М.А. Крупин (ФГУП «ПО Уралвагонзавод», г. Нижний Тагил), А.А. Филиппенков (ЗАО «НПП ФАН», г. Екатеринбург), С.И. Попов (ФГУП «УО ВНИИЖТ», г. Екатеринбург), А.А. Шарапов (ФГУП «ПО Уралвагонзавод»), Л.А. Троп (ЗАО «НПП ФАН»), Д.Ю. Пимнев (ООО НПК «МеталлТехноПром», г. Иркутск), С.В.Афанасьев (ООО НПК «МеталлТехноПром»), А.Л. Суслов (ФГУП «ПО Уралвагонзавод»), Л.П. Погорелова (ФГУП «ПО Уралвагонзавод»)
Имеющие место в эксплуатации случаи аварийных отказов литых вагонных деталей из стали 20ГЛ с усталостным и даже хрупким характером разрушения чаще всего объясняются неблагоприятной структурой стали и наличием в ней неметаллических включений остроугольной формы, а также не выявленными при неразрушающем контроле литейными дефектами с недопустимыми размерами. В связи с этим происходит ужесточение предъявляемых к вагонным деталям технических требований, особенно к несущим деталям тележек.
Действующий отраслевой стандарт ОСТ-32.183-2001 на боковые рамы и надрессорные балки тележек предусматривает, наряду с другими показателями механических свойств, систематическое определение ударной вязкости на образцах с острым надрезом КСV-60°С при нормированном значении 167 кДж/м2, которое, однако, не является браковочным признаком ввиду значительного разброса результатов испытаний. Несмотря на то, что сдаточные свойства выплавляемой на металлургическом заводе ФГУП «ПО Уралвагонзавод» мартеновской стали марки 20ГЛ существенно превосходят требования отраслевого стандарта, у значительной части плавок величина КСV-60°С не удовлетворяет установленному нормативу, что объясняется неблагоприятным влиянием неметаллических включений в структуре металла.
Имеет место так-же весьма высокий брак отливок по литейным дефектам, прежде всего по раковинам различного происхождения и горячим трещинам. Основной причиной их образования является повышенная начальная температура заливки (1590°С), необходимая для обеспечения жидкотекучести металла. Поэтому актуально совершенствование технологии выплавки и внепечной обработки стали для обеспечения стабильно высокого уровня литейно-механических свойств и, прежде всего, за счет ее модифицирования.
Поскольку исходный уровень механических свойств мартеновской стали 20ГЛ, выплавляемой на ФГУП «ПО Уралвагонзавод», высокий, то для обеспечения стабильности значений КСV-60°С применение дорогих модификаторов не рентабельно. Поэтому было обращено внимание на получивший в последние годы широкое распространение природный барий-кальций-стронциевый минерал на основе бентонита (Ва, Са, Sr)CO3, применяемый в обогащенном виде под маркой БСК-2 для модифицирования различных металлов и сплавов. Его основными составляющими являются окислы кремния, бария, кальция и стронция, химически связанные с углекислым газом в карбонаты, при среднем содержании (%): 24,8 SiO2; 16,0 ВаО; 21,5 СаО; 5,5 SrO; 18,0 CO2; последний компонент выделяется из карбоната при термическом разложении в процессе взаимодействия с расплавом.
Благоприятное воздействие модифицирования щелочноземельными металлами на металлургические процессы и свойства металлов общеизвестно. Эффективным технологическим приемом, позво-ляющим существенно повысить хладостойкость литых сталей, является обработка их комплексными лигатурами, содержащими ЩЗМ.
Кальций, стронций и барий, благодаря их химической активности, обладают большим сродством к кислороду и большинству его соединений. Эти элементы, особенно кальций, проявляют высокое рафинирующее воздействие на различные сплавы как самостоятельно, так и в виде окислов. Без окиси кальция невозможно проведение большинства металлургических процессов. Высокой рафинирующей способностью обладают также оксиды бария и стронция, которые, находясь в восстановительных шлаках, усиливают их активность и обеспечивают более глубокое рафинирование стали на границе «металл-шлак» вследствие повышения констант десульфурации и дефосфорации.
Однако десульфирующая и модифицирующая способность подобных лигатур в значительной мере определяется степенью раскисленности стали. Это объясняется тем, что ЩЗМ обладают высоким сродством как к кислороду, так и к сере, и в случае низкого содержания алюминия в стали в основном расходуются на раскисление. С увеличением концентрации алюминия содержание несвязанного кислорода в стали уменьшается и, следовательно, вероятность взаимодействия ЩЗМ с серой возрастает. При концентрации остаточного алюминия в стали менее 0,03% наблюдается падение ударной вязкости, связанное с присутствием пленок сульфидных эвтектик, располагающихся по границам зерен (второй тип включений по классификации Симса и Даля).
В этом случае обработка стали комплексным модификатором мало-эффективна в связи с тем, что основная часть его расходуется на раскисление, а загрязненность его пленочными сульфидами практически не меняется.
Повышение ударной вязкости стали, обработанной ЩЗМ, наблюдается при относительно высоких концентрациях алюминия. Кальций в этом случае принимает активное участие в формировании оксисульфидных глобулярных включений.
Вследствие того, что сульфиды кальция и сульфиды марганца образуют ряд твердых растворов с высокой температурой плавления, происходит выделение комплексных сульфидов на более ранней стадии кристаллизации стали. Комплексные сульфидные включения, содержащие CaS, хорошо ассимилируются известково-глиноземными расплавами — продуктами раскисления. Поэтому в стали, раскисленной алюминием и ЩЗМ, выделяющаяся оксидная фаза оказывается в сульфидной оболочке. В этом случае оксидные сегрегации А12О3 остроугольной формы превращаются в глобулярные, равномерно распределенные в объеме металла, частицы, что существенно уменьшает их отрицательное влияние как концентраторов напряжений.
Известно также, что модифицирование стали 20ГЛ, в частности лигатурой КЦеЖ на основе церия, позволяет повысить ее механические свойства до требуемого нормативной документацией уровня, при этом рекомендуемое количество вводи-мого модификатора составляет 1,5-1,7 кг на тонну жидкой стали [1]. Этот модификатор хоть и дешевле ферроцерия, но все же увеличивает себестоимость вагонного ли-тья на ~ 6%, что компен¬сируется снижением брака отливок по механическим свойствам.
По данным промышленного применения БСК-2, его карбонатная форма эффективно работает как в жидком металле, так и в шлаках [1]. Отмечается, что при обработке стали этим модификатором уменьшается количество неметаллических включений в расплаве, улучшается структура фазовых составляющих и возрастают показатели литейно-механических свойств. Более значительный эффект модифицирования получен при обработке сталей аустенитного класса, в частности 110Г13Л, что объясняется высоким содержанием марганца и углерода.
При этом необходимо учитывать, что по действующим техническим требованиям ТТ ЦВ-32-695-2006 на литые несущие детали вагонных тележек после термической обработ¬ки по режиму нормализации должно обеспечиваться получение мелкозернистой структуры стали с номером зерна не ниже 8-го по ГОСТ 5639-82. Поэтому были правомочны сомнения относительно действительной эффективности модифицирования стали феррито-перлитного класса барий-кальций-стронциевым карбонатом.
На металлургическом заводе ФГУП «ПО Уралвагонзавод» выполнены исследования различных вариантов печного и внепечного модифицирова¬ния мартенов-ской стали 20ГЛ с использованием модификатора БСК-2 пер¬вого класса крупности (размер кусков в поперечнике 10×70 мм).
Опытно-промышленные плавки проводились в 60-тонной мартеновской печи с основной футеровкой, которые разливались в два 30-тонных ковша. Большой объем жидкой ванны вызывает необходимость значительного нагрева металла перед выпуском из мартеновской печи до температуры не ниже 1620°С, что увеличивает продолжительность металлургического процесса, а следовательно, и продолжительность воздействия восстановительного шлака на футеровку печи. Это оказывает существенное влияние на характер физико-химических процессов раскисления и модифицирования стали по сравнению с обработкой металла, выплавляемого в электропечи и разливаемого в ковши меньшей емкости.
Проведенная серия плавок по различным вариантам модифицирования стали 20ГЛ в мартеновской печи не позволила сделать достаточно надежные выводы об эффективности барий-кальций-стронциевого карбоната при введении в печь в количестве 2-7 кг на тонну жидкой стали в конце плавки (за 10 мин до выпуска). Более того, установлено негативное влияние на стойкость футеровки печи оксидов бария и стронция, образующихся из карбонатов при их термическом разложении. В худшем состоянии были также футеровка и стопор ковша. В некоторых плавках металл при разливке был потерян. Одновременно установлено улучшение жидкотекучести и снижение содержания в стали газообразующих примесей кислорода, азота и водорода. Средние массовые доли кислорода и водорода снизились почти на треть, отмечено также некоторое уменьшение содержания серы и фосфора (на ~10 %); по химическому составу модифицированная сталь практически не отличалась от металла серийной выплавки.
Прочностные свойства и ударная вязкость КСV-60°С у стали, модифицированной, и серийной плавок находились практически на одинаковом уровне при несколько более высоких показателях пластических свойств. Однако диапазон значений ударной вязкости КСV-60°С y стали, обработанной БСК-2, был шире, хотя и при более высокой максимальной величине (табл. 1). Этот факт можно объяснить только отрицательным влиянием неметаллических включений, попадающих в металл вследствие разъедания футеровки печи и ковша мартеновским шлаком, обогащенным высокоактивными оксидами бария и стронция.
По результатам металлографических исследований структуры стали 20ГЛ, модифицированной в мартеновской печи БСК-2, установлено наличие неметаллических включений в виде сульфидов и алюмосиликатов, при этом существенной глобуляризации сульфидов не отмечено. Микроструктура модифицированного и серийного металла и балльность зерна удовлетворяли техническим требованиям и практически не отличались.
На основании полученных результатов исследований, несмотря на удовлетворяющие требованиям отраслевого стандарта значения показателей механических свойств, модифицирование в мартеновской печи стали 20ГЛ барий-кальций-стронциевым карбонатом признано неперспективным.
Дальнейшие эксперименты по обработке мартеновской стали кусковым модификатором БСК-2 проводились его введением в ковш. При тепловом воздействии расплавленной стали, нагретой до температуры выше 1600°С, карбонаты бария и стронция, имеющие плотность около 3,5 г/см3, термически разлагаются под струей заливаемой стали с выделением пузырьков СО2 в поверхностном слое металла. Происходящее интенсивное перемешивание расплава усиливает эффект рафинирования стали от неметаллических включений и газов, а также усредняет по объему ковша температуру и химический состав металла. Рафинирование и модифицирование позволяют эффективно воздействовать на процесс адсорбции за счет удаления вредных примесей и газов, изменяя характер кристаллизации и перераспределения кристаллизующихся фаз и их количества. Поэтому обработка стали барий-стронций-кальциевым карбонатом существенно повышает ее литейные свойства (жидкотекучесть и трещиноустойчивость) и механические характеристики (прочность, износостойкость и хладостойкость).
Поскольку в отличие от модифицирования стали 20ГЛ в мартеновской печи продолжительность физико-химического воздействия металла и восстановительного шлака на образующиеся при разложении карбоната оксиды бария и стронция существенно ниже, то вследствие этого «живучесть» модификатора существенно повышается и сохраняется в течение всего периода заполнения ковша и его последующей разливки. Поэтому и процессы вторичного окисления разливаемой стали протекают в меньшей степени. Вследствие этого достигается уменьшение размеров дендритных кристаллов и зерна металла, что благоприятно проявляется на улучшении литейно-механических свойств стали и качестве отливок.
По опыту некоторых предприятий, ковшовое модифицирование с использованием БСК-2 эффективно при его введении в пределах 4 — 7 кг на тонну жидкой стали [2, 3].
При таком модифицировании отмечается улучшение структуры и свойств стали, достигаемое за счет рафинирующе-модифицирующего действия карбоната: снижается загрязненность стали неметаллическими включениями, особенно сульфидными, их размеры становятся меньше, а форма — близкой к глобулярной, практически исчезают их пограничные выделения.
Необходимо отметить, что данные выводы сделаны по результатам, полученным на сталях не ферритно-перлитного класса, к тому же при обработке расплава модификатором в малотоннажных ковшах. При внепечной обработке стали 20ГЛ в ковшах большой емкости, как в используемых на металлургическом заводе ФГУП «ПО Уралвагонзавод» 30-тонных сифонных ковшах, технология модифицирования требует существенной корректировки из-за значительной продолжительности выпуска металла в ковш и его последующей разливки (до 90 мин с момента выпуска).
При всех исследованных вариантах внепечного модифицирования стали БСК-2 (первого класса крупности) давался на предварительно нагретое дно ковша с после-дующим прогревом по серийной технологии (до красного каления футеровки). Затем перед выпуском из печи расплава в ковш давался чушковый алюминий в количестве 1,5 -1,7 кг/т. В сравнительный ковш алюминий давался в количестве 1,3 кг/т, поскольку по некоторым данным БСК-2 эффективно действует при условии глубокого раскисления стали алюминием. Затем при наполнении ковша металлом до 3 — 7 т вводили ферросплавы в количестве, предусмотренном серийной технологией выплавки стали 20ГЛ.
Количество мартеновского шлака на поверхности жидкого металла в опытном и серийном ковшах не превышало по высоте 200 мм, а выдержка стали перед разливкой составляла 10-15 мин. По ходу плавки производился отбор шлаков по серийной технологии, а также дополнительно брались шлаки перед выпуском и перед разливкой как с модифицированного, так и немодифицированного ковша, а также после разливки ковшей. Отбор проб стали на химический состав и содержание газообразующих примесей производился в начале, середине и конце разливки с каждого ковша. Одновременно с этим заливались трефовидные пробы для изготовления стандартных образцов для испытаний на растяжение и ударную вязкость. В середине разливки металла из сравниваемых ковшей заливались технологические пробы на жидкотекучесть и трещиноустойчивость.
Было установлено, что при внепечной обработке стали модификатором БСК-2 в количестве свыше 3 кг на тонну расплава, но не более 6 кг/т, стабильно повышаются литейно-технологические свойства стали и обеспечивается полная разливка металла. При количестве вводимого БСК-2 равного 7 кг/т имело место разъедание футеровки ковша и стопора, вследствие чего повысилось загрязнение металла неметаллическими включениями, а в структуре нормализованной стали выявлены участки перегрева с увеличением размеров зерен и снижением их балльности менее № 8 по ГОСТ 5639-82, что не допускается действующими техническими требованиями. Наилучший эффект внепечного модифицирования мартеновской стали 20ГЛ барий-кальций-стронциевым карбонатом получен при введении в ковш модификатора в количестве 5 кг/т и чушкового алюминия в количестве 1,7 кг/т. Химические составы опытной и серийной плавок приведены в табл. 2.
Обращает на себя внимание хотя и небольшое (около 7%), но стабильно повторяющееся повышение массовой доли марганца и снижение содержания серы в модифицированной стали, что подтверждает устойчивую тенденцию восстановления марганца из находящихся в расплаве его сульфидов оксидами бария и стронция, протекающего во взаимодействии с алюминием. Незначительное увеличение в модифицированной стали содержания фосфора следует отнести на его восстановление за счет глубокого раскисления алюминием по сравнению с металлом серийной плавки. Механические свойства сравниваемых вариантов внепечной обработки стали 20ГЛ приведены в табл. 3.
Они свидетельствуют, что показатели прочности и ударной вязкости модифицированного БСК-2 металла существенно превосходят сравниваемые значения серийной стали. Следует также отметить достаточно хорошее усреднение механических свойств по объему ковша. Несколько ниже оказались показатели пластических свойств σ и Ψ, что объяснимо, но они, тем не менее, существенно превосходят требуемые отраслевым стандартом минимальные пределы. Заслуживает внимание почти двукратное повышение ударной вязкости KCU-60, по сравнению с металлом серийной плавки.
Имеющееся снижение ударной вязкости КСV-60 в конце разливки следует считать не существенным, т.к. она заметно выше полученных значений на серийной стали. Учитывая, что последним металлом из ковша по регламенту заливаются формы для отливок менее ответственного назначения, применение дополни-тельных технологических мероприятий по усреднению свойств металла в ковше, например продувкой аргоном, нерационально.
Проведенные стендовые усталостные испытания боковых рам, отлитых из модифицированной БСК-2 стали, показали повышение ограниченной выносливости в 2,5 раза по сравнению с нормативным значением. Очевидно, следует ожидать дополнительного улучшения механических и эксплуатационных свойств стали 20ГЛ при совершенствовании технологии ковшового модифицирования при использовании дробленого БСК-2 или второго класса крупности (размер кусков в поперечнике от 10 мм до пылевидного).
Таким образом, результаты опытно-промышленной отработки на металлургическом заводе ФГУП «ПО «Уралвагонзавод» технологии модифицирования мартеновской стали 20ГЛ природным барий-кальций-стронциевым карбонатом БСК-2 свидетельствует о возможности существенного улучшения комплекса ли-тейно-механических свойств стали и снижения брака отливок с реально достигаемым на предприятии высоким технико-экономическим эффектом.
Список литературы
1. Солдатов В.Г., Кульбовский И.К., Мануев М.С. Применение модифицирования стали 20ГЛ для отливок железнодорожного транспорта. — Труды 7-го съез-да РАЛ. — Т.1.- Новосибирск: Историческое наследие Сибири, 2005. — с. 179-182.
2. Андреев И.Д., Афонаскин А.В., Бажова Т.Ю., Дородный В.Д. Влияние технологических параметров модифицирования комплексными модификаторами на свойства отливок // Литейное производство. — 2002. — №6. — с.13-15.
3. Черняк С.С., Ромен Б.М. Высокомарганцовистая сталь в машиностроении.- Иркутск: Иркутский университет, 1996. — с. 165-201.
