Влияние модифицирования на стабилизацию химического состава и повышение уровня механических свойств колесной стали марки КП-2

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВЛИЯНИЕ МОДИФИЦИРОВАНИЯ НА СТАБИЛИЗАЦИЮ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И ПОВЫШЕНИЕ УРОВНЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОЛЕСНОЙ СТАЛИ МАРКИ КП-2

марка сталь колесный

С.А. Полишко

Днепропетровский национальный

университет имени Олеся Гончара

У даній статті проведено аналіз виплавки колісної стали марки КП-2, а також розглянуто вплив модифікування на стабілізацію хімічного складу і підвищення рівня механічних властивостей колісної стали марки КП-2. Доведено, що введення в розплав багатофункціональних модифікаторів сприяє стабілізації хімічного складу і підвищення рівня механічних властивостей колісної стали марки КП-2.

Ключові слова: колісна сталь КП-2, модифікування, вуглецевий еквівалент, хімічний склад, механічні властивості.

В данной статье проведен анализ выплавки колесной стали марки КП-2, а также рассмотрено влияние модифицирования на стабилизацию химического состава и повышение уровня механических свойств колесной стали марки КП-2. Доказано, что введение в расплав многофункциональных модификаторов способствует стабилизации химического состава и повышению уровня механических свойств колесной стали марки КП-2.

Ключевые слова: колесная сталь КП-2, модифицирование, углеродный эквивалент, химический состав, механические свойства.

This article dial with the analysis of wheel steel grade KP-2 smelting, as well as the influence of modification on the stabilization of chemical composition and increasing mechanical characteristics of wheel steel KP-2. It is proved that the introduction of multifunctional modifiers into the melt contributes stabilization of the chemical composition and increasing of mechanical properties of the wheel steel KP-2.

Key words: wheel steel KP-2, modification, carbon equivalent, chemical composition, mechanical characteristics.

Введение. Химический состав современных сталей в металлургической промышленности значительно изменился за счет неконтролируемых ломов, применяемой шихты, лигатур, используемых при их выплавке. О том, каким образом каждый из химических элементов влияет на структуру и свойства готового металла после выплавки при обработке многофункциональными модификаторами, представляет собой научный и практический интерес [1-4]. Колесная сталь КП-2, применяемая в железнодорожных колесах для товарных вагонов, представляет собой многокомпонентную систему, которая должна обладать оптимальными механическими свойствами. Выплавка этого металла является очень непростым процессом и одновременно энергозатратным. Но в то же время исследование процесса выплавки металла для железнодорожных колес, влияние химического состава этого металла на механические свойства в современном материаловедении на сегодняшний день является очень актуальным.

Постановка задачи. Определение влияния каждого из элементов химического состава на морфологию неметаллических включений и уровень механических свойств колесной стали КП-Т с помощью метода регриссионно- корреляционного анализа.

Метод решения и анализ полученных результатов. В связи с тем, что серийная сталь КП-2 имела нестабильный химический состав, а неметаллические включения имели грубую вытянутую форму, являясь при этом концентраторами внутренних напряжений металла, требуемого уровня механических свойств получить не удалось [5].

В связи с вышеуказанным, в 250-ти тонной печи было выплавлено 100 тонн стали КП-2 с добавлением в расплав многофункциональных модификаторов [6]. Результаты этих исследований показали следующее.

Химический состав стали КП-2 по требованиям ГОСТ 10791-2011, а также по данным исследований 442 серийных плавок производства ОАО «ИНТЕРПАЙП НТЗ» немодифицированных и плавки № 31903, модифицированной специальными модификаторами, представлены в табл. 1.

Таблица 1 - Химический состав стали КП-2 по техдокументации и серийных немодифицированных и модифицированных (опытных) плавок

Из анализа представленных данных следует.

1. Модифицированная (опытная) плавка № 31903 соответствовала ГОСТ 10791-2011 по химическому составу.

2. Немодифицированные (серийные) 442 плавки характеризовались дефицитом содержаний Сг, №, V, Мо по сравнению с опытной модифицированной плавкой согласно ГОСТ 10791-2011.

3. Сумма легирующих элементов (далее ?ЛЭ) модифицир. (опытная) - 2,08 % мас. > ?ЛЭ серийные - 1,83 % мас.

3. На гистограмме рис. 1 представлены данные ?ЛЭ.

4. Содержание серы в модифицированной плавке было в 5 раз меньше, чем допускалось ГОСТ 10791-2011, в 3 раза меньше допуска и на 33 % ниже по отношению к среднему значению для 442 серийных плавок НТЗ (рис. 2). Из чего следует, что модифицирование специальными модификаторами обладает десульфурирующим действием на расплав колесных сталей, в том числе и на сталь КП-2.

5. Содержание фосфора в модифицированной плавке оказалось в 3 раза меньше по сравнению с допуском ГОСТ; в 1,7 раза меньше, чем на практике и равным среднестатистическому количеству фосфора в серийном металле. Количество его можно еще снизить с помощью модифицирования, как показано на других колесных сталях.

6. Количество легирующих элементов-упрочнителей стали КП-2 повышено в модифицированной плавке до целесообразного уровня с технической и экономической позиций, поскольку недолегированность серийных плавок является одной из причин рекламаций по этой стали (рис. 3).

Рис. 1 - Гистограмма суммы легирующих элементов по данным ГОСТ 107912011, средним значениям 442 серийных плавок и опытной модифицированной плавке

Рис. 2 - Разница содержаний серы S % отн. модифицированной стали КП-2 в сравнении с данными ГОСТ, средними результатами 442 плавок НТЗ

Аналитические и научные исследования большого массива статистических данных химического состава, механических свойств, неметаллических включений (их состава и морфологии), размеров зерен в серийной и модифицированной стали КП-2, влияния технологических параметров, структуры литого, деформированного и термообработаного металла позволяют совместно с расчетами спроектировать оптимальный состав. Поэтому нами принято решение дополнительно к среднезаводским содержаниям каждого элемента долегировать сталь КП-2 теми элементами, которые улучшают структуру и свойства, как феррита, так и перлита в целом, а именно Si, О-, №, ^ V, Mo. Общее их количество, как показано ниже, в рекомендуемом составе относительно невелико и с экономических позиций оправдывает себя, поскольку повышаются свойства и снижается риск преждевременного разрушения металла.

Рис. 3 - Степень недолегированности колесной стали КП-2 каждым из элементов по отношению к средним значениям согласно ГОСТ в серийных немодифицированных и модифицированных плавках

Из рис. 3 следует, что модифицированная плавка недолегирована по отношению к средним показателям содержания каждого элемента по ГОСТ значительно меньше, чем серийные.

Как показано выше, промышленные плавки КП-2 отличаются существенным межплавочным разбросом содержания компонентов:Р (81 % отн.), & (78 % отн.), Б (69 % отн.). Это явилось причиной соответствующего значительного разброса параметров механических свойств, прежде всего ударной вязкости, относительного сужения, относительного удлинения, хотя большая часть характеристик механических свойств укладывалась в верхние и нижние допустимые пределы ГОСТ.

Разброс химического состава и механических свойств явился причиной неоднократных разрушений колес из стали КП-2. Стабилизации состава опытной стали можно лишь добиться благодаря модифицированию (табл.2). Постоянство содержаний всех элементов в колесах стали КП-2 опытной плавки свидетельствует о стабилизации химического состава и этой колесной стали, хотя желательно иметь большую статистику.

Для определения соотношения структурных составляющих (феррита и перлита) необходимо было исследовать и рассчитать углеродные эквиваленты плавки, предназначенной для модифицирования, а также для стали КП-2, химический состав которой соответствует требованиям ГОСТ 10791-2011 (max и min). На рис. 4 приведены данные углеродных эквивалентов для опытной плавки № 31903 в сравнении с требованиями ГОСТ.

Таблица 2 - Химический состав модифицированной стали КП-2 № плавки 31903, колес, деформированных с разной скоростью

*- минимальные содержания Сг, №, Си для вычисления ПЛЭ взяты из расчета 0,10 % мас.

Рис. 4 - Углеродные эквиваленты стали КП-2, модифицированной специальными модификаторами (плавка № 31903), в сравнении с требованиями ГОСТ

Также был проведен регриссионно-корреляционный анализ (рис. 5), при помощи которого было установлено следующее.

Рис. 5 - Гистограмма коэффициентов корреляции между пределом прочности и химическим составом стали КП-2

Влияние химических элементов в модифицированной стали было более благоприятным на предел прочности, чем в серийном металле. Этого удалось добиться благодаря действию компонентов модификатора.

Согласно химическому составу и значениям углеродного эквивалента, сталь КП-2 должна быть по структуре чисто перлитной. Однако, при химическом составе по верхнему пределу ГОСТ сталь КП-2 попадает в область заэвтектоидных сталей с ~ 8 % вторичного цементита кроме перлита. По нижнему пределу значения эквивалента и химического состава сталь КП-2 может иметь в структуре ~ 14 % феррита и 86 % перлита, то есть быть доэвтектоидной сталью. Структура промышленных плавок и модифицированной плавки, исходя из их химического состава и величины углеродного эквивалента, должна быть чисто перлитной или доэвтектоидной с небольшими выделениями избыточного феррита (а-фазы). В то же время из-за недолегированности ферритоупрочняющими элементами и избытка карбидообразующих элементов вероятность разрушения колес возрастает. Поэтому имеет смысл устранить дополнительные факторы риска в недолегированной промышленной стали, вызванные не только неоптимальным химическим составом и повышенным содержанием S и Р, но также количеством, формой, распределением, составом неметаллических включений, нестабильностью химического состава, структурой стали, ее морфологией, соотношением структурных и фазовых составляющих (Ф, Ц, П). Поскольку перечисленные факторы в значительной степени определяются технологиями выплавки, деформации и термической обработки, было исследовано и проанализировано их влияние на металл.

Выводы. Таким образом, применение модификаторов многофункционального действия позволяет повысить стабильность химического состава и повысить уровень механических свойств колесной стали марки КП-2.

Библиографические ссылки

1. Політико С.О. Влияние модифицирования многофункциональными модификаторами на структуру и свойства колесных сталей /С.О. Політико// Первый независимый научный вестник, Киев, № 6 - 2016, с. 87-96 (Ulrich's Periodicals Directory, EBSCO, Open Academic JoumalsI ndex).

2. Полишко С.А. Влияние межплавочной разницы содержания компонентов в колесной стали марки КП-Т на трещиностойкость/С.А. Полишко /Технологический аудит и резервы производства. ).//Сб научн.трудов.№3/4(17), - Х.- 2014, с 23-26.

3. Рябчиков, И. В.. Модификаторы и технологии внепечной обработки железоуглеродистых сплавов./И. В. Рябчиков// Экомет. - М. - 2008. - 400 с.

4. Голубцов, В.А. Теория и практика введения добавок в сталь вне печи. /В. А. Голубцов - Челябинск, 2006. - 422 с.

5. Теоретичні основи керованого структуроутворення сплавів для підвищення їх властивостей шляхом бробки розплавів спеціальними модифікаторами з енергозбереженням. [Текст] : отчет по НИР (заключ.) // кер. Санін А.Ф., вик. Івченко Т.І., Бабенко О.П., Кушнір М.А., Маркова І.А., Полішко С.О., Татарко Ю.В.- Дніпропетровськ, 2013. 115 с.№ ДР 011Ш00П43, №6-243-11.

6. Пат 93684 Україна МПК (2011.01) С22С 35/00 С21С 7/04. Розкислювач-модифікатор для обробки розплавів сталей і сплавів. [Електронний ресурс] /Шаповалова О. М, Шаповалов В. П., Шаповалов О. В., Полішко С. О.(Україна); Заявник та патентоутримувач Дніпропетровський національний університет імені Олеся Гончара. - №а200801124, заявл. 30.01.2008 р., опубл. 10.03.2011 р. - Бюл №5. - Режим доступу: \www7URL: http://uapatents.com/4- 93684-го2кІ8ІуиуасЬ-шодШк^ог-<і1уа-оЬгоЬкі-го:2р1ауіу^а1еін- sp1aviv.html

Размещено на Allbest.ru