удалось добиться снижения ликвации углерода по высоте слитка

153
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
Анализ распределения пор по количеству на
разных горизонтах слитка показал, что самое
большое скопление пор находится в осевой зоне слитка, их количество там колеблется от 45
до 60. Так, верх слитка обладает самым большим количеством пор в центре – 60. У поверхности же количество пор в середине и наверху
слитка практически одинаково, а низ слитка
имеет самое маленькое число пор – 38.
Таким образом, по мере продвижения от
поверхности слитка к осевой зоне размер пор
снижается, но возрастает их количество, то есть
наблюдается равномерное их распределение,
что благоприятно сказывается на качестве металла.
Заключение
Регулирование расположения усадочных
пороков за счет охлаждения прибыли отливаемого слитка обеспечивает стабильное качество
металла. Путем охлаждения прибыльной части
удалось добиться снижения ликвации углерода
по высоте слитка, это в свою очередь обеспе-
чило равномерное распределение усадочных
дефектов вдоль осевой зоны. Полученные в работе результаты показывают возможность применения слитков такого типа для производства
труб.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Дуб, В. С. Факторы управления процессами затвердевания сплавов / В. С. Дуб, А. В. Дуб // Электрометаллургия. – 2006. – № 11. – С. 18–22.
2. Ефимов, В. А. Разливка и кристаллизация стали /
В. А. Ефимов. – М.: Металлургия, 1976. – 552 с.
3. Зюбан, Н. А. Развитие технологии получения крупных стальных слитков и проблемы качества металла /
Н. А. Зюбан, С. И. Жульев // Металлург. – 2009. – № 6. –
С. 48–50.
4. Эльдарханов, А. С. Процессы формирования отливок и их моделирование / А. С. Эльдарханов, В. А. Ефимов, А. С. Нуратдинов. – М.: Машиностроение. – 2001. –
208 С.
5. П. м. 110667 РФ, МПК В 22 D 7/08. Устройство для
исследования процесса кристаллизации слитков в модели
изложницы / Н. А. Зюбан, Д. В. Руцкий, С. Б. Гаманюк,
С. Н. Никуйко, А. Н. Галкин; ВолгГТУ. – 2011.
УДК 669.17
Н. И. Габельченко, С. А. Неберикутя, А. В. Жильцов
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА НА ДИСПЕРСНОСТЬ
ДЕНДРИТНОЙ СТРУКТУРЫ ЛИТОЙ НЕЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ
Волгоградский государственный технический университет
(e-mail: [email protected])
В работе исследовано влияние основных элементов углеродистой стали на дисперсность первичной
структуры методом фракционного легирования бинарных композиций на основе железа. Показано, что расстояния между ветвями второго порядка хорошо коррелируется с температурным интервалом между температурой ликвидуса и температурой окончания дендритного роста исследованных сплавов.
Ключевые слова: сталь, диаграмма состояния, дендритная структура.
The influence of the basic elements of carbon steel on the dispersion of the primary structure is studied by the
method of fractional alloying of iron-based binary compositions. It is shown that the distance between second-order
branches is well correlated with the temperature interval between.
Keywords: steel, state diagram, dendritic structure.
Регулирование микроструктуры, начиная
уже с процесса кристаллизации и далее, в течение всего производственного цикла изготовления металлического изделия, должно обеспечивать наибольшую эффективность. Например,
возможность измельчения структуры при затвердевании важна по той причине, что заложенные в процессе кристаллизации металла
размеры первичных зерен, определяемых, в
свою очередь, размерами дендритных кристаллов, при последующих фазовых переходах могут изменяться только в сторону уменьшения.
Так, широко известная [1] схема наложения
границ зерен при перекристаллизации предполагает, что соотношения между размерами первичного, вторичного и третичного зерен могут
отличаться на несколько порядков. Таким образом, чем дисперснее дендритная структура металла, сформированная в процессе кристаллизации, тем более качественными характеристиками будет обладать его структура после затвердевания.
С этой точки зрения, управление ростом и
размерами дендритных кристаллов, определяющих величину первичных зерен при кристаллизации металлических материалов, явля-
154
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
ется первоосновой производства качественных
сталей и сплавов.
Одним из основных факторов, влияющих на
формирование дендритной структуры, является
химический состав сплава. Поэтому изучению
влияния основных элементов углеродистой
стали на дисперсность дендритной структуры, в
частности, литой нелегированной стали уделяется большое внимание [2].
Методикой работы предполагалось исследовать влияние основных компонентов углеродистой стали на дисперсность дендритной
структуры методом фракционного легирования
бинарных композиций на основе железа.
Высокочистые бинарные сплавы Fe–C, Fe–
Mn, Fe–P и Fe–Si готовили на шихте из карбонильного железа, графита спектральных стержней, химически чистого Fe–Si, Fe–Mn и Fe–P путем сплавления в аллундовых тиглях печи Таммана. Эти сплавы с переменным содержанием
второго компонента, применяли для исследования влияния химического состава на величину
дендритного параметра λ – расстояния между
ветвями второго порядка. Исследуемые образцы представляли собой цилиндрические стержни, полученные путем вакуумного всасывания
металла в кварцевый капилляр.
4,0
С,% мас.
Рис. 1. Зависимость дендритного параметра λ
от концентрации углерода в Fe–C сплавах
а
б
Содержание второго компонента в каждой
серии бинарных сплавов рассчитывали аналитически, а затем проводили уточняющий химический анализ. Затем приготавливали микрошлифы для подсчета дендритного параметра λ.
На рис. 1 представлены результаты изменения дендритного параметра λ в сплавах железоуглерод, начиная от малоуглеродистых сталей
и до структурно эвтектических чугунов.
Следует отметить, что полученная кривая λ,
мкм – % С достаточно хорошо соответствует
наклону и кривизне линии ликвидус диаграммы
Fe–C сплавов, а точнее, как было показано в
работе [3], температурному интервалу ΔТ между температурой ликвидуса и температурой
окончания дендритного роста.
Влияние фосфора на величину дендритного
параметра λ в Fe–P сплавах представлено на
рис. 2. Нанесение на диаграмму состояния дендритных параметров (λ) опытных сплавов с
различным содержанием фосфора показывает
хорошее соответствие полученной зависимости
линии ликвидус, а именно большему перепаду
ΔТ4 соответствует меньшая величина дендритного параметра (λ) и наоборот.
Fe 0,55 1,72 2,16 2,97 4,07
Р, % масс.
Рис. 2. Зависимость дендритного параметра λ
от концентрации Р в Fe–P сплавах
в
г
Рис. 3. Дендритная структура отливок одинакового сечения ∅3 мм с различным содержанием фосфора в сплаве ×50:
а – 0,55 % Р; б – 1,72 % Р; в – 2,16 % Р; г – 2, 97 % Р
155
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
Для дополнения и подтверждения зависимости, приведенной на рис. 2, представлены
фотографии структур Fe–P сплавов с различным содержанием фосфора (рис. 3), которые
наглядно иллюстрируют уменьшение дендритного параметра (λ) с ростом содержания фосфора в исследуемых сплавах.
Особенности концентрационной взаимосвязи интервалов кристаллизации в сплавах системы Fe–Si в соответствии с рассматриваемой зависимостью λ от ΔТ предполагают практически
одинаковое расстояние между ветвями второго
порядка во всем исследованном интервале железокремнистых сплавов (рис. 4).
Рис. 4. Зависимость дендритного параметра λ от концентрации Si в Fe–Si сплавах
На рис. 4 показано, что в пределах точности
выполненных измерений величина дендритных
параметров всех исследованных сплавов ограничена достаточно узкой полосой рассеивания
при равных перепадах температур ΔТ. А дендритные структуры исследованных железокрем-
а
б
нистых сплавов представленные на рис. 5, показывают, что в системе Fe–Si в интервале исследуемых концентраций кремния расстояния
между ветвями второго порядка с повышением
содержания кремния в сплаве практически не
изменяются.
в
г
Рис. 5. Дендритная структура отливок одинакового сечения ∅3 мм с различным содержанием кремния в сплаве ×50:
а – 1,97 % Si; б – 6,04 % Si; в – 8,5 % Si; г – 12,5 % Si
Независимость расстояния между ветвями
второго порядка дендритных ветвей в сплавах
системы Fe–Si от изменения молярной доли
второго компонента противоречит известному
эмпирическому выражению, связывающему
расстояние между ветвями второго порядка
с молярной долей второго компонента [3]:
λ = А exp (B ln Vохл + СМ),
где А, В, С – коэффициенты, зависящие от конкретного сплава; Vохл – скорость охлаждения;
М – молярная доля второго компонента.
Поэтому представляет интерес проверка на
сплавах других систем, например, Fe–Mn,
имеющих постоянный интервал кристаллизации в очень широких границах изменения концентрации марганца (рис. 6).
Равные значения расстояний между ветвями
второго порядка дендритов в сплавах с концентрацией марганца, превышающей область перитектики (рис. 6), и вместе с тем ощутимая
зависимость в сплавах с перитектическим превращением является хорошим подтверждением правильности установленной зависимости.
156
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
Рис. 6. Зависимость дендритного параметра λ от концентрации Mn в Fe–Mn сплавах
а
б
На рис. 7 приведены дендритные структуры
сплавов системы Fe–Mn с различным содержанием Mn. Видно, что дендритная структура
сплава с перитектическим превращением
(рис. 7, а) значительно крупнее дендритных
структур сплавов с концентрацией марганца,
превышающей область перитектики (рис. 7, б–г).
Таким образом, практическое значение установленной зависимости состоит в возможности экспрессного качественного анализа по
диаграммам состояния дисперсности дендритных структур, ответственных за температурновременные режимы термической гомогенизации сплавов, а в перспективе и в возможности
их оптимизации для разных сплавов.
в
г
Рис. 7. Дендритная структура отливок одинакового сечения ∅3мм с различным содержанием марганца в сплаве. ×50:
а – 5 % Mn; б – 8 % Mn; в – 13 % Mn; г – 21 % Mn
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Металлография железа / пер. с англ.; под ред. Ф. Н. Тавадзе. – М.: Металлургия, 1972. – Т. 3: Кристаллизация и
деформация стали. – 1972. – 236 с.
2. Гребнев, Ю. В. Исследование зависимости механических свойств среднеуглеродистой стали 45ФЛ от величины кремниевого эквивалента состава / Ю. В. Гребнев,
Н. И. Габельченко, Е. Ю. Карпова, Е. С. Сундеев // Извес-
тия ВолгГТУ : межвуз. сб. науч. сб. № 5 / ВолгГТУ. –
Волгоград, 2011. – (Серия «Проблемы материаловедения,
сварки и прочности в машиностроении»). – С. 145–148.
3. Костылева, Л. В. Исследование природы изменения
дисперсности дендритов в сталях и сплавах / Л. В. Костылева, Н. И. Габельченко, Ю. В. Гребнев, В. А. Ильинский // Известия ВолгГТУ / межвуз. сб науч. ст. № 10 / ВолгГТУ. –
Волгоград, 2008. – (Серия «Проблемы материаловедения,
сварки и прочности в машиностроении»). – С. 92–95.