Литі конструкційні сталі з барієм для деталей підвищеної надійності гірничозбагачувального обладнання

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ

ЗАПОРІЗЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ЛИТІ КОНСТРУКЦІЙНІ СТАЛІ З БАРІЄМ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ ПІДВИЩЕНОЇ НАДІЙНОСТІ ГІРНИЧОЗБАГАЧУВАЛЬНОГО ОБЛАДНАННЯ

Анотація

Самойлов В.Є. Литі конструкційні сталі з барієм для деталей підвищеної надійності гірничозбагачувального обладнання. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 - матеріалознавство. - Запорізький державний технічний університет, Запоріжжя, 1999.

У роботі вирішена науково-технічна задача, пов'язана з підвищенням надійності деталей гірничозбагачувального обладнання із конструкційних сталей. Для покращення комплексу властивостей литих виробів, а також техніко-економічних показників їх виробництва до складу сталей вводиться барій.

Визначено оптимальне відношення введеного барію до сірки, що міститься у сталі, яке забезпечує максимальний ефект від модифікування.

Встановлено нові відомості про механізм поведінки барію у металі та його вплив при окремому і комплексному модифікуванні на механічні, технологічні та службові властивості сталевого литва.

Основні результати роботи знайшли практичне застосування при виготовлені деталей у гірничозбагачувальній галузі.

Ключові слова: барій, модифікування, сталь, властивості.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми. В теперішній час для машинобудівників залишаються актуальними задачі, пов'язані з підвищенням надійності та довговічності деталей машин і технологічного обладнання. Вихід з ладу окремих деталей через поламання або знос обмежує тривалість нормальної експлуатації обладнання, спричиняє підвищення випуску запасних частин і різко знижує ефективність виробництва.

Аналіз причин виходу з ладу деталей із конструкційних марок сталей показав, що одним із визначних факторів, які впливають на надійність і довговічність литих деталей, є концентрація шкідливих домішок та газів як розчинених у сталі, так і тих, що знаходяться у вигляді неметалевих вкраплень. Тому актуальною задачею сучасності в матеріалознавстві є творіння нових і удосконалення існуючих марок сталей шляхом вводу до їх складу елементів, що забезпечують очищення від шкідливих домішок, дозволяють керувати природою неметалевих вкраплень і структурою з метою покращення фізико-механічних і службових властивостей литих виробів. барій сталь неметалевий прожарювання

Серед різних компонентів, які мають найбільші рафінуючи властивості і дозволяють керувати природою, формою і топографією неметалевих вкраплень, а також структурою сталі, лужноземельні метали (ЛЗМ) і рідкоземельні метали (РЗМ) знайшли широке застосування для отримання оптимальних фізико-механічних, технологічних і експлуатаційних властивостей литих деталей. При цьому барій як ЛЗМ є найменше вивчений елемент, який можна використовувати для підвищення надійності і довговічності деталей із конструкційних литих сталей.

Наявність родовищ барієвих руд на території України і країн СНД, промислове освоєння технологій по виробництву лігатур, що містять барій, а також порівняльний аналіз фізичних властивостей ЛЗМ роблять актуальною задачу застосування барію в практиці сталеливарних цехів.

Але до теперішніх часів немає єдиної думки щодо питання про можливість використання як окремо барію, так і разом із загальновизнаними модифікаторами кальцієм і РЗМ для отримання кращого сполучення властивостей конструкційних литих сталей. Практично не вивчений механізм поведінки барію в сталях. Не знайшло належного висвітлювання питання про оптимальне співвідношення барію до шкідливих домішок у металі, що забезпечує максимальний ефект модифікування. Не досить розкритий механізм дії барію, що пояснює поліпшення механічних і службових властивостей сталевих деталей.

Все викладене вище зумовило необхідність і актуальність цієї роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проводились згідно з задачами, які були поставлені регіональними цільовими комплексними програмами “Сталь” і “Прочность” ( наказ Міністерства вищих навчальних закладів СРСР №1290 від 28.12.1982р.) по темах: “Опрацювання і впровадження технології виробництва електросталі зі зниженим вмістом шкідливих домішок для виливків гірничозбагачувального обладнання”, № держреєстрації 01870012364, “Удосконалення технології розкислення і модифікування залізовуглецевих сплавів для фасонного лиття і зливків”, № держреєстрації 01890015350 і “Опрацювання і впровадження технологічного процесу виготовлення виливків “решітка” для млинів кульового розмелювання з метою збільшення міжремонтного циклу”, № держреєстрації 01890016745.

Мета дисертаційної роботи: підвищення надійності і довговічності деталей із конструкційних сталей, шляхом вводу до їх складу окремо барію або в комплексі з кальцієм та РЗМ, для покращення механічних, технологічних і експлуатаційних властивостей литих виробів, а також техніко-економічних показників їх виробництва.

Для досягнення цієї мети необхідно було вирішити наступні задачі:

1. Проаналізувати можливість і доцільність використання барію при виробництві конструкційних литих сталей.

2. Дослідити механізм впливу барію при окремому і комплексному модифікуванні на властивості рідкої сталі, склад, форму і топографію неметалевих вкраплень, бал зерна, газомісткість, прожарювання і, як наслідок, на комплекс фізико-механічних, технологічних і експлуатаційних характеристик сталевого литва.

3. Визначити оптимальне співвідношення введеного барію до шкідливих домішок у сталі, що забезпечує максимальний ефект від модифікування.

4. Дослідити роль барію у поліпшенні якісних показників сталі (фізико-механічних властивостей, структури, коефіцієнту глобуляризації неметалевих вкраплень, наявність газів у металі) при комплексному модифікуванні.

5. Розробити склад конструкційних литих сталей для деталей підвищеної надійності шляхом застосування лігатур, що містять барій і забезпечують наявність його у металі.

6. Дослідити спеціальні технологічні прийоми введення барію до складу сталі з метою підвищення ефективності використання останнього для поліпшення якості сталевих литих виробів.

7. Провести промислові випробування і впровадження результатів дослідження у виробництво.

Методи досліджень. При виконанні поставлених задач використовувались лабораторні і промислові методи плавлення та термічної обробки металу, різноманітні методи визначення механічних властивостей при кімнатній, підвищеній та низькій температурах, вірогідні методи аналізу технологічних і службових характеристик, сучасні методи аналізу структур і неметалевих вкраплень, об'єктивні методи визначення барію і активності кисню, спеціальні прийоми введення барію до складу сталі, а також спеціально розроблені нові методи, що дозволили дослідити механізм поведінки барію у металі і його вплив на властивості сталі.

Наукова новизна одержаних результатів. Під час виконання досліджень автором отримано наступні наукові результати:

- нові відомості про механізм поведінки барію у металі і його вплив при окремому і комплексному модифікуванні сталі на склад, форму і топографію неметалевих вкраплень, гранулярність структури, вміст газів, прожарювання і, як наслідок, на комплекс механічних, технологічних та експлуатаційних властивостей сталевого литва;

- вперше визначено оптимальне відношення введеного барію до сірки, що міститься у металі, яке дорівнює 2,00,5 і забезпечує наявність барію у сталях та максимальний ефект від модифікування;

- встановлено вплив методів вводу барію до складу сталей на зниження вмісту сірки та покращення механічних властивостей.

Практичне значення одержаних результатів. В дисертаційній роботі практично підтвердили позитивний вплив як окремо барію, так і в комплексі з кальцієм і РЗМ на технологічні, механічні і експлуатаційні характеристики конструкційних литих сталей. В результаті проведених досліджень опрацювали і впровадили у виробництво сталі, що містять барій, для деталей технологічного обладнання гірничопереробної та гірничодобувної промисловості, склад яких захищено авторськими свідоцтвами (А.с. №1654369 СРСР, МКИ⁵ С 22 С 38/46; А.с. №1752822 СРСР, МКИ⁵ С 22 С 38/50; А.с. №1650754 СРСР, МКИ⁵ С 22 С 38/16). Впровадження результатів роботи у виробництво на Криворізькому центральному рудоремонтному заводі (КЦРЗ), Полтавському гірничозбагачувальному комбінаті (ПолГЗК) і Північному гірничозбагачувальному комбінаті (ПівГЗК) дозволило істотно покращити техніко-економічні показники виробництва за рахунок зниження браку литва, усунути поламання деталей в процесі експлуатації, підвищити стійкість литих сталевих виробів і отримати економічний ефект більший за 260 тис. карбованців на рік (у цінах 1990 року).

Апробація результатів роботи. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на науково-технічних конференціях “Неметалеві вкраплення та гази у ливарних сплавах” (вересень 1982, 1988, 1991, 1997, Запоріжжя), науково-технічних конференціях “Нові конструкційні сталі та стопи і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів” (вересень-жовтень 1989,1998,Запоріжжя), науково-технічній конференції з сучасних проблем електрометалургії сталі (1987, Челябінськ), науково-технічній конференції “Механізація і підвищення ефективності технологічних процесів виробництва виливків металургійного обладнання (жовтень 1986, Дніпропетровськ), науково-технічній конференції “Ресурсозберігаючі технологічні процеси у ливарному виробництві” (1988, Орджонікідзе), науково-технічних конференціях “Технічне переозброєння і впровадження нових ресурсозберігаючих технологій у електросталеплавильному виробництві” і “Підвищення технічного рівня і удосконалення технологічних процесів виробництва виливків” (1989, 1990, Дніпропетровськ), на науково-технічному семінарі “Підвищення якості виливків і зниження шкідливого впливу ливарного виробництва на навколишнє середовище” (червень 1990, Запоріжжя-Москва).

В повному обсязі робота доповідалась на кафедрі “Машини і технологія ливарного виробництва” ЗДТУ та на міжкафедральному науково-тематичному семінарі “Матеріалознавство”.

Публікації. По матеріалах дисертаційної роботи опубліковано двадцять наукових праць, з них чотири авторських свідоцтва на винаходи.

Структура та об'єм роботи. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, загальних висновків, що викладені на 144 сторінках машинописного тексту, списку використаних джерел, який налічує 149 найменувань, та 9 додатків. Робота містить 40 таблиць та 32 рисунки.

2. Зміст роботи

У вступі викладено загальну характеристику роботи, обгрунтовано актуальність та важливість питань, які розглядаються в дисертації, визначені мета і задачі дослідження, сформульовані основні наукові положення, що виносяться на захист, та практичне значення і цінність одержаних результатів.

Перший розділ носить оглядовий характер і присвячений аналізу можливості, доцільності і перспективності застосування барію при виробництві литих виробів із конструкційних марок сталей.

Наведено порівняльний аналіз властивостей барію та його хімічних сполук з іншими ЛЗМ. Визначено теоретичну можливість застосування лігатур, що містять барій для поліпшення якості сталевих литих виробів.

Відзначено суперечливі дані по питаннях розкисляючої і рафінуючої спроможності барію у сталях та його впливу на формування неметалевих вкраплень, структуру і вміст газів. Вивчення цих питань актуально для підвищення експлуатаційних характеристик литих деталей.

Показано, що для підвищення механічних властивостей сталей необхідно використовувати елементи-модифікатори ЛЗМ, тобто поверхнево-активні речовини. Приведені в науковій літературі результати поверхневої активності барію теоретично дуже цікаві, але потребують додаткових досліджень особливо в порівнянні з іншими ЛЗМ, що використовуються в практиці сталеливарних цехів.

Визначено, що на фізико-механічні властивості сталей впливає метод вводу модифікаторів. Тому необхідно випробовувати спеціальні технологічні прийоми введення барію до складу сталей з метою підвищення ефективності використання останнього для покращення якості сталевих литих виробів.

Показано, що підвищена окислюванність барію і його нерозчинність у металевій матриці заліза утворюють значні складнощі у визначенні вмісту цього елемента у сталях. Існуючі методи дають суперечливі результати. Неоднозначність у визначенні вмісту барію у сталях потребує додаткових досліджень у виборі простої і об'єктивної методики його аналізу.

Встановлено, що у наукових літературних джерелах мало даних про механізм впливу барію на механічні, технологічні властивості та структуру литих конструкційних сталей. Тому в даній роботі ці питання додатково досліджувались.

Зроблено екологічну оцінку застосування у виробництві силікобарію замість силікокальцію. Показано їх рівноцінність у екологічному відношенні.

Відзначено, що для покращення експлуатаційної стійкості і надійності литих деталей необхідно підвищення чистоти сталі по шкідливим домішкам або нейтралізація їх негативного впливу, а також керування природою неметалевих вкраплень з метою отримання потрібних властивостей сталі. Тому необхідно визначити оптимальне відношення барію до шкідливих домішок, що забезпечує максимальний ефект від модифікування.

Зроблено висновок, що незважаючи на велику кількість робіт вітчизняних і закордонних дослідників у галузі забезпечення високого рівня характеристик конструкційних сталей, питання підвищення надійності і довговічності литих деталей залишаються надто актуальними. Позитивне рішення цих питань можливо шляхом вводу до складу сталей окремо барію або в комплексі із загальновідомими модифікаторами (кальцієм і РЗМ) для поліпшення механічних, технологічних і експлуатаційних властивостей литих виробів, а також техніко-економічних показників їх виробництва.

Другий розділ присвячений опису матеріалів і методів досліджень.

Об'єктом дослідження були обрані конструкційні сталі (вуглецеві, економнолеговані, високолеговані), механічні, технологічні та експлуатаційні властивості яких підвищувались за рахунок використання окремо барію в порівнянні з кальцієм і РЗМ або в комплексі з цими елементами. Обрані сталі використовуються для виготовлення деталей гірничозбагачувального обладнання.

Дослідні плавки сталей проводили у ливарній лабораторії ЗДТУ в індукційних печах місткістю 9, 60, 120 кг з кислою та основною футеровками. Промислові плавки сталей проводили в умовах фасоносталеливарних цехів КЦРЗ і ПолГЗК у електродугових печах з основною футеровкою типу ДС-6Н1 і ДС-12Н2. Плавки вели на свіжій шихті методом сплавлення в індукційних і з окисленням в електродугових печах. При проведенні дослідних плавок застосовували порційний метод відбору металу з печі, що позволило уникнути впливу сторонніх чинників і отримати більш вірогідні результати.

Дослідження проводили на литих зразках (ДЕСТ 977-88) і зразках виготовлених з конкретних промислових деталей.

Термообробку зразків дослідного металу здійснювали в лабораторних електропечах, а промислових плавок у камерних печах на газовому паливі з автоматичним регулюванням і контролем температур.

Сталі обробляли феросилікобарієм марок ФС65Ба17 (18% барію) - ФС55Ба32 (33% барію) по ТУ 14-5-160-84. Для отримання порівняльних характеристик і вивчення комплексного модифікування використовували силікокальцій (ДЕСТ 4762-71) марок СК-20 (18% кальцію) і СК-30 (33% кальцію), а також лігатуру з РЗМ на базі кремнію марки ФС30РЗМ30 по ТУ 14-5-136-81, що містить 33% РЗМ.

Контроль хімічного складу, вмісту газів, структури, розмірів зерна австеніту, забрудненості неметалевими вкрапленнями і механічних властивостей при низьких та підвищених температурах проводили у відповідності з існуючими стандартами. Барій визначали по спеціально підібраному методу на спектрографі ДФС-13. Для фотометрірування використовували аналітичні лінії барію 455,403 нм. Коефіцієнт глобуляризації неметалевих вкраплень (К_г) визначали як відношення індексів забрудненості глобулярними (I_гл) вкрапленнями до загального (I_заг). Неметалеві вкраплення з барієм аналізували на рентгенівському мікроаналізаторі фірми “Хітачі” ХМА-5В. Мікрофрактографічні дослідження металу і неметалевих вкраплень проводили на електронному мікроскопі УЕМВ-100К. Лабораторні випробування на ударно-абразивний знос сталей проводили на напівпромисловому кульовому млині. Для дослідження рідкотекучості застосовували спіральну пробу Керрі. Прожарювання сталі визначали методом торцевого гартування по ДЕСТ 5657-69.

З метою підвищення ефективності використання барію випробовували спеціальне обладнання і технологічні прийоми введення барію до складу сталей (вдування порошку у струмені нейтрального газу і присадки порошкового дроту).

Для вивчення механізмів поведінки і дії барію при розкисленні та модифікуванні сталей з метою підвищення механічних і службових характеристик деталей використовували спеціальні методики та устаткування (установку по визначенню активності кисню у металі, удосконалений спосіб дослідження поверхневої активності ЛЗМ методом лежачої краплі, метод контролю газової фази у процесі обробки рідкої сталі лігатурами, що містять ЛЗМ).

Математичну обробку експериментальних даних здійснювали із застосуванням сучасних приладів і засобів обчислювальної техніки.

Третій розділ присвячений дослідженням по уточнюванню механізму поведінки барію у сталях і аналізу стійкості та причин виходу з ладу сталевих литих деталей гірничозбагачувального обладнання.

Відомо, що якість литих виробів в основному визначається рідким станом сталі перед заливкою її у форму. Тому провели дослідження механізму поведінки барію у сталі в порівнянні із загальновизнаним модифікатором - кальцієм.

Встановлено, що при температурах металу до 1923 К барій на відміну від кальцію не випаровується і не утворює газоподібні сполучення, а взаємодіє у рідкому стані з домішками, які негативно впливають на експлуатаційну стійкість литих деталей.

Підтверджено малу розчинність барію у сталях та його високу поверхневу активність. Встановлено, що більша частка барію збирається на поверхні металу у складі шлакової плівки. Це є важливою умовою утворення і видалення неметалевих вкраплень та основним фактором покращення ливарних властивостей при виготовленні якісних литих виробів.

Показано, що барій є сильним розкислювачем-модифікатором. При цьому “живучість” барію вища ніж кальцію, що важливо при взаємодії із шкідливими домішками у сталях.

Визначено підвищення активності барію при його спільному введенні до складу сталі з кальцієм, за рахунок більш інтенсивного і рівномірного розподілу барію у об'ємі металу під дією парів кальцію.

Результати проведеного аналізу стійкості і причин виходу з ладу литих деталей гірничозбагачувального обладнання показали, що основним напрямком підвищення їх надійності є модифікування сталей з метою нейтралізації шкідливих домішок, глобуляризації неметалевих вкраплень, очищення меж литих зерен і забезпечення гомогенної структури. При цьому найбільш перспективним модифікатором є барій.

На рудозбагачувальних фабриках для подрібнення руди використовують млини кульового розмелювання. Надійність роботи цього обладнання залежить від експлуатаційної стійкості литих деталей: черпаків та просіючих решіток. Аналізом умов роботи литих деталей встановлено, що решітки та черпаки працюють у складних умовах гідроабразивного зношування, яке поєднується з ударними навантаженнями. Основні причини виходу з ладу і недостатня стійкість цих деталей це швидкий знос і руйнування у процесі експлуатації.

На гірничозбагачувальних підприємствах черпаки і решітки виготовляються із конструкційних сталей, таких як 110Г13Л, 60Х2СМЛ, 34ХНМЛ, 40ХЛ, 35ГЛ, 45Х2СЛ. Аналіз стійкості литих деталей показав необхідність використання економнолегованої сталі 45Х2СЛ, що має підвищену зносостійкість, твердість та міцність при обов'язковому відношенні в її складі вуглецю до кремнію 1:2,250,25 (А.с. № 1502651 СРСР, МКИ⁴ С22С38/18).

Для стабілізації показників міцності до складу сталі 45Х2СЛ введено ванадій в межах 0,02-0,25%. Додаткове модифікування сталі лігатурами, що містять барій, дозволило підвищити в'язкопластичні характеристики та усунути вихід з ладу деталей через поламання.

Аналізом результатів досліджень по впливу барію на фізико-механічні властивості, структуру, індекс забрудненості металу, а також склад, розподіл і коефіцієнт глобуляризації неметалевих вкраплень у сталях з різним вмістом шкідливих домішок (сірки, фосфору) встановлено оптимальне відношення введеного барію до сірки, яке дорівнює 2,00,5 і забезпечує збільшення в'язкопластичних властивостей (табл. 1).

Таблиця 1 - Вплив барію на властивості сталі 45Х2СФЛ з різноманітним вмістом сірки (нормалізація від 1163 К, відпуск 873 К з охолодженням у воду)

Мікрорентгеноспектральний аналіз глобулярних неметалевих вкраплень у сталях 45Х2СФЛ і 35ГЛ показав наявність в їх складі барію, алюмінію, сірки і відсутність фосфору. Відсутність кремнію у складі глобулярних вкраплень з барієм підтвердило ендогенний характер їх утворення. Такі оксисульфідні вкраплення випадали на початковій стадії кристалізації і розташовувались у середині зерна, що дозволяло отримати більш чисті межі зерен.

Досліджено можливість використання барію для виготовлення виливків із сталі 110Г13Л, в якій практично відсутній вплив вмісту сірки на показники якості. Використовували удосконалений метод лежачої краплі для визначення поверхневої активності барію у порівнянні з кальцієм. Оцінка результатів змочування рідким металом твердих підкладинок дозволила виявити наступну особливість: сталь модифікована барієм мала менші сили зчеплення на розділі рідкої і твердої фаз при доволі високому коефіцієнті розтікання. В реальних умовах при заливанні модифікованої барієм сталі у ливарні форми відбувалося підвищення рідкотекучості з одночасним зменшенням сил взаємодії між рідким металом і матеріалом форми. При цьому відмічено зниження пригару, кількості дефектів та поліпшення якості поверхні виливків.

В четвертому розділі наведено результати дослідження і розробки технології виробництва конструкційних сталей з барієм для литих виробів.

Вивчали окремий та комплексний вплив барію, кальцію і РЗМ на якість сталей 45Х2СФЛ, 25Х18Н9МФТСБЛ і 25Л. При цьому ураховували різні механізми дії модифікаторів у сталі: кальцій випаровується і діє в газоподібному вигляді, РЗМ - розчиняється, а барій працює у рідкому стані і практично не випаровується і не розчиняється у металі.

Підвищення службових характеристик литих деталей можливо за рахунок зниження шкідливих домішок. Але це дуже трудомісткі технологічні операції і в ливарних цехах їм не приділяють належної уваги. Аналіз здавального контролю промислових плавок показав, що в більшій їх частині вміст сірки і фосфору не знижується нижче 0,025-0,030%, а кисню 0,008-0,014%.

Аналіз проведених досліджень показав, що ЛЗМ і РЗМ сприяють підвищенню фізико-механічних властивостей сталі з вмістом сірки 0,03%. При комплексному модифікуванні позитивний ефект від дії ЛЗМ і РЗМ сумується і підсилюється, що приводить до збільшення в'язкопластичних показників сталі в 1,5-2,0 рази (табл. 2), а це перевищує в'язкопластичні характеристики сталі з вмістом сірки 0,008% при незмінних показниках міцності і твердості (див. табл. 1).

Таблиця 2 - Порівняльний вплив модифікаторів на механічні властивості сталі 45Х2СФЛ з вмістом сірки 0,030% (Нормалізація від 1163 К, відпуск 873 К у воду)

Підвищення якості сталі пояснюється модифікуючею дією ЛЗМ і РЗМ. При цьому змінювалась природа неметалевих вкраплень. Зменшувалась частина самостійних сульфідів і збільшувалась частина оксисульфідів переважно кулястої форми. Практично повністю зникали гострокутні вкраплення корунду і збільшувалась частина глобулярних оксидів.

Визначено, що частка впливу барію як на зниження вмісту кисню, так і на підвищення в'язкопластичних властивостей сталей та коефіцієнту глобуляризації неметалевих вкраплень підсилювалась у присутності кальцію і слабнула при наявності РЗМ. Найкраще сполучення властивостей забезпечувалось при комплексному модифікуванні барієм, кальцієм і РЗМ. В цьому випадку спостерігали самий високий коефіцієнт глобуляризації (80%) для сталі з вмістом сірки 0,030% і зниження вмісту кисню приблизно в 2,0 рази.

В гірничопереробній промисловості велика кількість литих деталей в процесі експлуатації спрацьовується на значну глибину. Підвищення надійності і довговічності таких виливків нероз'ємно пов'язано зі збільшенням прожарювання сталі. При окремому і комплексному модифікуванні ЛЗМ і РЗМ в сполученні з алюмінієм, вміст якого в сталі дорівнював 0,025% відмічали подрібнення зерен за рахунок дії цих елементів, як модифікаторів першого роду, тобто поверхнево-активних речовин, робота яких зводиться до виборчої адсорбції на межах кристалів що утворюються, а також в наслідок утворення додаткових центрів кристалізації - тугоплавких оксисульфідних вкраплень. При цьому прожарювання сталі підвищувалось за рахунок локалізації шкідливих домішок і очищення від них меж зерен.

Проведені дослідження дозволили отримати в сталі 45Х2СФЛ високі в'язкопластичні характеристики і одночасно практично наскрізне прожарювання виливок з товщиною 120 мм.

Електрономікроскопичними дослідженнями визначено, що сталі з вмістом алюмінію понад 0,025% мають крихкі зломи, в яких спостерігають вкраплення оксидів та нітридів алюмінію. Модифікування сталі лігатурами, що містять барій, кальцій і РЗМ, які мають більше хімічне споріднення до кисню та азоту, ніж як алюміній, дозволило запобігти утворення грубих вкраплень у вигляді плівки. При цьому, мікрофрактограми зломів різноманітних варіантів модифікування барієм, кальцієм та РЗМ, мали в'язкий ямочний злом з добре виявленими у середині ямок глобулярними вкрапленнями. По рівномірності розподілу структурних складових і глобулярних вкраплень, кращім варіантом є комплексне модифікування. Результати дослідження мікрозломів підтвердили отримані дані про підвищення механічних властивостей сталі у результаті модифікування барієм, кальцієм та РЗМ (А.с. №1654369 СРСР, МКИ⁵ С22С38/46).

Вибір раціонального режиму термічної обробки виливків із сталі 45Х2СФЛ, що містить барій, дозволив максимально використати потенційні можливості модифікування і складу сталі.

Визначено, що сприятливе сполучення показників міцності, твердості, пластичності і ударної в'язкості забезпечували такі режими термообробки: нормалізація від 1163 К і відпуск при 873 К з охолодженням у воду. А також гартування з 1163 К у воду і відпуск при 923 К з охолодженням у воду. При цих режимах термічної обробки для сталі 45Х2СФЛ отримали на литих зразках однорідну ферито-цементитну суміш рівномірної дисперсності, яка має високе сполучення фізико-механічних властивостей. Для товстостінних виливків, таких як черпак і решітка, що мають оптимальний переріз стінок 120 мм, отримання бейнітної структури при нормалізації практично неможливо. Використання гартування для цих виливків через складну їх конфігурацію приводило до виникнення тріщин. При нормалізації швидкість охолодження товстостінних виливків забезпечувала отримання перліто-феритної структури по всьому перерізу. Для уточнення режиму термічної обробки була організована спроба використання переривчастого гартування. Для цього виливки замочували у воді з інтервалом у 15 секунд. Встановлено, що для отримання бейнітної структури по всьому перерізу товстостінних виливків (120 мм) необхідне переривчасте гартування із замочуванням у воді на 30 секунд з наступним охолодженням на повітрі.

Встановлено, що модифікування феросилікобарієм ефективно впливало на підвищення механічних характеристик і рідкотекучості, а також зменшення вмісту газів і браку по поверхневим дефектам виливків із сталі австенітного класу 25Х18Н9МФТСБЛ. Оптимальні властивості отримані при відношенні присадки барію до сірки, що міститься у металі, яке дорівнює 2,25. За рахунок оптимальних фізико-механічних характеристик зменшувався знос і підвищувався термін роботи литих виробів (А.с. №1752822 СРСР, МКИ⁵ С22С38/50).

Досліджено спеціальні технологічні прийоми введення барію до складу сталей (порошковий дріт і вдування порошку у струмені нейтрального газу) з метою підвищення ефективності використання останнього для поліпшення якості сталевих литих виробів. Дослідження проводили на середньовуглецевій сталі 25Л ферито-перлітного класу з великим вмістом сірки (більше 0,04%). Марку сталі вибрано з метою усунення впливу додаткових легуючо-модифікуючих елементів.

Встановлено, що введення модифікатора у сталь методом порошкового дроту дозволяє зменшити присадку барію у 2,0 рази і отримати аналогічні в'язкопластичні характеристики та холодостійкість, як і при загальновідомому кусковому методі. Підвищення механічних показників пояснюється усуненням контакту ЛЗМ з атмосферою і більш повною його роботою у рідкому металі зі шкідливими домішками.

Показано, що для максимального зменшення вмісту сірки у сталях (на 40%) барій треба вводити у рідкий метал, попередньо розкислений алюмінієм, за допомогою струменя аргону. При цьому відмічали ріст вмісту кремнію у сталі, що не дозволяло значно збільшувати присадку лігатури, так як це приводило до невідповідності хімічного складу сталі ДЕСТ 977-88.

П'ятий розділ присвячений промисловим дослідженням і випробуванням розроблених оптимальних варіантів модифікування барієм конструкційних сталей, які використовуються для виготовлення виливків, а також впровадженню результатів дослідження у виробництво.

Виробництво литих деталей: черпаків та просіючих решіток млинів кульового розмелювання із модифікованої сталі 45Х2СФЛ, що містить барій, із застосуванням спеціальної термічної обробки здійснювали у ливарних цехах КЦРЗ і ПолГЗК. Промислові випробування проводили в умовах збагачувальних фабрик ПолГЗК і ПівГЗК. Результати промислових випробувань показали підвищення стійкості черпаків в середньому у 2 рази, а просіючих решіток у 1,4 рази при повній відсутності поламання і деформації. Ураховуючи результати досліджень (розділ 3) в умовах сталеливарного цеху КЦРЗ було освоєно промислове виробництво деталей із модифікованої сталі 110Г13Л, що містить барій (А.с. №1650754 СРСР, МКИ⁵ С22С38/16). Це дозволило підвищити якість виливків і зменшити брак литва.

На основі проведених досліджень і аналізу діючого виробництва КЦРЗ була випробувана у промислових умовах технологія кінцевого розкислення-модифікування сталей при виробництві литих виробів для поковок. Порівняльний аналіз окремого модифікування сталей кальцієм або барієм дозволив зробити висновок про рівнозначну заміну силікокальцію на феросилікобарій. Зменшення вмісту активного кисню у сталях за рахунок алюмінію і додаткове модифікування окремо барієм або разом з РЗМ дозволило підвищити засвоєння модифікаторів, утворити безпечні вкраплення кулястої форми, покращити якість литих виробів та знизити брак у ковальському виробництві. При виробництві виливків із сталі 25Х18Н9МФТСБЛ в умовах ливарних цехів КЦРЗ, з метою покращення якості поверхні литих деталей, зниження вмісту газів і отримання стабільних в'язкопластичних властивостей.

Взагалі виробництво та експлуатація деталей гірничозбагачувального обладнання на підприємствах Криворізького рудного басейну дозволили отримати економічний ефект у розмірі більшому за 260 тис. карбованців на рік у цінах 1990 року, за рахунок підвищення механічних, технологічних і експлуатаційних властивостей сталевого литва.

Загальні висновки

1. Серед різних компонентів, які мають вплив на склад, форму, топографію неметалевих вкраплень і на процеси їх видалення з металу, а також гранулярність структури, вміст газів та прожарювання сталі, ЛЗМ і РЗМ знайшли широке застосування для отримання оптимальних механічних, технологічних і експлуатаційних властивостей литих деталей. При цьому барій, як ЛЗМ є найменше вивчений елемент, який можна використовувати для підвищення надійності і довговічності деталей із конструкційних литих сталей.

2. Доповнено і узагальнено механізм впливу барію на властивості литих сталей при окремому і комплексному модифікуванні:

- встановлено, що при введенні барію до складу сталі при температурах до 1923 К він не утворює газоподібні сполучення, на відміну від кальцію не випаровується і не розчиняється як РЗМ, а взаємодіє у рідкому стані з сіркою, киснем, або глиноземом та утворює неметалеві вкраплення - оксисульфіди;

- визначено, що продукти взаємодії барію зі шкідливими домішками приймають глобулярну форму, не коагулюють, випадають на початковій стадії кристалізації і при зниженні температури металу в більшості (біля 65%) захоплюються кристалами, що ростуть. Це приводить до очищення меж литих зерен. При цьому основна частина барію міститься на поверхні металу у складі шлакоподібної фази;

- показано, що підвищена “живучість” барію у порівнянні з кальцієм, висока його концентрація на поверхні металу і велика поверхнева активність сприятливо впливають на умови утворення і видалення неметалевих вкраплень, а також поліпшують ливарні властивості і якість поверхні виливків;

- визначено, що частка впливу барію на зниження вмісту кисню і на підвищення в'язкопластичних властивостей сталей та коефіцієнту глобуляризації неметалевих вкраплень підсилюється у присутності кальцію і слабне при наявності РЗМ;

- досліджено, що краще сполучення механічних, технологічних і експлуатаційних характеристик сталевого литва можна отримати при модифікуванні барієм спільно з кальцієм та РЗМ сталей, що містять не менше 0,025% алюмінію. При цьому підвищується активність барію за рахунок більш інтенсивного і рівномірного його розподілу у об'ємі металу під дією кальцію, що випаровується;

- доведено, що для сталей з вмістом алюмінію понад 0,025% і сірки 0,03% комплексне модифікування барієм, кальцієм та РЗМ дозволяє запобігти утворенню грубих вкраплень у вигляді плівки (оксидів і нітридів алюмінію) по межах зерен, отримати неметалеві вкраплення з коефіцієнтом глобуляризації 80%, знизити вміст кисню в 2 рази, отримати практично наскрізне прожарювання виливків товщиною до 120 мм і підвищити в'язкопластичні властивості у 1,5-2,0 рази, тобто досягти рівня показників сталі з вмістом сірки менше 0,01%.

3. Визначено оптимальну присадку феросилікобарію, що дорівнює 2,00,5 і уявляє собою відношення введеного барію до сірки що міститься у металі і забезпечує вміст барію у сталях не менше 0,001%. Це забезпечує у конструкційних сталях при залишковому вмісту алюмінію в них не менше 0,025%, максимальний ефект від модифікування (зменшення індексу забрудненості неметалевими вкрапленнями і підвищення коефіцієнту їх глобуляризації, зниження вмісту газів, зменшення розміру австенітного зерна, поліпшення прожарювання і фізико-механічних характеристик).

4. Встановлено, що введення барію до складу сталей методом порошкового дроту підвищує в'язкопластичні характеристики в 1,2 рази у порівнянні з загальновизнаним кусковим методом вводу. Введення феросилікобарію у струмені аргону у сталь, що містить понад 0,025% алюмінію, дозволяє знизити вміст сірки на 40%. Більш високий ступінь десульфурації обмежується підвищенням вмісту кремнію у сталі.

5. На підставі проведених досліджень розроблено склад комплексно модифікованої зносостійкої сталі 45Х2СФЛ з барієм (А.с. №1654369 СРСР, МКИ⁵ С22С38/46) і технологію виробництва із неї виливків для деталей млинів кульового розмелювання.

Для виливків, що працюють в умовах підвищених температур і агресивному середовищі гірничорудної промисловості, запропоновано склад сталі 25Х18Н9МФТСБЛ з барієм (А.с. №1752822 СРСР, МКИ⁵ С22С38/50).

Для підвищення якості виливків, що виробляються із сталі 110Г13Л, запропоновано литу високомарганцеву зносостійку сталь з барієм (А.с. №1650754 СРСР, МКИ⁵ С22С38/16).

6. Впровадження сталей, що містять барій у виробництво виливків на КЦРЗ і ПолГЗК дало можливість підвищити термін експлуатації відповідальних литих деталей при повній відсутності їх поламання, а також істотно покращити техніко-економічні показники виробництва виливків і отримати економічний ефект у сумі більший за 260 тис. карбованців на рік у цінах 1990 року.

Публікації за темою дисертаційної роботи

1. Самойлов В.Е., Лунев В.В., Цивирко Э.И. Исследование бария в процессах раскисления, модифицирования и рафинирования железоуглеродистых сплавов для фасонного литья // Нові конструкційні сталі та стопи і методи їх обробки для підвищення надійності і довговічності виробів: Зб. наук. пр. - Запоріжжя: ЗДТУ. - 1998. - С. 150-151.

2. Самойлов В.Е. Использование барийсодержащих лигатур при производстве конструкционных сталей // Неметаллические включения и газы в литейных сплавах: Сб. науч. тр. - Запорожье: ЗГТУ. - 1997. - С. 72-75.

3. Лунев В.В., Самойлов В.Е. К вопросу о применении бария при производстве стального литья // Прогрессивные технологические процессы в литейном производстве: Сб. статей - Омск. - ОПИ. - 1989. - С. 4-11.

4. Самойлов В.Е., Лунев В.В. Перспективы применения бария при производстве стальных отливок // Новые конструкционные материалы и эффективные методы их получения и обработки: Сб. науч. тр. - К.: УМК ВО. - 1988. - С. 128-131.

5. Самойлов В.Е., Лунев В.В., Азарова Л.М. Исследование возможности применения бария при производстве стального литья // Новые конструкционные материалы, эффективные методы их получения и обработки, повышения надежности и долговечности деталей машин и конструкций: Сб. науч. тр. - К.: УМК ВО. - 1991. - С. 54-56.

6. А.с. 1654369 СССР, МКИ⁵ С22 С 38/46 Литая износостойкая сталь / В.А.Гончаренко, Н.А.Загубыбатько, В.В.Лунев, В.Е. Самойлов, В.С.Чумак, А.А.Шаломеев, В.А.Шаломеев, М.С.Шрамко (СССР). - №4701681/02; Заявлено 05.06.89; Опубл. 07.06.91; Бюл. №21. - 3 с.

7. А.с. 1752822 СССР, МКИ⁵ С22 С 38/50 Сталь / Ю.Б.Варшавский, В.А.Гончаренко, А.Т.Косяк, В.Т.Кудин, В.В.Лунев, В.Е.Самойлов, А.А.Шаломеев, В.А.Шаломеев, М.С.Шрамко (СССР). - №48007229/02; Заявлено 29.03.90; Опубл. 07.08.92, Бюл. №29. - 3 с.

8. А.с. 1650754 СССР, МКИ⁵ С22 С 38/16 Литая износостойкая сталь / М.С.Шрамко, А.А.Шаломеев, В.Е.Самойлов, В.Н.Сажнев, В.В.Лунев, Л.Б.Черепинский, Г.Д.Плешивенко, А.Т.Косяк (СССР). - №4699600/02; Заявлено 31.05.89; Опубл. 23.05.91, Бюл. №19. - 3 с.

9. А.с. 1502651 СССР, МКИ⁴ С 22С 38/18 Литая износостойкая сталь / И.И. Азаров, А.Т. Косяк, В.В. Лунев, В.Е. Самойлов, В.А. Шаломеев, М.С. Шрамко, Ю.А. Шульте (СССР). - № 4372900/31-02; Заявлено 01.02.88; Опубл. 23.08.89, Бюл. №31. - 3 с.

10. Самойлов В.Е., Лунев В.В., Азарова Л.М., Замковая В.Ф. Перспективы применения бария для внепечной обработки стали // Труды Шестой Всесоюзной науч. конф. по современным проблемам электрометаллургии стали. - Челябинск: ЧПИ. - 1987. - С. 149.

11. Самойлов В.Е., Лунев В.В., Азарова Л.М. Внепечная обработка кислой электростали с целью ее десульфурации // Тез. докл. IV Республ. научн.-техн. конф. “Механизация и повышение эффективности технологических процессов производства отливок металлургического оборудования”. - Днепропетровск: ДметИ. - 1986. - С. 125.

12. Самойлов В.Е., Зубко В.В., Караваенко Г.А. Влияние массы и размеров образцов при изучении поверхностного натяжения стали и ее взаимодействия с огнеупорами методом лежащей капли // Тез. докл. III республ. науч. техн. конф. “Неметаллические включения и газы в литейных сплавах”. - Запорожье: ЗМИ. - 1982. - С. 78-79.

13. Галицкий Ю.П., Лунев В.В., Беломыльцев А.И., Гладкий С.И., Стройников В.Ю., Самойлов В.Е. Механические свойства марганцовистых сталей, выплавленных в тигле, футерованном известью // Технология и организация производства. - 1981. - №3. - С. 29-30.

14. Самойлов В.Е., Шрамко М.С., Шаломеев А.А. Применение барийсодержащих лигатур для повышения качества стали // Тез. докл. научн.-техн. конф. “Ресурсосберегающие технологические процессы в литейном производстве”. - Орджоникидзе: Сев.-Кавк. ГМИ. - 1988. - С. 49.

15. Шаломеев В.А., Самойлов В.Е., Шрамко М.С. Модифицирование износостойкой экономнолегированной стали 45Х2СФЛ // Тез. докл. V республ. науч. техн. конф. “Неметаллические включения и газы в литейных сплавах”. - Запорожье: ЗМИ, 1988. - С. 61.

16. Самойлов В.Е., Лунев В.В., Меняйло Е.И., Косяк А.Т., Азарова Л.М. О возможности применения металлических отходов специальных производств и ферросиликобария при изготовлении отливок из стали 25Х18Н9МФТСБЛ в электросталеплавильном производстве // Тез. докл. III республ. научн.-техн. конф. “Техническое перевооружение и внедрение новых ресурсосберегающих технологий в электросталеплавильном производстве”. - Днепропетровск: ДметИ. - 1989. - С. 76-77.

17. Самойлов В.Е., Шаломеев В.А., Шрамко М.С., Гончаренко В.А., Измайлов В.О. Микролегирование и модифицирование экономнолегированной стали 45Х2СФЛ // Тез. докл. к Всесоюзному научн.-техн. сем. “Повышение качества отливок и снижение вредного влияния литейного производства на окружающую среду”. - Запорожье: ЗМИ. - 1990. - С. 27.

18. Самойлов В.Е., Лунев В.В., Шаломеев А.А. Применение отходов специальных производств и ферросиликобария при производстве отливок из стали 25Х18Н9МФТСБЛ // Тез. докл. IV Всесоюзной научн.-техн. конф. “Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий”. - Запорожье: ЗМИ. - 1989. - С. 204.

19. Шаломеев В.А., Самойлов В.Е., Шрамко М.С., Пикалов С.Н., Бондаревич А.К. Влияние комплексного модифицирования на формирование неметаллических включений и газосодержание износостойкой экономнолегированной стали // Тез. докл. V Республ. научн.-техн. конф. “Повышение технического уровня и совершенствование технологических процессов производства отливок”. - Том II. - Днепропетровск: ДметИ. - 1990. - С. 28-29.

20. Самойлов В.Е., Шаломеев А.А., Гончаренко В.А. Модифицирование стали 45Х2СФЛ барийсодержащими лигатурами // Тез. докл. VI республ. науч. техн. конф. “Неметаллические включения и газы в литейных сплавах”. - Запорожье: ЗМИ. - 1991. - С. 82.

Размещено на Allbest.ru