коэффициенты активности находили из соотношения = е,ССС + е,МпСмп + е,РСр + е1С + + е,СгССг + е,№С№ + е,СиССи + е/мСм + е^С^ + + е,0С0 + е,ЫСы, где / = А1, Б1, 0, N - содержание элементов, мас. %. Здесь е\- параметры взаимодействия при 1873 К. Для определения температурной зависимости коэффициентов активности использовали соотношение, вытекающее из теории квазирегулярных растворов
(7)
Г(т -1873)
где т - параметр, рассчитанный по эксперимен
тальным данным для широкого круга сталей (т = 7000 К) и характеризующий температуру, при которой раствор становится идеальным. В уравнении (6.9) полагали, что на температуру ликвидус этой стали главное влияние оказывает концентрация углерода и для линии ликвидус можно ограничиться линейным приближением.
При расчетах использовали температурные зависимости констант равновесия реакций образования соединений из работ [11, 12]. Коэффициенты распределения взяты из справочника [13], параметры взаимодействия - из работы [14].
Для решения системы уравнений (6) разработаны алгоритмы и составлена компьютерная программа, позволяющая найти состав и количество НВ на всех этапах кристаллизации при изменении доли твердой фазы от нуля до единицы в интервале кристаллизации от ликвидуса до эвтектики.
Компьютерное моделирование проводили для подшипниковой стали ШХ15СГ в рекомендуемом для производства трубной заготовки химического состава в интервале содержаний: 0,95-0,98% С, 0,40-0,50% Б1, 0,90-1,00% Мп, 0,30-1,45% Сг, Р до 0,020%, Б до 0,018%, N до 0,30%, Си до 0,25%. Исследовали влияние раскисления алюминием на процесс формирования НВ.
По результатам моделирования установлены следующие закономерности образования оксидов и нитридов при содержании А1 0,005-0,05% и N 0,006-0,013%. Минимальное содержание алюминия принято из опыта его остаточного содержания в стали, когда алюминий не применяется в качестве основного раскислителя, а максимальное - исходя из содержания остаточного алюминия при технологии рационального раскисления и микролегирования жидкой стали [3, 4]. Интервал содержания азота принят исходя из его обычного остаточного количества при выплавке стали в конвертере или электродуговой печи. Расчеты показали, что основную массу включений составляют глинозем и нитриды алюминия. Кремнезем образовывался при содержании алюминия менее 0,005%.
Характер изменения количества глинозема при кристаллизации металла с различными концентрациями алюминия и азота показан на рис. 1. При увеличении концентрации А1, начиная с малых значений, возрастание количества глинозема приближается к линейному. При дальнейшем увеличении содержания алюминия этот рост замедляется. В зависимости от содержания алюминия и кислорода количество образующегося глинозема проходит через максимум. До достижения
0,0026 0,0025 0,0024 0,0023 0,0022 0,0021 0,002 0,0019 0,0018
и
0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 0,045 0,05 0,055 Содержание алюминия, %
Рис. 1. Влияние содержания алюминия на количество глинозема, образующегося при кристаллизации стали ШХ15СГ с разной концентрацией азота
максимума формируются только кристаллизационные включения глинозема. Эти включения, образующиеся в ходе затвердевания, крайне мелкие, и удалить их из металла весьма сложно
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.