Введение

Поскольку сталь остается основным конструкционным материалом, возросли требования к производителям стали, вызывая у них необходимость в кратчайшие сроки искать и осваивать методы многократного повышения качества производимой стальной продукции.

Современная технология выплавки спецсталей в электоропечах предусматривает внепечную обработку, которая позволяет довести металл до заданного химического состава, оптимизировать температуру расплава, понизить содержание серы и загрязненность неметаллическими включениями. Модифицирование стали комплексными сплавами, содержащими химически активный элемент – кальций является одним из эффективных способов улучшения качества металлопродукции. При этом прямые затраты по использованию модификаторов составляют 0,2…0,3%, что мало влияет на себестоимость отливок.

Модифицирование металла комплексом щелочноземельных элементов позволяет получить более надёжные показатели коррозионной стойкости стали и может с этих позиций являться альтернативой ее вакуумирования. Но модифицирование стали щелочноземельными элемента более дорогой процесс, что значительно влияет на экономику процесса подготовки и разливки металла,

Обработка металла комплексными сплавами типа ферросиликоалюминия с кальцием (ФАСК) позволяет достигать более высокой степени рафинирования от оксидных неметаллических включений, более равномерного распределения в слитке оставшихся или вновь образовавшихся выделений.

Включение во внепечную обработку операции модифицирования металла простейшей композицией в виде силикокальция позволяет существенно снизить загрязненность металла неметаллическими включениями, повысить уровень механических характеристик, а применение более сложного по составу сплава ФАСК можно ожидать повышение потребительский свойств с большей вероятностью.

Модифицирование стали комплексными кальцийсодержащими сплавами типа ФАСК во время разливки в слитки и отливки готовых деталей можно значительно повысить их механические свойства.

Выплавка самоупрочняющейся стали 110Г13Л с обработкой сплавов ФАСК также значительно повысит механические свойства стали при правильной термообработке. Модифицирование стали модификаторами дает возможность снизить температуры разливки стали за счет повышения ее жидкотекучести, что значительно влияет на экономику процесса подготовки и разливки металла, позволяет ослабить развитие горячих термических трещин и других дефектов газоусадочного характера.

Для выполнения работы проведен патентный поиск с обоснованием вы­бранного направления исследований (приложение А).

Введение(2 вариант)

Увеличение срока службы быстроизнашивающихся деталей машин – важнейшая проблема современного машиностроения. Особенно важно обеспечить достаточно длительные сроки службы таких деталей в горнорудной, угольной, цементной и других отраслях промышленности, связанных с переработкой высокоабразивного минерального сырья (руды, угля, песка и др.). Длительность эксплуатации деталей машин и других изделий, их надежность и долговечность во многих случаях обеспечивается износостойкостью материалов, из которых они изготовлены.

Одним из наиболее широко применяемых износостойких материалов является марганцовистая аустенитная сталь Гадфильда (110Г13Л), служащая для изготовления деталей, износ которых сопровождается ударами и большими давлениями.

По износостойкости, отпускной хрупкости, устойчивости к высоким статическим и динамическим нагрузкам, высокомарганцовистая аустенитная сталь 110Г13Л намного превосходит другие аналогичные стали. При деформации на 60-70 % твердость стали 110Г13Л увеличивается в 2-2,5 раза, что объясняется большими искажениями кристаллической решетки, дроблением блоков мозаики, наклепом и даже образованием структуры мартенсита в поверхностных слоях. Но сталь 110Г13Л не сваривается, а механической обработке поддается, только полностью имея структуру однородного марганцовистого аустенита с НВ = 200-230 после закалки с 1050-1100 ^оС в воде, поэтому из нее удается получать готовые детали только по литьевой технологии.

В то же время известна и высокая чувствительность стали 110Г13Л к условиям плавки незначительному изменению содержания С, Si, S и других элементов, приводящему к невоспроизводимости таких параметров ее конструкционной прочности как σ_В, σ_0,2, ψ, δ и KCU (ГОСТ 977-88, 21357-87), поэтому целенаправленное управление значениями физико-механических характеристик образцов плавок стали 110Г13Л, идущей на изготовление траков гусениц спецмашин и устанавливаемых по соглашению потребителя с изготовителем, не технологическими, а материаловедческими факторами является актуальной задачей.

В то же время известно, что легирование близких по свойствам к стали 110Г13Л высокомарганцовистых наплавочных материалов типа DFMB, DFME и пр. Cr, Ni и Mo повышает не только пластичность, но и свариваемость материала, что немаловажно при ремонте и восстановлении литых деталей, а отпускная хрупкость отливок хорошо устраняется модифицированием материала редкоземельными металлами (РЗМ).

Целью настоящей работы являлось получение стали 110Г13Л, модифицированной специальным модификатором, и исследование ее физико-механических свойств, влияющих на конструкционную прочность материала.

Традиционные направления совершенствования свойств материалов за счёт их состава практически исчерпаны. В основном свойства материалов зависят от структурного строения материала на макроуровне. В металлургии известно, что стали и сплавы с мелкокристаллической структурой обладают рядом преимуществ конструкционных и технологических свойств перед сталями и сплавами с крупнокристаллической структурой. Одним из перспективных направлений получения сплавов с мелкокристаллической структурой является их модифицирование.

Модифицирование стали комплексными сплавами, содержащими химически активный элемент – кальций является одним из эффективных способов улучшения качества металлопродукции. При этом прямые затраты по использованию модификаторов составляют 0,2…0,3%, что мало влияет на себестоимость отливок.

Обработка металла комплексными сплавами типа ферросиликоалюминия с кальцием (ФАСК) позволяет достигать более высокой степени рафинирования от оксидных неметаллических включений, более равномерного распределения в слитке оставшихся или вновь образовавшихся выделений. Этот эффект связан с тем, что возникновение комплексных зародышей оксидной фазы в расплавах железа вследствие их более низкого межфазного натяжения может происходить при более низких пересыщениях, вследствие чего формирование крупных и в дальнейшем полнее удаляемых из расплава первичных продуктов раскисления идет более активно (Концентрационные условия зарождения продуктов раскисления алюминия, титана, кремния в жидком железе. \ Д.Я. Поволоцкий, В.Е. Рощин,А.Д. Дрозин, Ю.В. Сорокин \\ Изв. АНСССР. Металлы. 1977, № 2).

Известен, например, результат (Влияние металлического кальция и бария на дендритную структуру и неметаллические включения стали 20Л. \ С.В. Коваленко, В.И. Кучкин, В.С. Коваленко\\ Изв. вузов ЧМ. 1990, № 12), когда вследствие воздействия кальция и бария произошло измельчение дендритных осей. Модифицирование кальцием привело, по данным авторов этой работы, к увеличению количества содержащих серу соединений в осях дендритов при концентрации кальция в металле 0,004%.

Эффективность введения в жидкий расплав комплекса щелочноземельных элементов в литературе многократно доказана. На наш взгляд, при этом важно, чтобы поверхностно-активные примеси к моменту начала затвердевания присутствовали в кристаллизующемся расплаве в растворе, а не только в виде соединений с серой и кислородом. Добиться этого можно, по-видимому, только при условии обработки металла кальцием или другими легкоокисляющимися элементами непосредственно перед затвердеванием слитка или отливки, например в ходе разливки металла, а не в ковше.

При введении в стальной расплав кальция — элемента, обладающего более высокой раскислительной способностью, чем алюминий, наблюдается трансформация оксидов алюминия в алюминаты кальция, формирующиеся к тому же в сульфидной оболочке. В результате получают отливки с более высокими механическими свойствами, пониженной трещиночувствительностью.

Включение во внепечную обработку операции модифицирования металла простейшей композицией в виде силикокальция позволяет существенно снизить загрязненность металла неметаллическими включениями, повысить уровень механических характеристик, а применение более сложного по составу сплава ФАСК можно ожидать повышение потребительский свойств с большей гарантией.

Остроугольные продукты раскисления алюминием являются концентраторами напряжений и источниками образования микротрещин — ловушек атомарного водорода. Поcле образования молекул и повышения давления водорода трещины расширяются. Это явление является причиной высокой скорости коррозии металла. В модифицированном металле с глобулярными включениями, приобретающими в результате деформации чечевицеобразную форму, микротрещин значительно меньше.

Коррозионностойкие стали (типа Х18Н9Т) - эти высоколегированные стали по сравнению с углеродистыми и легированными конструкционными сталями являются труднодеформируемыми, с низким уровнем пластичности при деформации. Высокохромистые коррозионностойкие стали аустенитного, ферритного и мартенситного классов склонны при затвердевании слитков к образованию крупнозернистой транскристаллической структуры.

Модифицирование данных марок стали комплексными кальцийсодержащими сплавами типа ФАСК во время разливки в слитки и отливки готовых деталей можно значительно повысить их механические свойства.

Модифицирование металла комплексом щелочноземельных элементов позволяет получить более надёжные показатели коррозионной стойкости стали и может с этих позиций являться альтернативой ее вакуумирования.

Выплавка самоупрочняющейся стали 110Г13Л с обработкой сплавов ФАСК также значительно повысит механические свойства стали при правильной термообработке. Модифицирование стали модификаторами дает возможность снизить температуры разливки стали за счет повышения ее жидкотекучести, что значительно влияет на экономику процесса подготовки и разливки металла, позволяет ослабить развитие горячих термических трещин и других дефектов газоусадочного характера.

Для выполнения работы проведен патентный поиск с обоснованием вы­бранного направления исследований (приложение А).

1 Определение оптимальной шихтовки плавки (выбор видов шихтовых, флюсующих материалов для выплавки спецстали)

1.1 Уточнение технологических параметров выплавки

Разработан оптимальный состав металлошихты.

Выплавку спецсталей, необходимо будет произвести двумя способами:

- переплавом легированного лома соответствующей группы;

- переплавом легированного лома с подшихтовкой плавки стальным габаритным ломом 2А.

Выплавку самоупрочняющейся стали 110Г13 приозводить с использованием легированного стального лома износостойкой стали с повышенным содержанием марганца (группа Б 22), а коррозионностойкой и жаропрочной с повышенным содержанием хрома и никеля (группа Б 26) согласно ГОСТ 2787.

При дефиците легированного лома в шихту плавки добавлять стальной габаритный лом 2А.

Масса кусков легированного и габаритного лома должна обеспечить их плотную укладку в завалочную бадью и печь. Максимальная масса отдельных кусков тяжеловесного лома и их габариты регламентируются в зависимости от объема завалочной бадьи и емкости печи.

Металлошихта не должна быть промасленной, замусоренной, т.е. в шихте не должно быть взрывоопасных, токоизолирующих предметов (ветошь, огнеупоры, деревянные изделия), а также цветных металлов.

При выплавке самоупрочняющейся стали 110Г13 при необходимости науглероживания использовать бой чугуна, коксовый орешек фракцией 10–25 мм, коксовую мелочь, а также бой электродов, в кусках размером не более 50 мм.

В качестве окислителя применять железорудные окатыши.

В целях получения высокоосновного рафинирующего шлака использовать известняк.

Для разжижения шлака применять плавиковый шпат ГОСТ 29219-91 - фракция не более 60 мм, боксит или бой шамотного кирпича, фракцией 0-5 мм.