Процессы производства крупных слитков улучшенного качества

Модифицирование стали

Широкий спектр машиностроительной продукции, в которой применяют поковки крупных слитков, в ряде случаев обусловливает дополнительные технологические приемы, направленные на повышение качества заготовок.

Для этих целей разработаны различные технологические приемы, обеспечивающие управление процессами затвердевания и формирования слитков. Выбор того или иного технологического приема зависит от комплекса требований, предъявляемых к качеству поковки и готового изделия.

Обычно под модифицированием понимается процесс активного регулирования первичной кристаллизации и изменения степени дисперсности кристаллизующихся фаз путем ввода в расплав малых добавок отдельных химических элементов или соединений. Такие вещества называют модификаторами. Модификаторы, практически не изменяя состав стали, оказывают существенное влияние на ее структуру. Многие из них активно взаимодействуют с компонентами жидкой стали, в результате чего эффект модифицирования в ходе выдержки металла ослабляется. Ввод модификаторов в ряде случаев сопровождается благоприятным воздействием на вредные примеси (раскислением, дегазацией, связыванием серы в устойчивые сульфиды).

Все модификаторы, влияющие на структуру затвердевшего металла делят на две группы: модификаторы первого и второго рода.

Модификаторы первого рода непосредственно образуют в металле центры кристаллизации в виде мелкодисперсной взвеси. Они должны либо сами обладать высокой температурой плавления и создавать твердые частицы, вызывающие гетерогенные образования зародышей, либо образовывать с компонентами стали тугоплавкие соединения, играющие такую же роль. Например, для получения мелкозернистой кристаллической структуры в жидкий металл вводят тугоплавкие соединения, содержащие следующие химические элементы: титан, ванадий, бор, алюминий, цирконий, ниобий, служащие дополнительными центрами кристаллизации. Между тем, при подборе модификаторов первого рода необходимо руководствоваться следующими соображениями: добавка должна образовывать устойчивое тугоплавкое соединение с одним из компонентов сплава или же сам модификатор должен иметь более высокую температуру плавления, чем основа сплава.

Модификаторы второго рода являются поверхностно активными веществами. При кристаллизации они адсорбируются на поверхности растущих кристаллов и тормозят их рост. Это приводит к увеличению величины переохлаждения жидкой стали перед фронтом кристаллизации и создает благоприятные условия для возникновения новых центров зарождения кристаллов, что в итоге способствует измельчению зерна. При выборе модификаторов второго рода учитывают следующие соображения: добавка должна иметь низкий коэффициент распределения в железе, что вызывает увеличение ее концентрации вблизи поверхности кристалла. Растворимость добавки в твердой фазе должна быть небольшой, при этом желательно образование с основой сплава (железом) тугоплавкой эвтектики. Модификаторы второго рода не только измельчают размеры кристаллического зерна, но и изменяют формы роста кристаллов. Они препятствуют развитию игольчатых или пластинчатых кристаллов, придавая им округлые формы. Экспериментально установлено, что в качестве модификаторов второго рода целесообразно использовать щелочные и щелочноземельные металлы.

Модифицирование металла аналогично по характеру действия увеличению скорости охлаждения при кристаллизации. Безусловно, эффект модифицирования зависит от активности вводимых добавок, окисленности, газонасыщенности, загрязненности металла, его физико-химических свойств, температуры расплава, длительности его выдержки в ковше и т.п. Поэтому из-за неизбежности колебаний вышеперечисленных параметров на практике существует достаточно серьезная проблема надежной воспроизводимости результатов модифицирования даже в условиях одного плавильного цеха.

Сильное модифицирующее (инокулирующее) воздействие, например, могут оказывать готовые кристаллы затвердевающей фазы вследствие полного смачивания и сходства их кристаллических решеток. Наибольшие затруднения при реализации этой технологии обычно связываются с ее многоступенчатостью, включающей получение металлического порошка регламентированного химического и фракционного состава, его хранение (предотвращение окисления) и ввод в расплав.

В технологии внепечной обработки жидкой стали все большее применение находит технология обработки лигатурами, содержащими кальций. При этом влияние кальция на структуру и свойства стали проявляется в последовательном протекании многостадийного процесса, обусловленного его высокой химической активностью: рафинирование жидкого металла (раскисление и десульфурация); глобуляризация неметаллических включений; модифицирование макро - и микроструктуры и т.п.

В стали, обработанной кальцием, на поверхности внутризеренного вязкого излома появляются округлые неметаллические включения сульфидов и оксисульфидов, содержащие кальций, которые в силу своей морфологии не оказывают охрупчивающего влияния по сравнению с плоскими остроугольными протяженными выделениями карбонитридов и сульфидов на границах зерен. При этом увеличивается пластичность металла (ударный изгиб - не менее чем в два раза, относительное сужение - на 15-30 %, относительное удлинение - на 10-15%).

Сравнительно малое содержание кальция (0,005-0,008%), которое достаточно для глобулизации сульфидов, свидетельствует о предпочтительности применения кальция в сравнении с другими модификаторами, например, церием (в количестве не менее 0,06 %), для ликвидации межкристаллитного охрупчивания.

Ввод микродобавок кальция также несколько увеличивает уровень прочностных свойств стали. По-видимому, кальций, вытесняя с границ зерен титан, азот и марганец, не только затрудняет образование охрупчивающих выделений, но приводит к увеличению содержания их в твердом растворе внутри зерна указанных элементов, что обеспечивает упрочнение феррита и сопровождается увеличением предела прочности.

Широко применяемый силикокальций из-за ограниченной растворимости кальция в жидкой стали – один из наименее эффективных кальцийсодержащих сплавов. Разработанные сплавы кальция с барием, алюминием, марганцем и с более низким содержанием кремния при различной композиции более эффективны для десульфурации и модифицирования.