Исследование причин структурной и химической неоднородности нижней половины крупных кузнечных слитков

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Н. А. Зюбан, Ю. А. Посламовская, Д. В. Руцкий, С. Б. Гаманюк
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЧИН СТРУКТУРНОЙ И ХИМИЧЕСКОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ НИЖНЕЙ ПОЛОВИНЫ КРУПНЫХ КУЗНЕЧНЫХ СЛИТКОВ
Волгоградский государственный технический университет
(e-mail: tecmat@vstu. ru)
В данной работе представлены результаты исследования структурной и химической неоднородности двух крупных кузнечных слитков стали 38ХН3МФА с различной конфигурацией донной части. Выявлено, что сформировавшийся в процессе кристаллизации слитков конус осаждения имеет зонное строение, характеризующееся различной морфологией и плотностью дендритной структуры. Установлено, что изменение химической неоднородности тесно связано со структурной неоднородностью литого металла. В центральной глобулярной зоне конуса осаждения содержание примесей увеличивается до ковшевого состава (ликвация углерода и серы 0%).
Ключевые слова: кузнечный слиток, кристаллизация, конус осаждения, структурная неоднородность, ликвация.
In this work results of research structural andmical heterogeneity are presented of two large forge ingots of a steel 38ХН3МФА with different geometry of a bottom part. It is shown that the generated in the course of crystallization of ingots the sedimentation cone has the zonal structure characterized by various morphology and density of structure. It is established that change of chemical heterogeneity is closely connected with structural heterogeneity of cast metal. In the central zone of a cone of sedimentation the maintenance of impurity increases to initial structure of cast metal ^hemica! heterogeneity of carbon and sulfur has made 0%).
Keywords: forge ingot, crystallization, cone of sedimentation, structures ths heterogeneity,emical heterogeneity.
Крупные длинномерные поковки произво- устраняют дефектов кристаллизационного про-
дятся из кузнечных слитков большой единич- исхождения, которые наследуются изделием,
ной массы. Увеличение массы слитка приводит что затрудняет получение стабильных значений
к развитию в них химической и физической не- механических свойств по длине и сечению из-
однородности. Объемная химическая неодно- делий.
родность, развивающаяся в слитках в процессе С целью изучения характера затвердевания кристаллизации и выявляемая впоследствии в крупных объемов металла Cr-Ni-Mo сталей
поковках, снижает их сдаточные характеристи- проводили исследование кристаллической
ки. В слитке объемная химическая неоднород- структуры и химической неоднородности ниж-
ность выражается, в основном, в наличии об- ней части крупных кузнечных слитков стали
ласти отрицательной ликвации в нижней трети 38ХН3МФА: обычной геометрии массой 24,2 т
слитка, а также в повышенном содержании ли- и с вогнутой донной частью массой 22,5 т, от-
кватов в верхней части осевой зоны [1, 2]. По- литых по традиционной технологии. Работа
следующая ковка и механическая обработка не выполнена в рамках проекта № 2.1. 2/9220 тема
«Исследование фундаментальных процессов формирования структуры и свойств сверхкруп-ных металлоизделий в различных условиях кристаллизации больших масс металла».
Исследование протяженности структурных зон, параметров кристаллической структуры и химической неоднородности осуществляли на образцах металла, вырезанных по высоте конуса осаждения, по методикам, принятым в соответствии с ГОСТ 10 243–75 и ГОСТ 5639–82 с помощью металлографической программы МГП [3].
В ходе исследовании было установлено, что сформировавшийся в процессе затвердевания слитков конус осаждения имеет ярко выражен-
ное неоднородное строение. Различная морфология и плотность дендритной структуры позволили идентифицировать 5 структурных зон и определить их границы. Изменение параметров кристаллической структуры в зонах конуса имеет схожий характер для обоих изученных слитков. Отличие заключается в отсутствии зоны I в слитке с вогнутой донной частью, что объясняется изменением геометрии слитка и условиями отвода тепла от металлического расплава к массивному поддону [2].
Макроструктура, характерная для этих зон, на примере слитка обычной геометрии, отлитого по традиционной технологии, приведена на рис. 1.
Обобщенные сведения о параметрах дендритной структуры в зонах конуса осаждения представлены в табл. 1. Меньший размер кристаллов, формирующих конус осаждения в слитке с вогнутой донной частью, обусловлен ускоренным теплоотводом массивного поддона данного слитка.
В донной части слитка обычной геометрии расположена зона I (см. рис. 1) с высокой плотностью кристаллов, размер которых минимальный по отношению к кристаллам в других областях конуса и колеблется в небольших пределах от 1,0 до 1,6 мм.
Зона I формируется первыми порциями оседающих кристаллов. Начальная стадия формирования дендритного каркаса характеризуется
Таблица 1
Параметры кристаллической структуры конуса осаждения
Тип слитка Средняя длина кристалла, мм / Средняя объемная доля дендритных осей, %
Зона I Зона II Зона III Зона IV Зона V
Обычный слиток 1,9/82,7 3,5/64,6 3,98/68,7 2,4/76,7 4,87/42,1
Слиток с вогнутой донной частью — 1,66/66,4 2,4/58,3 1,44/78,2 3/46,9
высокой скоростью процесса кристаллизации, поэтому образующиеся изолированные кристаллы не успевают развиться и переносятся вниз нисходящими потоками. Интенсивный те-
плоотвод от донной части слитка обеспечивает высокую скорость затвердевания, поэтому осевшие кристаллы, практически не разрастаясь, «сокристаллизовываются» между собой. В результате образуется мелкокристаллическая плотная область.
Вышележащая зона II и наружная зона III образованы более крупными равноосными кристаллами. Обе зоны имеют в среднем одинаковый размер кристаллов и плотность дендритной структуры, но их формирование происходит в разные промежутки времени в период затвердевания слитка. В зоне III размер кристаллов увеличивается от центра к границе конуса. В центральной части конуса осаждения располагается плотная зона IV. Ее образуют мелкие, относительно прилегающих объемов, глобулярные дендриты (см. рис. 1).
Структурная неоднородность в области конуса свидетельствует о вероятности объемного зарождения дендритов и развитии осадочной кристаллизации в процессе затвердевания слитка. В результате периодического оседания изолированных кристаллов в нижней части слитка накапливаются переохлажденная жидкость и мелкие свободно растущие кристаллы. Дендриты растут, отдавая скрытую теплоту кристаллизации переохлажденному расплаву, откуда она передается корочке твердой фазы.
Кристаллы центральной зоны оказываются локализованы в небольшом объеме, откуда затруднен отвод теплоты кристаллизации. В результате температура расплава в междендрит-ных промежутках и кристаллах становится равновесной. Их рост в этой зоне прекращается, что вызывает изменение дендритной формы кристалла на глобулярную (являющейся формой роста) [4].
По мере развития бокового фронта наружная зона III сужается, приобретая форму усеченного конуса. Она формируется, в основном, в результате подрастания кристаллов, доставляемых нисходящими потоками от бокового фронта кристаллизации. В результате интенсивного теплоотвода, по сравнению с центральной областью, кристаллы наружных слоев растут быстрее.
Зона V образована развитыми различно ориентированными кристаллами и имеет меньшую плотность по отношению к другим описанным зонам (см. рис. 1). Вероятно, вершина конуса осаждения формируется в период, когда вышележащие объемы расплава, включая осевую часть слитка, находятся в жидко-твердом состоянии.
Результаты исследования параметров дендритной структуры в узкой вертикальной области по оси конуса осаждения приведены на рис. 2.
Длина большой оси кристалла, мм
0.1 0. 16 0.2 0. 25 0.3 0. 35
Длина большой оси кристалла, мм б
Дендритный параметр, мм в
Рис. 2. Изменение параметров дендритной структуры по оси конуса осаждения: а — длина большой оси кристалла, б — диаметр большой оси кристалла, в — дендритный параметр
а
Из представленных графиков видно, что при переходе от зоны II к зоне IV длина кристаллов уменьшается, а диаметр большой оси увеличивается. Это доказывает, что дендриты, формирующие центральную область конуса осаждения, имеют глобулярную форму, обусловленную затрудненными условиями теплоотвода от центральной зоны IV. Величина дендритного параметра (отношение длины главной оси кристалла к количеству осей второго порядка) по оси конуса осаждения остается постоянной в пределах 0,47−0,52 мм и заметно возрастает только в зоне V до значений 0,65-
0,7 мм (см. рис. 2). Полученные данные позволяют предположить, что кристаллы конуса осаждения имеют, в среднем, одинаковые теплофизические условия в период образования. Последующее изменение формы роста кристаллов обуславливается различной интенсивностью теплоотвода от каждой из зон. Увеличение параметров дендритной структуры в зоне V связано с уменьшением скорости кристаллизации слитка в целом, а также с увеличением протяженности зоны концентрационного переохлаждения, в которой зарождаются и растут кристаллы, приобретая ярко выраженное разветвленное строение.
Подробное изучение химической неоднородности, проводили на образцах, отобранных с различных горизонтов по высоте конуса осаждения исследуемых слитков. Данные представлены только на примере распределения углерода (рис. 3), так как это один из наиболее ликвируе-мых элементов в стали. Кроме того, углерод является наиболее важным элементом, определяющим необходимый уровень механических свойств в изделиях. Распределение таких элементов, как сера и фосфор, имеет схожий характер.
Исследование химической неоднородности показало, что литой металл зоны конуса осаждения имеет химический состав, отличающийся от ковшевого пониженным содержанием основных ликвирующих примесей (С, 8, Р). Максимальная отрицательная ликвация углерода составляет 13%, серы и фосфора 30 и 60% соответственно.
Отрицательная ликвация С, 8 и Р обусловлена тем, что первые кристаллы, образовавшиеся из расплава при высоких температурах, чище по примесям (сера, фосфор), а также обеднены углеродом. Их оседание приводит к тому, что нижняя часть конуса осаждения (зона I и II) имеет пониженное в 1,2−1,5 раза содержание ликвирующих элементов.
б
Рис. 3. Распределение углерода по высоте конуса осаждения (Сков = 0,38%): а -обычный слиток, б -слиток с вогнутой донной частью
а
Формирование твердого остова нижней части по объемно-последовательному механизму и развитие периферийной (наружной) области конуса осаждения III приводят к снижению интенсивности отвода тепла кристаллизации от центральной зоны конуса осаждения IV. В результате скорость кристаллизации центральной зоны замедляется, что приводит к развитию ли-квационных процессов и накоплению легкоплавких примесей. Содержание примесей возрастает практически до ковшевого состава (ликвация углерода и серы 0%). По мере кристаллизации слитка уменьшаются температурный градиент и интенсивность теплоотвода, что снижает скорость затвердевания и приводит к увеличению содержания ликвирующих элементов (С, 8, Р) у вершины конуса осаждения (зона V) и его наружных объемов. Изменение химической неоднородности тесно связано со структурной неоднородностью литого металла (см. рис. 2, 3) и полностью подтверждает результаты исследования макроструктуры.
Выводы
1. Структурная и химическая неоднородность в области конуса осаждения определяются развитием теплофизических и гидродинамических процессов в период затвердевания жидкого металла в изложнице.
2. Неоднородное кристаллическое строение нижнего конуса позволяет выделить 5 основ-
ных зон, характер расположения и параметры кристаллической структуры которых свидетельствуют о развитии осадочного механизма кристаллизации нижней части слитка.
3. Глобулярная структура и повышенное содержание ликвирующих элементов центральной зоны IV указывают на низкую степень переохлаждения и замедленную скорость кристаллизации данного локального объема твердо-жидкой фазы.
4. Повышенный теплоотвод в слитке с вогнутой донной частью обеспечивает получение более однородной кристаллической структуры и равномерное распределение ликвирующих элементов по высоте конуса осаждения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Руцкий, Д. В. Ликвация в крупных кованных изделиях / Д. В. Руцкий, С. И. Жульев, К. Е. Титов // Проблемы черной металлургии и материаловедения. — 2008. — № 2. — С. 21−26.
2. Посламовская, Ю. А. Особенности формирования нижней части крупных кузнечных слитков Сг-№-Мо сталей / Ю. А. Посламовская, С. И. Жульев // Металлург. — 2008. — № 4. — С. 67−70.
3. Свид. о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2 010 614 950 от 29 июля 2010 г. РФ, МПК (нет). Металлографическая программа / Е. И. Бузинов, Д. В. Руцкий, А. В. Мозговой, Н. А. Зюбан, Ю. М. Шелухина- ГОУ ВПО ВолгГТУ. — 2010.
4. Флемингс, М. К. Процессы затвердевания- пер. с англ. / М. К. Флемингс. — М.: Мир, 1977. — 423 с.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой