Розвиток наукових основ і розробка технології виробництва нових низьколегованих азотовмісних сталей

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

УДК 669.14'98.046: 669.168: 669.18

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

РОЗВИТОК НАУКОВИХ ОСНОВ І РОЗРОБКА ТЕХНОЛОГІЇ ВИРОБНИЦТВА НОВИХ НИЗЬКОЛЕГОВАНИХ АЗОТОВМІСНИХ СТАЛЕЙ

Спеціальність 05.16.02 - "Металургія чорних і кольорових металів та спеціальних сплавів"

ТРЕГУБЕНКО ГЕННАДІЙ МИКОЛАЙОВИЧ

Дніпропетровськ - 2008

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант:

Рабінович Олександр Вольфович, доктор технічних наук, професор, Національна металургійна академія України (м. Дніпропетровськ), завідувач кафедри металургії кольорових металів.

Офіційні опоненти:

Гаврилюк Валентин Геннадійович, доктор технічних наук, професор, Інститут металофізики (м. Київ), завідувач відділу фізичних основ легування сталей і сплавів;

Рябцев Анатолій Данилович, доктор технічних наук, професор, Донецький національний технічний університет, професор кафедри електрометалургії;

Колесник Микола Федорович, доктор технічних наук, професор, Запорізька державна інженерна академія, професор кафедри металургії чорних металів.

Захист відбудеться "23" грудня 2008 р. о 12³⁰ на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 при Національній металургійній академії України (49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національної металургійної академії України (49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4).

Автореферат розісланий " 17 " листопада 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03, доктор технічних наук, професор Камкіна Л.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Постійна інтенсифікація умов експлуатації машин, агрегатів та будівельних конструкцій ставить перед металургами досить складну задачу створення нових сталей масового виробництва, які мали б комплекс високих споживчих властивостей - міцність та пластичність в широкому інтервалі температур, мінімальну температуру порога крихкості, втомну міцність при статичних та динамічних навантаженнях, у тому числі і знакозмінних, корозійну стійкість та ін.

На цей час у низьколегованих сталях підвищеної міцності основними легуючими елементами є марганець та кремній (сталі типу Г 2 та Г 2С), рідше хром, нікель та мідь (типу ХСНД) та інші метали, що забезпечують, твердорозчинне зміцнення, яке має обмежені можливості.

Принципово новий рівень властивостей досягається в сталях із карбонітридним зміцненням, мікролегованих азотом і, переважно, ванадієм, а іноді ніобієм. Високий рівень властивостей сталей зазначеного типу досягається за рахунок наявності в структурі надлишкових фаз - карбонітридів ванадію (ніобію) та здрібнювання зерна прокату. Основним недоліком використання ванадію або ніобію є дуже висока вартість легуючих матеріалів. Крім цього, для забезпечення оптимального рівня властивостей металопродукції з ванадій- та ніобійвмісних сталей з карбонітридним зміцненням, як правило, є необхідним проведення термічної обробки, що приводить не тільки до ускладнення технологічної схеми, але й до значного збільшення енерго- та ресурсовитрат.

Тому дослідження, спрямовані на розробку складу і технології виробництва економічних сталей з карбонітридним зміцненням на базі мікролегування відносно недорогими і досить доступними в Україні титаном та алюмінієм (сталі типу САТЮ), є актуальними.

Не менш актуальним в умовах України, де частка безперервної розливки сьогодні становить не більше 35 %, є збільшення виходу придатного при розливанні в злитки. Це досягається при виплавці сталей типу САТЮ з "понадрівноважним" вмістом азоту (вище розчинності при температурі солідус).

Однією з важливих причин, що стримують розширення виробництва сталей з карбонітридним зміцненням, є дефіцит і дуже висока вартість азотовмісних феросплавів. Це визначає актуальність досліджень по створенню принципово нових економічних азотовмісних лігатур на базі практично будь-якого металевого матеріалу і недефіцитних органічних азотоносіїв, а також по розробці високопродуктивної технології їх виготовлення, що дозволяє забезпечити практично необмежений об'єм виплавки сталей типу САТЮ з мінімальними витратами.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася в Національній металургійній академії України згідно з планами науково-дослідних робіт у рамках тем: "Розробка теоретичних і технологічних основ одержання і застосування в сталеплавильній переробці комплексних азотовмісних легуючих композицій з утилізацією відходів феросплавного виробництва (1996-1998 р.р., № держрегістрації 0196U009294); "Розробка теоретичних основ асиміляції азоту рідким металом з нетрадиційних азотовмісних композицій" (1999-2002 р.р., № держрегістрації 0199U000458); "Розробка теоретичних основ і математичне моделювання процесу кристалізації спокійних низьколегованих азотовмісних сталей з метою одержання злитків з розосередженою усадочною раковиною" (2000-2002 р.р., № держрегістрації 0100U000775); "Розробка наукових основ легування азотом конструкційних сталей з метою підвищення їх механічних та експлуатаційних характеристик" (2003-2005 р.р., № держрегістрації 0103U003214); "Розробка теоретичних основ легування азотом литих сталей для підвищення їх експлуатаційних властивостей" (2006-2008 р.р., № держрегістрації 0106U002206). Крім того, по темі дисертації виконано 7 госпдоговірних робіт. У проведених науково-дослідних роботах автор брав безпосередню участь як керівник, співкерівник і відповідальний виконавець.

Мета і задачі дослідження. Розвиток теорії та практики карбонітридного зміцнення низьколегованих сталей, визначення закономірностей формування структури і властивостей кремністих сталей при комплексному мікролегуванні азотом, титаном і алюмінієм, розробка наукових і технологічних основ створення і виробництва принципово нових економічних азотовмісних сталей і лігатур.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі:

- вивчити, проаналізувати та узагальнити дані про вплив азоту і нітридних фаз на структуру і властивості низьколегованих та вуглецевих сталей;

- теоретично обґрунтувати склад кремністих сталей зі зниженим вмістом марганцю, мікролегованих азотом, титаном і алюмінієм. Оцінити вплив складу нових економнолегованих сталей типу САТЮ на їх структуру і властивості;

- розробити теоретичні основи перерозподілу азоту між фазами при кристалізації високоазотистих сталей;

- виконати аналіз газоевтектичного перетворення в системі залізо-азот і в сталях на її основі. Визначити фізико-хімічні закономірності формування оптимальної структури злитка глибоко розкисленої азотовмісної сталі з розосередженою усадочною раковиною;

- створити і провести промислове освоєння конкретних марок сталей на базі композиції САТЮ і досліджувати їх споживчі властивості;

- розробити теоретичні і технологічні основи одержання і застосування економічних азотовмісних лігатур на базі стандартних феросплавів і недефіцитних органічних сполук.

Об'єкт дослідження: процес одержання низьколегованих сталей з карбонітридним зміцненням та азотовмісних лігатур, необхідних для їх виробництва.

Предмет дослідження: фізико-хімічні закономірності комплексного мікролегування низьколегованих сталей азотом, титаном і алюмінієм, механізм структуроутворення при їх кристалізації, технологія виробництва принципово нових економічних азотовмісних сталей і лігатур.

Методи дослідження:

- лабораторні дослідні плавки азотовмісних сталей проводилися в індукційних печах (ЛПЗ-67, ІСТ-0,060);

- дослідно-промислові та промислові плавки азотовмісних сталей проводилися в кисневих конверторах, електро- і мартенівських печах з наступною переробкою на фасонний та листовий прокат;

- склад сталей типу САТЮ та азотовмісних лігатур визначався хімічним і спектральним аналізом та на газоаналізаторах фірми "Leco";

- метод оптичної мікроскопії застосовувався для металографічного аналізу мікроструктури сталей типу САТЮ;

- електронна мікроскопія та методи локального рентгеноспектрального аналізу використовувалися для дослідження азотовмісних фаз у сталях типу САТЮ;

- механічні властивості сталей типу САТЮ визначали при випробуваннях на статичне розтягання, загин, ударний вигин (KCU та KCV);

- зварюваність сталей типу САТЮ оцінювали методами валикової проби, "імітації ЗТВ", "імітації ТЦЗ", реакцією на опік та ін.;

- для визначення корозійних властивостей сталей типу САТЮ застосовували такі види випробувань: на атмосферну корозію, на корозію в морській воді та інших агресивних середовищах, на корозійну втомленість та корозійне розтріскування;

- металургійні властивості азотовмісних лігатур визначалися за міцнісними випробуваннями на удар, стирання та стиск.

Лабораторні та дослідно-промислові дослідження виконані відповідно до вимог сучасних стандартів, на приладах і устаткуванні, які пройшли метрологічний контроль, що підтверджує вірогідність одержаних результатів.

Наукова новизна одержаних результатів. На підставі наукових узагальнень, теоретичних розробок і експериментальних досліджень вирішена важлива проблема підвищення властивостей низьколегованих сталей та зниження витрат металу при його виробництві та при експлуатації, насамперед за рахунок розвитку теоретичних основ карбонітридного зміцнення конструкційних сталей. Нові наукові результати, отримані автором, полягають у наступному:

1. Уперше теоретично обґрунтована та експериментально підтверджена ефективність заміни широко використовуваного ванадію комплексними мікродобавками титана і алюмінію та розроблено принципово новий клас сталей підвищеної міцності на базі композиції САТЮ. Показано, що найбільш максимальне поліпшення комплексу механічних і експлуатаційних властивостей сталей цього типу сумісно з підвищенням виходу придатного металу забезпечується при вмісту азоту вище розчинності при температурі солідус.

2. Уперше теоретично обґрунтована та експериментально підтверджена можливість виробництва низьколегованих та вуглецевих сталей з "понадрівноважним" вмістом азоту, кристалізація яких протікає з газоевтектичним перетворенням і формуванням злитків з розосередженою усадочною раковиною, подібно до злитків напівспокійних сталей. Уперше розроблені теоретичні основи процесу перерозподілу азоту між фазами при газоевтектичній кристалізації сталей і отримана математична модель для прогнозування поведінки азоту в розплаві на будь-якій стадії твердіння.

3. Уперше вивчений процес структуроутворення при газоевтектичній кристалізації злитків сталей типу САТЮ та одержана математична модель для розрахунку необхідних границь мікролегування азотом, які забезпечують формування оптимальної структури злитка із розосереджоною усадочною раковиною. Визначено, що використання цієї моделі дозволяє на практиці активно керувати процесом формування оптимальної структури злитка з розосередженою усадочною раковиною та одержувати максимальне збільшення виходу придатного металу для різних складів сталей, технологічних і теплофізичних факторів розливання і кристалізації.

4. Уперше розроблені наукові основи промислового виробництва принципово нових сталей на базі легуючої композиції типу САТЮ, яка забезпечує високий комплекс механічних і експлуатаційних властивостей металопрокату. Показано, що в залежності від величини азоту, сталі типу САТЮ можуть вироблятись у двох модифікаціях: для розливки на МБЛЗ, у спокійні злитки та відливки, і з одержанням злитків з розосередженою усадочною раковиною.

5. Уперше розроблені наукові та технологічні основи одержання низькотемпературним рідкофазним синтезом принципово нових азотовмісних лігатур, в яких азотоносій додатково виконує роль зв'язки. Установлено, що нові азотовмісні лігатури дозволяють забезпечити практично необмежений об'єм виплавки сталей типу САТЮ. Уперше створені теоретичні основи процесу асиміляції азоту рідкою сталлю при присадці нетрадиційних карбамідвмісних лігатур та розроблені технологічні рекомендації, які забезпечують стабільне засвоєння азоту при виплавці низьколегованих та легованих сталей.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені та промислово освоєні 14 марок сталей на базі композиції САТЮ, які дозволяють виробляти економічний прокат підвищеної міцності (класи міцності 345). Технологія виплавки сталей типу САТЮ адаптована стосовно до всіх методів виробництва сталі: киснево-конверторного, мартенівського та електрометалургійного.

Загальний економічний ефект від виробництва сталей типу САТЮ складається зі збільшення виходу придатного металу на 10-12 % (100-150 грн./т), зниження витрат на легування (50-750 грн./т) та виключення витрат на допоміжні матеріали (16,5 грн./т) і становить від 75 до 900 грн./т (у цінах 2007 р.).

Сталі (10-15)(Г)САТЮ впроваджені на ВАТ "Нижньотагильський металургійний комбінат" при виробництві двотаврів, швелерів, кутиків, шпунта і листа (класів міцності С 345 - С 375). При цьому наскрізний видатковий коефіцієнт металу (ВКМ) знизився з 1,270 до 1,1278.

Сталі (15-35)САТЮ, 35ГСАТЮ і 20ХСАТЮ впроваджені на ВАТ "Західно-Сибірський металургійний комбінат" при виробництві арматури діаметром 8-36 мм у гарячекатаному стані (класів А 400, А 500) та термозміцненої (класів Ат 600 - Ат 1000), фасонного гарячекатаного прокату (класів міцності С 345 - С 375) та профілів СВП 22 і СВП 27 підвищеної міцності ( 470 МПа) для кріплення гірських вироблень.

Сталь 35ГСАТЮ успішно випробувана при виробництві шахтної стійки підвищеної міцності (460 МПа) в умовах ВАТ "Алчевський металургійний комбінат". Заміна профілю СВП 27 зі сталі 5 профілем СВП 22 зі сталі 35ГСАТЮ дозволяє підвищити надійність аркових кріплень і одночасно заощаджувати у споживача 18 % металопрокату (по масі), що забезпечує економічний ефект ~250 грн./т (у цінах 2007 р.).

На ВАТ "Західно-Сибірський металургійний комбінат" та ВАТ "Магнітогорський металургійний комбінат" апробовано виробництво гарячекатаної арматури класу А 400 зі зниженими значеннями ВКМ і вуглецевого еквівалента зі сталі 25ГСАТЮ.

На Дніпропетровському металургійному заводі ім. Г.І. Петровського успішно випробувано виробництво фасонного і листового прокату з нових високоміцних сталей для вагонобудування. Заміна серійних сталей 09Г 2Д та 09Г 2С на сталі 15Г 2САТЮД та 15ХСАТЮД дозволяє знизити вагу кузовів вантажних вагонів і, відповідно, підвищити їх вантажопідйомність та продуктивність на 15-40 %.

В умовах ВАТ "Кременчуцький сталеливарний завод" промислово освоєно виробництво литва зі сталі 20ГЛ, комплексно мікролегованої азотом, титаном та алюмінієм. Литво зі сталі 20ГЛ підвищеної міцності цілком відповідає усім вимогам сучасного і перспективного вагонобудування. Економічна ефективність застосування сталі 20ГЛ підвищеної міцності замість стандартної сталі 20ХГНФТЛ становить ~ 800 грн./т (у цінах 2006 р.).

На ВАТ "Електрометалургійний завод "Дніпроспецсталь" упроваджена технологія виробництва і застосування азотовмісних лігатур на базі вуглецевого ферохрому. У результаті впровадження одержаний економічний ефект 24 грн. на 1 т рідкої сталі (у цінах 1997 р.). У ТОВ "Фероніт" упроваджена технологія виробництва 4 марок азотовмісних лігатур на базі товарного феросилікомарганцю і/або його відсівів. На ВАТ "Магнітогорський металургійний комбінат" апробовані виробництво і застосування азотовмісних лігатур на базі відсівів феромарганцю, феросилікомарганцю та феросиліцію. На ВАТ "Західно-Сибірський металургійний комбінат" успішно випробувані виробництво і застосування азотовмісних лігатур на базі бідного феросиліцію, феросилікомарганцю та чавунної стружки. Азотовмісні лігатури на основі феросилікомарганцю апробовані на ВАТ "Кременчуцький сталеливарний завод", у фасонноливарному цеху Дніпропетровського металургійного заводу ім. Г.І. Петровського та ВАТ "Армапром".

Особистий внесок здобувача. Дисертація є самостійною роботою автора, яка базується на опублікованих результатах досліджень. Всі теоретичні й експериментальні дослідження виконані при особистій участі автора або ним самостійно. Автором сформульовано всі основні положення та висновки. У публікаціях, виконаних у співавторстві, здобувачеві належить наступне: [1, 4, 8-10, 18, 31, 34-36] - постановка задачі та вибір наукового підходу до її вирішення, участь у проведенні досліджень, обробка та аналіз їх результатів; [17, 20, 25-29] - обробка та аналіз результатів дослідно-промислових плавок, розробка наукових та технологічних основ оптимального мікролегування низьколегованих та вуглецевих сталей азотом, титаном та алюмінієм; [6, 7, 12, 19] - постановка задачі та вибір наукового підходу до її вирішення, виконання розрахунків параметрів, які характеризують газоевтектичне перетворення при кристалізації сталей з "понадрівноважним" вмістом азоту; [13, 15, 16, 22, 34] - постановка наукової задачі, участь у проведенні досліджень, обробка та аналіз їх результатів, розробка наукових і технологічних основ створення та застосування принципово нових азотовмісних лігатур; [30, 32] - постановка наукової задачі, участь у проведенні досліджень. [37-45] - аналітичний огляд існуючих составів азотовмісних сталей і лігатур та способів їх виробництва, розробка ідеї та основних технічних рішень, обробка та аналіз результатів експериментів. кременистий низьколегована азотовмісна сталь

Здобувач брав безпосередню участь у проведенні всіх лабораторних експериментів. Освоєння і впровадження у виробництво розроблених сталей, лігатур і технологій здійснювалося при активній участі автора разом зі співробітниками Національної металургійної академії України, Інституту чорної металургії НАНУ та працівниками відповідних підприємств. При підготовці публікацій зі співавторами внесок здобувача був визначальним.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати роботи доповідалися й обговорювалися на: науково-технічній конференції "Електросталь-97" (м. Дніпропетровськ, 1997 р.), міжнародній конференції "Евтектика V" (м. Дніпропетровськ, 2000 р.), 4-ому міжнародному симпозіумі "SHMD'2000" (м. Опатія, Хорватія, 2000 р.), 6-ому конгресі сталеплавильників (м. Череповець, 2000 р.), науково-практичній конференції "Проблеми та перспективи одержання конкурентоздатної продукції в гірничо-металургійному комплексі України" (м. Дніпропетровськ, 2000 р.), XI міжнародній конференції "Сучасні проблеми електрометалургії сталі" (м. Челябінськ, 2001 р.), III міжнародній конференції "Nauka dla przemyslu odlewniczego" (м. Краків, Польща, 2001 р.), Х міжнародній конференції "Теорія та практика киснево-конверторних процесів" (м. Дніпропетровськ, 2002 р.), міжнародній конференції "Прогресивні технології в металургії сталі: ХХІ століття" (м. Донецьк, 2004 р.), міжнародній конференції "Стародубовські читання 2006" (м. Дніпропетровськ, 2006 р.), ХІІ-ій міжнародній конференції "Теорія та практика сталеплавильних процесів" (м. Дніпропетровськ, 2006 р.), науково-практичній конференції "Металургія та освіта. Проблеми і перспективи" (м. Запоріжжя, 2006 р.), міжнародній конференції "Advances in metallurgical processes and materials" (м. Дніпропетровськ, 2007 р.) та ще на 10 міжнародних і українських конференціях у період з 1995 по 2008 рр.

Публікації. По темі дисертаційної роботи опубліковано 36 статей у наукових журналах, збірниках наукових праць і матеріалах конференцій (у тому числі 27 - у виданнях, рекомендованих ВАК України, з яких 8 статей без співавторів), одержано 9 патентів України.

Структура і об'єм роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, шести розділів, висновків, списку використаних літературних джерел і п'яти додатків, викладена на 361 сторінці машинописного тексту, включаючи 39 таблиць на 21 сторінці, 56 рисунків на 21 сторінці. Список літератури складається з 363 найменувань і видрукуваний на 39 сторінках, додатки займають 14 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульована мета роботи і визначені її основні задачі, описані об'єкт, предмет та методи дослідження, викладені наукова новизна і практична цінність одержаних результатів із зазначенням особистого внеску автора, приведений зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

У першому розділі "Вплив мікродобавок азоту та нітридоутворюючих елементів на структуру та властивості низьколегованих і вуглецевих сталей" виконаний аналіз сучасного стану теорії і практики карбонітридного зміцнення сталей масового сортаменту. Показано, що карбонітридне зміцнення низьколегованих і вуглецевих сталей забезпечує значне здрібнювання зерна, що приводить до істотного підвищення їх механічних та експлуатаційних характеристик.

На цей час найбільш універсальним сильним нітридоутворюючим елементом для карбонітридного зміцнення конструкційних сталей вважається ванадій. Переважне використання ванадію обумовлюється тим, що його карбонітриди розчиняються в сталі при температурах гарячої деформації і не погіршують гарячу пластичність, а при охолодженні, виділяючись при розпаді аустеніту, зміцнюють феритну матрицю, не знижуючи холодостійкості прокату.

На думку ряду авторів, найбільш ефективним є комплексне карбонітридне зміцнення, яке приводить до формування у відносно широкому інтервалі температур, починаючи від кристалізації металу і кінчаючи охолодженням прокату нижче Ar₁, нітридів різних елементів, що мають досить високу, але істотно відмінну спорідненість до азоту. Як такі елементи, крім основного ванадію, зазвичай вибирають ніобій та алюміній; рідше, з економічних та технологічних міркувань, титан, цирконій, тантал, лантан, бор, берилій та інші нітридоутворюючі елементи.

Відомі низьколеговані та вуглецеві сталі з карбонітридним зміцненням умовно поділяють на дві групи:

- сталі з відносно низьким вмістом азоту (0,007-0,014 %);

- високоазотисті сталі (0,015-0,030 % N).

Останні є найбільш ефективними і перспективними в частині забезпечення максимального рівня механічних властивостей металопрокату. Однак їх виробництво є обмеженим через дуже високу головну обрізь (до 30-40 %) за рахунок протікання при їх кристалізації газоевтектичного перетворення (), що відбувається при твердінні стали, яка містить азот вище його граничної розчинності у твердому металі.

В даний час технологія виробництва низьколегованих та вуглецевих сталей з карбонітридним зміцненням є традиційною, тобто в основному такою самою, як у базових сталей. Як азотоносії зазвичай використовують азотовані у твердому стані сплави хрому, марганцю, рідше ванадію. Їх головними недоліками є, насамперед, дефіцитність і дуже висока вартість, а також украй низька однорідність по концентрації азоту і, відповідно, складність забезпечення його стабільного вмісту в сталі і, як наслідок, рівня властивостей готового прокату. Методи легування сталей азотом безпосередньо з газової фази або дуже дорогі, або мають поки вкрай обмежене поширення і недоступні для масового виробництва вуглецевих та низьколегованих сталей з карбонітридним зміцненням.

На підставі приведеного в першому розділі аналізу впливу мікродобавок азоту та нітридоутворюючих елементів на структуру і властивості низьколегованих та вуглецевих сталей з карбонітридним зміцненням і методів їх виробництва визначені основні задачі роботи.

У другому розділі "Розробка складу нових конструкційних сталей, мікролегованих азотом, титаном та алюмінієм" теоретично обґрунтовано, що рівень властивостей, притаманних сталям типу Г 2 у гарячекатаному стані, може бути досягнутий і навіть поліпшений у сталях зі зниженим вмістом марганцю (0,20-1,00 %). Це здійснюється за рахунок зміцнення твердого розчину кремнієм (0,50-1,20 %) і через здрібнювання зерна фериту, яке компенсує здатність кремнію викликати крихкість. Останнє забезпечується нітридами, які є модифікаторами I і II роду. Як елементи, що утворюють такі нітриди, нами обрані відносно дешеві і доступні метали - титан та алюміній.

Встановлено умови, які необхідно враховувати при розробці нових економічних кремністих сталей з карбонітридним зміцненням. На підставі термодинамічних розрахунків оцінювально визначені оптимальні вмісти титану та алюмінію, що забезпечують ефективне здрібнювання зерна азотовмісних низьколегованих та вуглецевих сталей.

Приведено методики лабораторних експериментів з виплавки та гарячої деформації сталей (10-20)АТЮ, (10-35)САТЮ, (15-35)ГСАТЮ, 15САТЮД, 15ХСАТЮ і 15ХСАТЮД, а також дослідження їх структури та комплексу властивостей.

Установлено, що мікролегування азотовмісних конструкційних сталей титаном у кількості від 0,005 % до приводить до значного здрібнювання зерна литого металу (рис. 1). У структурі литого металу спостерігаються два види карбонітридів титану: розміром 15-300 нм і 1-12 мкм.

Рис. 1. Вплив титану на мікроструктуру сталі типу CАТЮ в литому стані.

Очевидно, найбільш ефективно подрібнюють литу дендритну структуру карбонітриди титану першого типу. Установлено, що співвідношення кількості карбонітридів першого і другого видів залежить від вмісту титану в металі. При цьому, найбільший ступінь дрібнодисперсності карбонітридів титану спостерігається при його вмістах 0,010-0,016 %.

Після гарячої деформації всі дослідні сталі мали дрібнозернисту структуру. Розмір зерна фериту становив 9-20 мкм і відповідав номеру 8-10 за ГОСТ 5639.

Рентгеноспектральним аналізом установлено, що в сталях типу САТЮ після гарячої деформації надлишкові азотовмісні фази представлені карбонітридом титану Ti(C,N), нітридом AlN та комплексними конгломератами зазначених фаз. Нітриди алюмінію, які утворилися при охолодженні вже закристалізованого металу, а також при гарячій деформації, мають розміри від 40 до 200 нм (рідше до 500 нм) при максимальній кількості часток розміром 60-100 нм, що може бути порівняно з дрібними карбонітридами титану. Комплексні частки, як правило, представлені високотемпературним карбонітридом титану в центрі з облямівкою з вторинного нітриду алюмінію. Результуючий розмір цих часток становить від 100-150 нм до 1-2 мкм. Більш дрібні частки всіх трьох типів ефективно подрібнюють феритне зерно.

Вивчено вплив різних концентрацій вуглецю (0,07-0,36 %), кремнію (0,70-1,20 %), марганцю (0,30-1,00 %), азоту (0,008-0,020 %), титану (0,005-0,093 %), алюмінію (0,02-0,12 %), церію (0-0,011 %), хрому (0-1,00 %) та міді (0-0,35 %) на комплекс властивостей сталей типу САТЮ. Показано, що розроблені конструкційні сталі зі зниженим вмістом марганцю (0,30-0,60 %), підвищеним вмістом кремнію (0,70-1,20 %) і мікролеговані азотом (0,010-0,020 %), титаном (0,005-0,040 %), алюмінієм (0,02-0,12 %) у гарячекатаному стані мають комплекс властивостей, що відповідає сталям підвищеної та високої міцності (клас міцності С 345 за ГОСТ 27772), і є більш економічними, ніж сталі типу Г 2 та ХСНД. При цьому додаткове легування нових сталей типу САТЮ марганцем (до 1 %), хромом (до 1 %) і/або міддю (до 0,35 %) підвищує міцність і практично не змінює пластичність та ударну в'язкість, що зберігаються на колишньому досить високому рівні.

Підвищення вмісту вуглецю в сталях типу САТЮ супроводжується ростом міцності і приводить до зниження значень ударної в'язкості та пластичності, але їх рівень зберігається досить високим, тому що негативний вплив збільшення об'ємної частки перліту компенсується здрібнюванням розміру феритного зерна.

У третьому розділі "Теоретичні основи процесу перерозподілу азоту між фазами підчас кристалізації високоазотистих сталей" досліджені фізико-хімічні закономірності процесу твердіння сталей, що містять "понадрівноважну" концентрацію азоту. Визначено вплив на поведінку азоту при кристалізації сталі його початкової концентрації, зовнішнього тиску газової фази, швидкості твердіння, маси злитка, конвективних потоків та штучної динамічної дії на розплав, форми фронту кристалізації, градієнта температури в двофазній зоні, перегріву металу, складу та фізико-хімічних властивостей рідкої і твердої сталі, форми і матеріалу виливниці, швидкості розливання, частки закристалізованого металу.

Установлено, що в залежності від умов кристалізації злитка глибоко розкисленої сталі, яка містить азот більше межі розчинності у твердому металі при температурі солідус, можливі п'ять типів його перерозподілу між фазами:

? повна фіксація всього азоту у твердій фазі;

? повне змішування прилягаючого до фронту кристалізації шару з підвищеною концентрацією азоту та основної маси розплаву;

? стаціонарний перерозподіл азоту;

? нестаціонарний перерозподіл азоту;

? газовиділення (газоевтектична кристалізація).

Одержано вирази для розрахунку поточних значень у процесі твердіння: концентрації азоту на фронті кристалізації (1) та в об'ємі розплаву, що залишився (2), ефективного коефіцієнта розподілу азоту (3), товщини приграничного дифузійного шару (4), коефіцієнта масопереносу азоту (5), критерію Стентона (6).

Вирази (1)-(6) дозволяють аналізувати поведінку азоту в розплаві на будь-якій стадії твердіння злитків з розосередженою усадочною раковиною, у тому числі зі сталей типу САТЮ.

У четвертому розділі "Фізико-хімічні закономірності формування злитків із розосереджоною усадочною раковиною з глибоко розкислених високоазотистих сталей" виконаний аналіз газоевтектичного перетворення в системі залізо-азот і в сталях на її основі. Побудовано ділянку діаграми стану системи залізо-азот, що відповідає газоевтектичному перетворенню (рис. 2).

Рис. 2. Ділянка діаграми стану залізо-азот, яка відповідає газоевтектичному перетворенню.

Досліджено процес формування оптимальної структури злитків сталей типу САТЮ з розосередженою усадочною раковиною. Показано, що злиток стали типу САТЮ з розосередженою усадочною раковиною можна розділити на шість основних структурних зон (рис. 3):

1) безпузирна зовнішня скоринка злитка;

2) зона стільникових пузирів;

3) глобулярні пузирі;

4) зосереджені газоусадочні раковини;

5) "міст";

6) щільна частина злитка.

Рис. 3. Оптимальна структура злитка сталі типу САТЮ з розосередженою усадочною раковиною: Зменшено в ~3,4 рази.

Формування такої структури відбувається принципово інакше, ніж у випадку низькокремністих напівспокійних та киплячих сталей, у яких розосереджена усадка регулюється саморозкисленням сталі та утворенням монооксиду вуглецю. У розглянутому випадку в початковій стадії на фронті кристалізації встановлюється нестаціонарний перерозподіл азоту та утворюється збагачений ним приграничний дифузійний шар. Потім перерозподіл набуває стаціонарного характеру, і після формування безпузирної скоринки злитка необхідної товщини вміст азоту в розплаві у фронті твердіння досягає критичної величини, і стаціонарний перерозподіл переходить у газоевтектичне перетворення, унаслідок чого починається виділення азоту з розплаву в газові пузирі.

На підставі математичного моделювання перерозподілу азоту між фазами при газоевтектичній кристалізації сталей типу САТЮ, дослідження процесу газовиділення та формування структури злитка глибоко розкисленої сталі з розосередженою усадочною раковиною одержані такі вирази для визначення оптимального початкового вмісту азоту в металі:

Використання виразів (7)-(9) дозволяє на практиці активно керувати процесом формування оптимальної структури злитка з розосередженою усадочною раковиною та одержувати максимальне збільшення виходу придатного металу для різних складів сталей, технологічних і теплофізичних факторів розливання і кристалізації.

Правомірність застосування на практиці виразів (7)-(9) підтверджена як у лабораторних, так і в промислових умовах. На рис. 4 приведені лінії, які відповідають розрахунковим значенням і , а також експериментальні дані про тип злитка в залежності від вмісту азоту в сталі. На рис. 4 видно, що вмісти азоту, які знаходяться в області між розрахованими за виразами (7)-(9) мінімальною та максимальною оптимальними межами, забезпечують необхідну структуру злитка глибоко розкисленої сталі з розосередженою усадочною раковиною, що знижує головну обрізь з 13-16 % до 3,0-5,5 %.

Рис. 4. Вплив вуглецю на оптимальний вміст азоту в сталі типу САТЮ: 1 - ; 2 - ; 3 - ; Величина головної обрізі: - 3,0...5,5 %; - 13…16 %; - 8…40 %; ^ - >30 % (рослий злиток).

У п'ятому розділі "Промислове освоєння виробництва нових конструкційних сталей із карбонітридним зміцненням та дослідження їх споживчих властивостей" показано, що економічний прокат зі сталей типу САТЮ може масово вироблятися та застосовуватись поряд та замість прокату з серійних сталей підвищеної та високої міцності.

З метою перевірки результатів викладених вище лабораторних досліджень на першому етапі в умовах Нижньотагільського металургійного комбінату (НТМК) було проведено більш 150 плавок (~ 23 тисячі тон) сталі марок (10-15)(Г)САТЮ, хімічний склад яких приведений у табл. 1. З виплавлених у киснево-конверторному цеху сталей на універсальному балковому стані (УБС) був вироблений фасонний прокат товщиною від 6,5 до 35,5 мм. Головна обрізь при гарячій деформації злитків визначалася вмістом азоту і при його оптимальних концентраціях, які розраховуються за виразами (7)-(9), знаходилася на рівні звичайних напівспокійних сталей (3,0-5,5 %). Наскрізний видатковий коефіцієнт металу при цьому знизився в середньому з 1,298 до 1,12.

При дослідженні мікроструктури прокату встановлено, що незалежно від товщини в полках формується ферито-перлітна структура з об'ємною часткою перліту 15-20 % та смугастістю 0-1 бали. Розмір зерна фериту коливався в межах 10-20 мкм і відповідав номеру 8-10 за ГОСТ 5639 (рис. 5).

Рис. 5. Мікроструктура широкополичних двотаврових балок із сталі типу САТЮ після гарячої прокатки: а - балка 20Б (бал зерна 10-9); б - балка 23Б 1 (бал зерна 10).

Установлено, що при температурі кінця прокатки, яка становить на УБС 900С, в аустеніті сталей типу (10-15)(Г)САТЮ вже є нітриди алюмінію, що стримують разом з карбонітридами титану ріст зерна аустеніту при післядеформаційному охолодженні. Гаряча пластична деформація ініціює виділення нітридних та карбонітридних фаз в аустеніті і додатково подрібнює зерно.

Результати здавального та додаткового дослідницького контролю підтвердили високі механічні властивості сталей типу (10-15)САТЮ, які для всіх товщин цілком відповідають вимогам, що ставляться до сталей підвищеної міцності С 345 за ГОСТ 27772 (табл. 2). Найбільш високі вимоги щодо ударної в'язкості відповідно до ГОСТ 27772 КСU-7034 Дж/см² дотримувалися при всіх товщинах прокату.

Таблиця 1. Хімічний склад розроблених сталей типу САТЮ

№ п/п	Марка сталі	Хімічний склад сталі, мас. %
		С	Mn	Si	Ti	Al	N	S	P	Інші елемен-ти
								не більш
1	10САТЮ	0,07-0,15	0,2-0,5	0,8-1,1	0,01-0,04	0,05-0,12	0,007-0,012	0,030	РЗМ 0,001-0,050
2	15САТЮ	0,12-0,20	0,2-0,6		0,005-0,04	0,01-0,12	0,007-0,021	0,040	0,035	-
3	22САТЮ	0,14-0,22	0,4-0,6	0,8-1,1	0,005-0,02	0,05-0,11	0,010-0,020	0,040	-
4	28САТЮ	0,22-0,32
5	35САТЮ	0,32-0,37		1,0-1,3
6	12ГСАТЮ	0,10-0,18	0,6-1,0	0,5-0,8		0,01-0,07	0,016-0,021		РЗМ 0,001-0,050
7	15ГСАТЮ	0,12-0,20	0,5-0,8	0,8-1,1		0,05-0,10	0,007-0,021	0,040	0,035	-
8	25ГСАТЮ	0,20-0,29	0,6-1,0			0,01-0,04	0,016-0,021	0,035	0,030	-
9	35ГСАТЮ	0,32-0,37		1,0-1,3		0,05-0,11	0,010-0,020	0,040	-
10	15ХСАТЮ	0,12-0,20	0,2-0,5	0,8-1,1		0,04-0,10		0,040	0,035	Cr 0,5-0,8
11	20ХСАТЮ	0,17-0,22	0,4-0,6			0,05-0,11		0,040	Cr 0,8-1,1
12	15САТЮД	0,12-0,20	0,2-0,5			0,02-0,07		0,040	0,035	Cu 0,2-0,4
13	15ХСАТЮД	0,12-0,18								Cr 0,5-0,8 Cu 0,2-0,4
14	15Г 2САТЮД		1,3-1,7		0,01-0,03			0,030	Cu 0,15-0,35

Таблиця 2. Механічні властивості фасонного прокату зі сталі 15САТЮ виробництва НТМК

Вид профілю	Товщина прокату, мм	т, МПа	в, МПа	5, %	Ударна в'язкість КСU, Дж/см2 при температурі, °С	Ударна в'язкість КСU після мех. старіння при 20°С, Дж/см2
					- 40	-70
12Б 2	6,5	370-378	507-512	31-33	115-142	75-120	165-94
50Б 1	12,0	370-385	500-505	32-33	128-168	72-113	114-230
50Ш 2	17,5	348-352	475-490	29-31	112-125	65-110	144-184
40К 5	35,5	340-360	475-490	27-31	122-131	49-100	162-215

Для гарантованого досягнення міцнісних характеристик, що відповідають сталі С 375, було вирішено підвищити верхню межу концентрації марганцю до 0,8 %. При цьому вміст марганцю в сталі 15ГСАТЮ залишався у 1,62-2,12 разів меншим, ніж у сталях типу Г 2. Міцнісні властивості фасонного прокату зі сталі з підвищеним вмістом марганцю цілком відповідали вимогам до сталі С 375 за ГОСТ 27772 (табл. 3). При цьому ударна в'язкість зберіглася на колишньому високому рівні - відповідала категорії 4 за ГОСТ 27772.

Таблиця 3. Механічні властивості фасонного прокату із сталі 15ГСАТЮ виробництва НТМК

Вид профілю	Товщина прокату, мм	т, МПа	в, МПа	5, %	Ударна в'язкість КСU, Дж/см2 при температурі, °С	Ударна в'язкість КСU після мех. старіння при 20 °С, Дж/см2
					- 40	-70
20Б 1	8,5	422-441	559-578	30-32	120-142	80-140	182-209
30Ш 1	12,0	382-389	530-560	30-31	165-200	73-115	187-224
50Ш 1	17,5	370-378	510-520	29-30	138-150	64-97	165-194
60Ш 3	24,5	361-365	510-516	29-31	119-140	57-95	150-179

Стійкість зварних з'єднань проти крихких руйнувань оцінювали при випробуванні великих зразків натурних товщин в інтервалі температур від -70 до +20С. Основним критерієм оцінки крихкості при цих випробуваннях є критична температура, при якій відносне звуження зразка біля дна надрізу 1,0 % (), тобто фактично температура нульової пластичності . Крім того, визначали так звану критичну температуру (), при якій руйнівне напруження стає меншим за границю текучості - ; визначали також критичну температуру за видом зламу (друга критична температура ) за критерієм 50 % (). При випробуванні прокату зі сталі 12ГСАТЮ одержані такі величини температури: 70°С; 20°С; =0°С, які фактично збігаються з відповідними температурами, одержаними при випробуваннях сталі 09Г 2С, що має властивості С 345-4.

Випробування на стійкість до атмосферної корозії в умовах агресивних заводських та міських середовищ показали, що швидкість корозії сталей 10ХСНД та 15САТЮ є практично однаковою і становить 0,30-0,34 мм на рік.

На підставі приведених результатів були одержані дозволи Держбуду Російської Федерації на застосування прокату, виготовленого зі сталей типу (10-15)(Г)САТЮ поряд та замість прокату зі сталей С 345 та С 375 за ГОСТ 27772 у будівельних конструкціях без перерахування перерізів елементів і їх з'єднань.

Подальше освоєння виробництва сталей типу САТЮ проводилося в умовах Західно-Сибірського металургійного комбінату (ЗСМК), де було виплавлено близько 25 тисяч тон сталей марок (15-35)САТЮ, 35ГСАТЮ та 20ХСАТЮ, хімічний склад яких приведений у табл. 1.

При виплавці сталей типу САТЮ із вмістом азоту нижче [N]_тв (див. рис. 4) головна обрізь при гарячій деформації злитків знаходилася на рівні серійного металу (13-16 %). При виробництві тих самих сталей з оптимальним вмістом азоту, що розраховується за виразами (7)-(9), головна обрізь була значно знижена до 3,0-5,5 % (див. рис. 4).

На стані "450" із сталі 15САТЮ прокатували кутик 100х100х10 мм; частина прокату поставлялася в гарячекатаному стані, частина - після термічного зміцнення. Після гарячої прокатки сталь 15САТЮ мала підвищені міцнісні властивості, що відповідають сталям класів С 345 та С 375 за ГОСТ 27772. Зміцненням у потоці стану досягнутий більш високий рівень властивостей: 470 МПа; 580 МПа; 22 %. При цьому значення ударної в'язкості сталі 15САТЮ в гарячекатаному та термозміцненому станах значно перевершують вимоги ГОСТ 27772 до прокату 4 категорії.

Шахтне кріплення СВП 27 та СВП 22 прокатувалося на стані "450" із сталі 35ГСАТЮ з розосередженою усадочною раковиною. Як у профілі СВП 27, так і в профілі СВП 22 був досягнутий необхідний рівень механічних властивостей: =470-520 МПа, =680-780 МПа, =21-25 %. Аналогічні результати були одержані і при освоєнні виробництва шахтної стійки підвищеної міцності в умовах Алчевського металургійного комбінату.

Випробування профілю СВП 22 із сталі 35ГСАТЮ, проведені Донецьким вугільним інститутом та в інституті гірської справи ім. Скочинського, показали, що прямолінійні балки з профілю СВП 22 сталі 35ГСАТЮ мають несучу здатність на поперечний вигин у середньому на 8-9 % більшу, ніж профіль СВП 27 із сталі Ст5, а робочий опір та несуча здатність аркового триланкового кріплення перерізом 13,8 м², виготовленого з нього, перевищує аналогічні показники типового кріплення тієї ж конструкції на 12-14 %. Заміна шахтного кріплення СВП 27 із Ст5 кріпленням СВП 22 із сталі 35ГСАТЮ дозволяє заощаджувати у споживача 18 % металопрокату (по масі) та підвищити одночасно надійність аркових кріплень за рахунок підвищення несучої здатності та робочого опору.

В умовах ЗСМК із сталі 35(Г)САТЮ виробляли арматуру в гарячекатаному стані класів А 400 та А 500 діаметром 30-40 мм, а із сталей (22-28)САТЮ та 20ХСАТЮ - термічно зміцнену діаметром 10-28 мм класів Ат 600, Ат 800 та Ат 1000. Усі плавки сталей, призначених для виготовлення арматури, проводили у варіанті одержання злитків з розосередженою усадочною раковиною, що дозволило не тільки заощаджувати феросплави, але й збільшити вихід придатного за рахунок зменшення головної обрізі з 13-16 % до 3,0-5,5 %.

Завдяки одержанню стабільних результатів по значному зниженню головної обрізі при виробництві спеціально розроблених сталей типу САТЮ та враховуючи їх високий комплекс механічних і експлуатаційних властивостей було запропоновано випробувати в умовах ЗСМК одержання злитків з розосередженою усадочною раковиною із серійних низьколегованих та вуглецевих сталей при їх додатковому мікролегуванні азотом, титаном та алюмінієм. При цьому кількість азоту, необхідна для одержання оптимальної структури злитка з розосередженою усадочною раковиною, розраховували за виразами (7)- (9), а концентрації титану та алюмінію, у порівнянні із сталями типу САТЮ, були з економічних причин істотно знижені ([Ti]=0,005-0,010 %, [Al]=0,01-0,04 %). З урахуванням існуючих на ЗСМК замовлень апробовано одержання злитків з розосередженою усадочною раковиною із спокійних сталей 25Г 2С, 45 та 55, при гарячій деформації яких головна обрізь була знижена з 13-16 % до 3,0-3,5 %. При цьому гаряча переробка злитків і заготовок відбувалася без будь-яких особливостей та утруднень. Брак був відсутній. Механічні властивості одержаного прокату значно перевищували вимоги ГОСТ 5781. Враховуючи високі механічні властивості сталі 25Г 2С, комплексно мікролегованої азотом, титаном та алюмінієм (=470-500 МПа, =700-750 МПа і =23-28 %), виникла можливість при виробництві гарячекатаної арматури класу міцності А-III знизити вміст марганцю в базовому металі до рівня 0,85-1,00 %. Усього в умовах ЗСМК було виплавлено близько 7 тисяч тон серійних сталей (в основному 25Г 2С), додатково мікролегованих азотом, титаном та алюмінієм.

Використовуючи позитивні результати дослідно-промислової кампанії з виробництва в умовах ЗСМК гарячекатаної арматури класу міцності A-III (А 400) із сталі 25Г 2С, комплексно мікролегованої азотом, титаном та алюмінієм і яка мала знижену концентрацію марганцю, розроблена нова марка сталі 25ГСАТЮ, хімічний склад якої приведений у табл. 1. Промислову апробацію розробленої сталі проводили в умовах Магнітогорського металургійного комбінату (ММК) при виробництві гарячекатаної арматури діаметром 12, 14, 32 і 36 мм.

Хімічну неоднорідність по висоті та перерізі злитків з розосередженою усадочною раковиною із сталей типу САТЮ оцінювали за результатами хімічного аналізу металу заготовок перерізом 124х 124 мм, відібраних по висоті злитка на горизонтах від 5 до 97,5 %. Вміст всіх елементів визначався в двох точках по перерізу проби (ось та край). Визначено, що максимальний точковий ступінь сегрегації ліквуючих елементів спостерігається по осі заготовки на горизонтах від 15 до 30 % і становить (відносно до ківшевого аналізу) для вуглецю більш 1,2 разу; сірки - 1,8 разу; фосфору - 1,6 разу; марганцю та кремнію - 1,1-1,2 разу; титану - 1,5-2,0 рази; алюмінію - 1,1-1,3 разу; азоту - 1,3-1,7 разу (рис. 6).

Рис. 6. Розподіл азоту по висоті злитка з розосередженою усадочною раковиною із сталі 25ГСАТЮ після гарячої деформації на заготовку ? 124х 124 мм.

Враховуючи, що розкат головної та середньої частини злитків із розосередженою усадочною раковиною із сталей типу САТЮ мав явно виражену хімічну неоднорідність, було проведено дослідження її впливу на стабільність механічних властивостей готової арматури. Визначено, що арматура періодичного профілю із сталей типу САТЮ по товщині та всій довжині має практично однорідні механічні характеристики. Стабільність механічних властивостей по товщині та довжині арматури, яка має явно виражену хімічну неоднорідність в осьовій зоні, можна пояснити так. Осьова зона розкату головної та середньої частини злитку з розосередженою раковиною із сталей типу САТЮ у порівнянні з рештою металу має підвищений вміст азоту, титану та алюмінію, а отже і більшу щільність карбонітридних фаз, які забезпечують додатковий приріст міцності, пластичності та в'язкості, що компенсує негативний вплив ліквації елементів, які знижують ці показники.

На цей час актуальною є розробка нових економічних високоміцних сталей (390 МПа) для їх використання у будівництві кузовів вантажних вагонів нового покоління. Для вирішення поставленої задачі нами були використані результати раніше виконаних робіт по створенню сталей типу САТЮ. Так при розробці сталі 15САТЮ та її промисловому засвоєнні на НТМК проводилися дослідження можливості її використання у вагонобудівництві. Одержані у ВНДІЗТ та ЦНДІБК позитивні результати випробувань дослідного прокату підтвердили можливість застосування для потреб вагонобудівництва сталі 15САТЮ замість 09Г 2Д. При цьому сталь 15САТЮ має міцнісні властивості на 20 % вище, ніж сталь 09Г 2Д, і є більш економічною.

Крім того, на НТМК були виготовлені дослідно-промислові партії прокату для шпунтових свай із сталі 15САТЮ з добавками хрому та міді, комплексні дослідження яких показали, що хром та мідь не тільки підвищують (приблизно на 15 %) корозійну стійкість сталі 15САТЮ, але й помітно збільшують її міцність. Також було встановлено, що збільшення вмісту марганцю в сталі 15САТЮ з 0,2-0,5 % до 0,5-0,8 % стабільно забезпечує підвищення класу міцності з 345 до 375.

Відомо, що кількісну оцінку зміцнення багатокомпонентного фериту при легуванні можна здійснити на основі адитивного вкладу окремих легуючих елементів на границю текучості сталі, де - коефіцієнт зміцнення фериту, який являє собою приріст границі текучості при розчиненні в ньому 1 % -того легуючого елемента, МПа/ %; - концентрація -того легуючого елемента, розчиненого у фериті, мас. %.

На основі аналізу експериментальних даних по границі текучості сталей 15САТЮ, 15ГСАТЮ, 15ХСАТЮ та 15САТЮД визначені коефіцієнти зміцнення фериту при легуванні сталей типу САТЮ марганцем, хромом та міддю. Одержані значення =35 МПа/ %, =30 МПа/ % та =45 МПа/ % досить добре співпадають з літературними даними.

Використовуючи статистичні дані щодо механічних властивостей прокату зі сталі 15САТЮ, вираз (10), а також одержані значення , та , розроблено склади двох гарячекатаних сталей високої міцності для потреб вагонобудування 15Г 2САТЮД та 15ХСАТЮД (див. табл. 1).

Виходячи з необхідного для АТ "Дніпровагонмаш" профільного сортаменту фасонного та листового прокату, дослідно-промислові плавки нових високоміцних сталей 15Г 2САТЮД та 15ХСАТЮД проводили у фасонноливарному цеху Дніпропетровського металургійного заводу ім. Г.І. Петровського в печі ДСП-3 з кислою футеровкою. Визначено, що прокат із сталі 15Г 2САТЮД має такі властивості: =425-500 МПа, =625-640 МПа та =22-29 %, а із сталі 15ХСАТЮД - =400-405 МПа, =550-560 МПа та =23-24 %. При цьому значення ударної в'язкості сталі 15Г 2САТЮД цілком відповідають вимогам ГОСТ 19281 до прокату 15 категорії якості (KCU^-7029 Дж/см²), а сталі 15ХСАТЮД - 13 категорії якості (КСU^-50 29 Дж/см²). Встановлено, що сталі 15Г 2САТЮД та 15ХСАТЮД мають практично однакову границю витривалості, яка в 1,33 разу перевищує рівень базової сталі 09Г 2Д.

На основі проведених комплексних корозійних та корозійно-механічних досліджень визначено, що сталі 15Г 2САТЮД та 15ХСАТЮД за корозійною стійкістю знаходяться на одному рівні зі стійкістю базової сталі 09Г 2Д.

В результаті всього комплексу проведених досліджень показано, що прокат із сталі 15Г 2САТЮД цілком відповідає вимогам до металопрокату для виготовлення кузовів вантажних вагонів нового покоління, і з нього можна виробляти не тільки основні несучі елементи рами, які мають границю текучості не менше 390 МПа, але також каркас і обшиву кузову з 420 МПа. Щодо прокату з дослідної сталі 15ХСАТЮД, то незважаючи на високі механічні та експлуатаційні властивості, він має недостатню в'язкість при - 60°С, яка може бути безсумнівно поліпшена при модифікуванні сталі силікокальцієм або РЗМ.

У шостому розділі "Розробка складу, технології виробництва та застосування нових економічних азотовмісних лігатур" встановлено, що одержання недорогих лігатур з регульованим, високим та рівномірним вмістом азоту може бути здійснено шляхом сумісного окускування подрібнених феросплавів практично будь-якого складу (у тому числі й відходів феросплавного виробництва) та недефіцитних азотовмісних сполук.

Основним інгредієнтом азотовмісної лігатури (АЛ) є азотоносій. Як азотоносій був обраний карбамід (сечовина) - речовина, дуже багата азотом (46,7 %). За способом виробництва сечовина є найдоступнішим азотоносієм, що пов'язано з її широким використанням як органічного добрива. Крім того, карбамід є нетоксичною, невибухонебезпечною та недорогою азотовмісною сполукою.

Аналіз властивостей карбаміду послужив основою для вибору способу виробництва АЛ, наповнювача та зв'язки. Так, низька густина карбаміду (1,335 т/м³) обумовлює необхідність наявності в АЛ металічного наповнювача з високою густиною; низькі температури плавління (132,7 С) та розкладення (150 С) не дозволяють застосовувати високотемпературні способи окускування. Тому на першому етапі розробок найбільш принятним способом виробництва АЛ було принято огрудкування (грануляція).

Експериментально визначено, що суміші феросплавів (SiMn, FeSi, FeCr та ін.) з карбамідом крупністю -3 мм при додаванні рідкого скла добре огрудковуються з утворенням гранул діаметром 5-12 мм. Встановлено, що оптимальне масове співвідношення феросплав / карбамід - (80-83)/(20-17) не залежить від типу феросплаву, і технологічно необхідний вміст рідкого скла у гранулах-сирцях має становити 10 % (понад 100 %). Визначено, що міцнісні характеристики гранульованих АЛ відповідають за рівнем залізорудним окатишам доброї якості.

...