Технические науки / 3.Отраслевое машиностроение

В.М. Власовец

Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства имени Петра Василенка, Украина

Влияние модифицирующей обработки на свойства низколегированной заэвтектоидной стали

Постановка проблемы. В последние годы за рубежом широкое применение для производства прокатных валков вместо дорогостоящих стальных кованых получают литые из низьколегированных заэвтектоидных сталей. При производстве валков из таких материалов особое внимание уделяется вопросам легирования, модифицирования и термической обработки [1].

Анализ существующих решений. Фирмы-производители валков приводят широкие пределы концентрации элементов, однако отсутствуют данные о точном количестве основных добавок (в частности, кремния, марганца и углерода), о способе ввода и применяемых модификаторах. Кроме того, опубликованные данные [2, 3] ограничиваются лишь перечислением вводимых лигатур, которые, судя по структуре сталей, содержат повышенную концентрацию кремния, кальция или других элементов этой группы. В то же время особенности производства, которые обеспечивают долговременную эксплуатацию валков из таких материалов, не разглашаются. В связи с этим важными являются исследования по изучению влияния модифицирующей обработки на свойства низколегированной заэвтектоидной стали для производства валков, а также возможность их прогнозирования на основании экспериментально установленных зависимостей неразрушающим магнитным методом – измерением коэрцитивной силы (Н_с).

Цель статьи - изучить влияние модифицирующей обработки на свойства низколегированной заэвтектоидной стали для производства валков.

Основной материал. Для исследований выплавили две плавки, каждую из которых разливали в три ковша по одной заготовке. В первой плавке металл первого ковша был исходным, второй – модифицировали V, третий – Ti. Во второй плавке металл первого ковша также был исходным, второй модифицировали V и N, а третий – Ti и N. Химический состав отливок Ø200 мм и высотой 400 мм приведен в табл. 1.

Температура металла в печи составляла 1495-1510ºС, в ковше - 1490ºС. Разливку производили при температуре металла 1450-1465ºС. Отлитые заготовки разрезали на диски, из которых изготавливали образцы для испытаний на износ, определение механических свойств, термической стойкости, склонности к хрупкому разрушению, которые оценивали в литом состоянии и после различных видов термической обработки (двойная нормализация 950±10ºС, 850±10ºС; тройная нормализация 950±10ºС, 900±10ºС, 850±10ºС и отжиг 850±10ºС с отпуском). Общее время обработки составило - 210 ч, 140 ч и 75 ч соответственно.

Таблица 1 - Химический состав исследованных отливок

Услов-ный № плавки	Услов-ный № отливки	Содержание элементов, %
		C	Si	Mn	Ni	Cr	Mo	Ti	V	N
1	1	1,83	0,36	0,49	0,85	0,69	0,52	-	-	-
	2	1,81	0,38	0,48	0,83	0,79	0,54	-	0,45	-
	3	1,79	0,37	0,46	0,85	0,73	0,54	0,03	-	-
2	4	1,83	1,08	0,69	0,84	0,74	0,53	-	-	-
	5	1,82	1,15	0,68	0,85	0,74	0,53	-	0,42	0,01
	6	1,80	1,15	0,64	0,85	0,78	0,54	0,08	-	0,01

Примечание. Концентрация серы - 0,025-0,032%, фосфора - 0,020-0,029%.

Износ литого металла оценивали по испытаниям дисков при трении под нагрузкой 9,8 МПа (табл. 2). При этом температура диска, имитирующего прокатываемый металл, составляла 800±20ºС, а испытуемого 40-45ºС.

Таблица 2 - Испытания на износ литых образцов

Услов-ный № отливки	Вес диска, кг		Разница в весе
	до испытаний, кг	после испытаний, кг	кг	%
1	4,138937	4,130160	0,008770	2,1
2	4,450992	4,442040	0,008952	2,0
3	4,618915	4,613520	0,005395	1,2
4	4,437749	4,425300	0,012449	2,8
5	4,44020	4,428500	0,01170	2,6
6	4,230812	4,218610	0,012202	2,8

Установлено, что с увеличением концентрации кремния в стали с 1,8% С износостойкость снижается, что связано, по всей вероятности, с уменьшением стабильности карбидной фазы. Снижение износа на 43% характерно для отливки 3, металл которой модифицирован Ti.

Выявлена тенденция, в соответствии с которой повышение уровня Н_с на 10 А/см увеличивает разницу в потере веса на 2,8%, а повышение твердости на 10 НВ – на 0,4%.

При термической обработке отливок исследовали образцы, параметры которых соответствовали рабочему слою реальных валков на примере тройной, двойной нормализации и отжига с отпуском. Для оценки степени дробления и коагуляции карбидной фазы, исследовали влияние параметров термической обработки на свойства, а также возможность их прогнозирования по Н_с (табл. 3).

Таблица 3 - Прогнозирование основных механических свойств низколегированной заэвтектоидной стали по уровню Н_с

Режим обработки	Зависимости основных свойств от Нс			Среднее число циклов до разрушения (Nцикл)
	sв, МПа	sизг, МПа	НВ
Литое состояние	450-520 sв =414,7+10,0 Hc	430-500 sизг=379,3+11,1 Hc	325-337 НВ=317,2+2,0 Hc	346-1638 Nцикл=2253,5-169,0 Hc
2-ая нормализация	507-765 sв =114,6 Hc-401	555-850 sизг=244,8+43,6 Hc	296-330 НВ=350,9+4,19 Hc	911-8000 Nцикл=26801,0-2591,3 Hc
3-ая нормализация	522-692 sв =86,9 Hc-139,0	560-795 sизг=301,0+40,1 Hc	269-310 НВ=219,0+8,37 Hc	142-1955 Nцикл=29140,0-3065,2 Hc
Отжиг	425-583 sв =291,1+35,3 Hc	535-705 sизг=282,9+48,8 Hc	244-272 НВ=235,7+3,35 Hc	269-2950 Nцикл=7271,2-809,3 Hc

Примечание. В числителе приведены крайние значения свойств, в знаменателе - прогнозные зависимости по H_c.

Установлено, что в стали с минимальным количеством кремния (0,36-0,38%) при 1,8%С в литом состоянии повышаются прочностные характеристики (σ_в, σ_изг), а также твердость при дополнительном введении модификаторов. Некоторое повышение термической стойкости характерно для стали, модифицированной V. Введение Ti в количестве 0,03% приводит к ее снижению в 2 раза (при увеличении σ_в на 10% и σ_изг на 7%), что связано с повышенной склонностью металла к трещинообразованию. В стали с повышенной концентрацией кремния (1,08-1,15%) при модифицировании снижаются все прочностные характеристики и термическая стойкость.

Поскольку валки из исследованной стали используются только после термической обработки, выполнили оценку прочностных и пластических характеристик, а также термической стойкости после различных её видов.

Установлена экспериментальная зависимость по прогнозированию предела текучести после отжига по Н_с в интервале (5,2-7,4 А/см; 460-550 МПа) по магнитному параметру:

σ_0,2 = 218,2+37,6 H_c (1)

Попарное сравнение свободных членов в уравнениях (см.табл. 3) показывает, что наличие грубой карбидной сетки в литом состоянии, которую как показали металлографические исследования, не удалось раздробить модифицированием Ti, V, N, определяет уровень свойств в исходном состоянии. В то же время интенсивность протекания процессов упрочнения (тангенс угла наклона прямых) после отжига выше. Это свидетельствует о возможности более эффективного использования таких модификаторов для регулирования свойств после высокотемпературного отжига. Однако повышение прочностных свойств и твердости приводит к снижению термической стойкости металла. Введение Ti в количестве 0,03% приводит к ее снижению в 2 раза (при увеличении σ_в на 10% и σ_изг на 7%), что связано с повышенной склонностью металла к трещинообразованию.

Проведение нормализаций не сопровождается интенсивным дроблением карбидной сетки, что способствует увеличению интенсивности изменения предела прочности (тангенс угла наклона прямых см.табл.3) по сравнению с литым и после отжига (в 2,5-11 раз) в заданном интервале изменения Н_с (7,5-10,3 А/см). Физический смысл свободных членов, как отображающих базовый уровень свойств, при такой интенсивности изменения свойства теряется.

Установлено, что термическая обработка приводит к снижению средней твердости: отжиг - на 22%, тройная нормализация - на 17%, а двойная – на 12%. Одновременно повышаются прочностные характеристики стали независимо от концентрации кремния.

Двойная нормализация повышает σ_в исходной и модифицированной V стали по сравнению с литым состоянием на 34% и Ti на 51%. При тройной нормализации σ_в возрастает для исходной стали на 12%, для модифицированной V на 18%, Ti на 34%. Незначительная тенденция повышения σ_в по сравнению с литым состоянием характерна и для отожженной стали при 850˚С. В этом случае эффект более заметен для стали, модифицированной Ti, где σ_в повышается на 22%.

Термическая обработка повышает и σ_изг. Так, тройная нормализация исходной стали увеличивает эту характеристику на 43%, модифицированной Ti на 54%, и в меньшей мере, модифицированной V – на 20%. Двойная нормализация - повышает σ_изг исходной стали, независимо от содержания Si, в среднем на 36%, модифицированной V на 23%, а Ti на 63%. Отжиг - повышает σ_изг во всех исследованных отливках на 23-33%.

Выводы. На основании комплексных исследований установлено, что независимо от вида модифицирующей и термической обработки в низколегированной заэвтектоидной стали с 1,8% С не происходит полного дробления грубой карбидной сетки. Повышенная концентрация кремния 1,0 ‑ 1,5% не обеспечивает дестабилизации цементита. Рекомендовано для валков промежуточных клетей сортовых и рельсобалочных станов использование низьколегированной заэвтектоидной стали, содержащей 1,79 ‑ 1,83%С, 0,37 ‑ 0,38% Si, модифицированной до 0,45%V.

Литература

1. Вафин Р.К. Прочность термообработанных прокатных валков. / Р.К. Вафин, А.М. Покровский, В.Г. Лешковцев – М: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. – 264 с.

2. Martin J.W. Stability of microstructure in metallic systems. / J.W. Martin, R.D. Doherty, B. Cantor. – Cambridge: Cambridge University Press, 1997. – 425 p.

3. Nastad R.K. The fracture characteristics of nodular cast iron. / R.K. Nastad, F.J. Worzada. – Geneva: Mat.cast.iron. Proc.2th int.Symp, 1974. – P. 789-801.