ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРИЕМ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВЕННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ, А ТАКЖЕ РЕНТАБЕЛЬНОСТИ ИХ ПРОИЗВОДСТВА

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРИЕМ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВЕННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ, А ТАКЖЕ РЕНТАБЕЛЬНОСТИ ИХ ПРОИЗВОДСТВА

Научная статья

Барышев Е.Е.^1, *, Тягунов Г.В.², Цепелев В.С.³, Вандышева И.В.⁴, Тягунов А.Г.⁵, Мушников В.С.⁶, Акшенцев Ю.Н.⁷, Зайцева Н.А.⁸, Шмакова К.Ю.⁹

^{1-6, 8, 9} Уральский федеральный университет, Екатеринбург, Россия;

⁷ Институт физики металлов УрО РАН, Екатеринбург, Россия

* Корреспондирующий автор (e.e.baryshev[at]urfu.ru)

Аннотация

Рассмотрена технологическая цепь производства сталей и сплавов. Установлено, что для повышения качества металлопродукции необходима строгая регламентация температурно-временных параметров плавки. Такое воздействие получило название термовременная обработка расплава. Применение термовременной обработки приводит к повышению однородности и регулярности распределения компонентов микроструктуры, формированию благоприятной структуры слитков и отливок, уменьшению пористости, повышению пластичности металла при пластической деформации.

Ключевые слова: сталь, сплав, структура, расплав, свойства, термовременная обработка.

TECHNOLOGICAL RECEPTION OF THE INCREASING OF THE QUALITY OF THE STRUCTURE AND PROPERTIES OF THE STEEL AND ALLOYS, AS WELL AS THE PROFITABILITY OF THEIR PRODUCTION

Research article

Baryshev E.E.^1, *, Tyagunov G.V.², Tsepelev V.S.³, Vandysheva I.V.⁴, Tyagunov A.G.⁵, Mushnikov V.S.⁶, Akshentsev Yu.N.⁷, Zaytseva N.A.⁸, Shmakova K.Yu.⁹

^{1-6, 8, 9} Ural Federal University, Ekaterinburg, Russia;

⁷ Institute Metal Physics URO RAS, Ekaterinburg, Russia

*Corresponding author (e.e.baryshev[at]urfu.ru)

Abstract

The technological chain of production of steels and alloys has been discussed. It has been established that in order to improve the quality of metal products, strict regulation of temperature and temporal parameters of smelting is necessary. This impact was called thermotime treatment of melt. The use of thermotime treatment leads to an increasing of homogeneity and regularity of distribution of components of the microstructure, the formation of a favorable structure of ingots and castings, a reduction of porosity, increasing of ductility of metal during hot plastic deformation.

Keywords: steel, alloy, structure, melt, properties, thermotime treatment.

Введение

В процессе создания новых и модернизации существующих конструкций, машин и механизмов постоянно возрастают требования к используемым материалам.

Известно, что регулирование структуры и свойств сталей и сплавов в основном осуществляется изменением химического состава и режимами термообработки. Однако повышенная легированность нередко приводит к ухудшению пластичности металла, что оказывает влияние на качество литых и деформируемых материалов. Кроме того, использование дорогостоящих легирующих добавок способствует значительному удорожанию металлопродукции.

Этапы технологической цепи производства включают в себя плавку, разливку, кристаллизацию, деформирование и термообработку и в той или иной степени научно обоснованы. Например, взаимодействие элементов в процессе плавки рассматривается путем выполнения термодинамического анализа системы «жидкий металл – расплавленный шлак – газовая фаза», что на макроуровне позволяет регулировать содержание основных и примесных составляющих сталей и сплавов.

Однако структура и свойства металлических композиций определяются не только атомным ансамблем, но и электронной подсистемой. Формирование такой композиции существенно зависит от уровня энергетического воздействия на систему в процессе плавки, т. е. от ее температурного режима. Но именно эта важнейшая составляющая технологии за редким исключением научно не обоснована.

Как правило, температурно-временные параметры плавки устанавливаются разработчиками технологий по аналогии, т. е. исходя из имеющегося опыта, мастерства производственного персонала и уровня его знаний, а также с учетом энергетических возможностей плавильных агрегатов и термической стойкости огнеупорных материалов. Кроме того, рассматривается экономическая целесообразность процесса.

Дискуссия специалистов и ученых по проблемам выплавки сталей и сплавов активно проходила в 50-70 годах прошлого столетия и опубликована в различных изданиях. Наиболее аргументированной позиции придерживался академик А.М. Самарин, который считал, что для научного обоснования протекающих процессов при выплавке сталей и сплавов необходимы знания о физике и физической химии металлических процессов. Его точка зрения способствовала интенсивному развитию исследований структуры и свойств жидких металлов и сплавов и созданию специализированных лабораторных комплексов.

В частности на Урале профессору Б.А. Бауму удалось создать творческий коллектив и оригинальную исследовательскую лабораторию, разработать основные позиции квазихимического варианта модели микронеоднородного строения металлических жидкостей и на десятилетия вперед сформулировать задачи научного поиска по направлению: взаимосвязь и взаимовлияние структуры и свойств жидких и твердых металлов - как двух конденсированных состояний вещества [1], [2], [3].

Результаты фундаментальных исследований температурных и временных зависимостей вязкости, плотности, поверхностного натяжения, электросопротивления, магнитной восприимчивости, дифракции рентгеновских лучей жидких сталей и сплавов различной легированности, а также данные металлографии, сканирующей электронной микроскопии, химического анализа, термографии, электрохимии и механических испытаний послужили базой для разработки и обоснования технологии термовременной обработки (ТВО) и высокотемпературной обработки расплавов (ВТОР) в процессе плавки [2], [3], [6].

Влияние ТВО на технологические и служебные характеристики сталей и сплавов связано прежде всего с формированием равновесной и однородной структуры расплава, что привело к изменению макро-, микро- и наноструктуры твердого металла [2], [3], [7].

Такие технологии несомненно используются в промышленности развитых стран, но открытой информации по этой тематике практически нет. Только китайские ученые с начала 90^х годов активно публикуют доклады, обзоры и статьи о роли ТВО в процессе плавки в формировании структуры твердого металла и его свойств, а также делятся методическими подходами в изучении проблемы (см., например, [8], [9], [10]). 

Основные результаты и обсуждение

В связи с этим задачей данного исследования являлось подтверждение положительного влияния регламентирования температурно-временных параметров технологии выплавки сталей и сплавов на качественные показатели получаемой металлопродукции.

Для решения данной задачи проанализировали процесс разработки термовременной обработки расплавов и описали ее эффективность на структуру и свойства формируемого твердого металла.

Разработка технологии термовременной обработки расплава для промышленного освоения начинается с определения целей и задач модернизации плавильного процесса и этот этап проводится совместно со специалистами предприятий. На следующем этапе в лаборатории исследуют структуру и свойства расплавов, изучают микроструктуру и свойства твердого металла, определяют наиболее эффективные температурные и временные параметры плавки, составляют диаграмму плавильного процесса в координатах «температура (t, ^оС) – время (τ, мин)» и проводят плавки в лабораторных установках.

Отмеченное проиллюстрируем некоторыми экспериментальными данными. Типичные температурные зависимости кинематической вязкости (ν), электросопротивления (ρ) и магнитной восприимчивости (χ) расплавленных быстрорежущих сталей приведены на рисунке 1. Рисунок свидетельствуют о существенном изменении структуры жидкого металла при нагреве до определенных температур. Гистерезис политерм нагрева и охлаждения отражает необратимость структурной перестройки и перед затвердеванием расплав такого же химического состава, что и после плавления, находится в ином структурном состоянии.

Приведем некоторые обобщенные позитивные показатели технологии выплавки с ТВО расплава:

• технология без особого труда осваивается производственным персоналом, но требуется строгое соблюдение установленного регламента, представленного диаграммой плавки;
• при выплавке высоколегированных сталей и сплавов с ТВО расплава наблюдается полное усвоение вольфрама, а также экономия других дорогостоящих элементов, в частности, на 6-8% хрома, 5-6% ванадия, до 5% молибдена и т. д.;
• интервал переохлаждения расплава увеличивается , что позволяет снизить температуру разливки, и, как следствие, повысить стабильность ламинарного потока жидкого металла и уменьшить его разбрызгивание при заполнении изложниц и литейных форм. Отмеченное способствует сокращению потерь металла при зачистке слитков и литых изделий;

 

Рис.1 – Температурные зависимости кинематической вязкости и удельного электросопротивления жаропрочного сплава ЭП962П

Примечание: • – нагрев; о – охлаждени

 

• в связи с увеличением склонности жидкого металла к переохлаждению сокращается интервал кристаллизации, ускоряется процесс затвердевания и, соответственно, уменьшается объем усадочных дефектов, снижается уровень ликвации элементов и повышается однородность их распределения по объему (рисунок 2). Деформационные процессы не оказывают влияния на характер распределения элементов на наноструктурном уровне литого металла. Конкурентные технологии отсутствуют;
• ТВО расплава способствует трансформации ячеисто-подобной структуры границы раздела «твердое-жидкое» при затвердевании в плоскостную, росту коэффициентов диффузии элементов (D) и повышению плотности дендритов (λ₁). Превышение критической температуры (t_к) сопровождается уменьшением D, увеличением интервала кристаллизации Δt и коэффициентов распределения элементов на границе раздела фаз (К). Следствием отмеченного является рост нестабильности границы раздела, восстановление ячеистой морфологии и уменьшение плотности дендритов;

 

Рис. 2 – Влияние технологии выплавки на характер распределения элементов по зерну литого образца быстрорежущей стали 10Р6М5

Примечание: а – технология завода; б – технология с ТВО расплава

 

• формирование более локализованной дендритной структуры, повышение однородности распределения элементов, измельчение карбидных и других вторичных фаз улучшает обрабатываемость сталей и сплавов резанием, сокращает количество заточек инструмента и время переналадки станков, что в совокупности повышает производительность труда;
• благоприятные условия затвердевания способствуют формированию более предпочтительной для процессов пластической деформации макро- и микроструктуры литого металла. При этом такие показатели как, относительное удлинение и относительное сужение, увеличиваются на 15-25%, а температурный интервал горячей пластичности расширяется на 150-200 ^оС. Последнее позволяет сократить количество промежуточных подогревов деформируемого металла и повысить экономическую эффективность процесса (рисунок 3);

 

Рис.3 – Влияние технологии выплавки на величину и вид политерм относительного сужения (φ), ударной вязкости (КCU), степени деформации сдвига к моменту разрушения (Λ_Р) и вязкости при кластической деформации (а) образцов стали 4Х14Н14В2М (ЭИ69)

Примечание: (- - -) – заводская технология; (-----) – технология с ТВО расплава

 

• эффективность технологии выплавки с ТВО расплава значительно возрастает при производстве порошковых и аморфных материалов, т. е. в процессах, связанных с высокой скоростью затвердевания. Сочетание таких металлургических приемов способствует формированию однородной структуры твердого металла, при чем благодаря ТВО отдельные соединения меди практически исчезают.

При производстве металлических порошков ТВО расплава позволяет получить частицы, обладающие более совершенной микроструктурой. Из представленных на рисунке 4 данных следует, что такая технология способствует увеличению количества годного для нанесения покрытий порошка дисперсностью 100-160 мкм в 1,5-2,5 раза.

 

Рис. 4 – Распределение частиц распыленного порошка сплава типа ПГ-СР по размерам

1 – традиционная технология; 2 – технология с ТВО расплава

  Заключение

Таким образом, научно-обоснованные температурные и временные параметры выплавки сталей и сплавов являются основой для разработки программного технологического процесса. Такой подход позволяет соблюдать регламент плавки, осуществлять контроль за ее ходом, существенно оптимизировать макро- и микроструктуру твердого металла, повысить уровень механических, служебных и технологических свойств, а также экономическую эффективность и рентабельность производства.

Конфликт интересов	Conflict of Interest
Не указан.	None declared.

Список литературы / References

1. Баум Б.А. Жидкая сталь / Б.А. Баум, Г.А. Хасин, Г.В. Тягунов и др. - М.: Металлургия, 1984. - 208 с.
2. Тягунов Г.В. Металлические жидкости. Стали и сплавы / Г.В. Тягунов, Е.Е. Барышев, В.С. Цепелев и др. - Екатеринбург : Изд. УрФУ, 2016. - 268 с.
3. Замятин В.М. Неравновесность металлического расплава и другие факторы, определяющие качество металлопродукции / В.М. Замятин, Б.А. Баум // Расплавы. - 2010. - №3. - С. 12-20.
4. Цепелев В.С. Свойства металлических расплавов / В.С. Цепелев, В.В. Конашков, Б.А. Баум и др.. – Екатеринбург : УГТУ-УПИ, ч. 1, 2008. – 358 с.; ч. 2 – 383 с.
5. Барышев Е.Е. Влияние структуры расплава на свойства жаропрочных никелевых сплавов в твердом состоянии / Е.Е. Барышев, А.Г. Тягунов, Н.Н. Степанова. – Екатеринбург : УрО РАН, 2010. – 199 с.
6. Еланский Г.Н., Строение и свойства расплавов / Г.Н. Еланский, Д.Г. Еланский. – М. : МГВМИ, 2006. - 228 с.
7. Попель П.С. Влияние термической обработки исходного расплава на структуру и свойства кристаллических слитков или отливок / П.С. Попель, В.Е. Сидоров, И.Г. Бродова и др. // Расплавы. - 2020. - №1. - С. 1-34.
8. Su H. Influence of Melt Superheating Treatment on Solidification Characteristics and Rupture Life of a Thid-Generation Ni-Based Single Crystal Superalloy / H. Su, Y. Wang, J. Zhang, et al. // Metallurgical and Materials Transactions B. - 2018. - Vol.49(1). - P.1537-1546.
9. Lie Z. The Influence of Melt Superheating Treatment on the Cast Structure and Stress Repture Property of IN718C Superalloy / Z. Lie, T. Huang, L. Lui, H. Fu // Journal of Alloys and Compounds. - 2017. - Vol.706. - P.76-81.
10. Shi Z. Effect of Melting Temperature on the Microstructure Stability of a Ni-Based Single Crystal Superalloy / Z. Shi, S. Liu, X. Wang and others // Procedia Engineering. - 2015. - Vol.99. - P.1415-1420.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Baum B.A. Zhidkaya stal' [Liquid Steel] / B.A. Baum, G.A. Khasin, G.V. Tyagunov and others. - M.: Metallurgiya, 1984. - 208 p. [in Russian]
2. Tyagunov G.V. Metallicheskie zhidkosti. Stali i splavy [Metal Liquids. Steels and Alloys] / G.V. Tyagunov, E.E. Baryshev, V.S. Tsepelev and others. - Ekaterinburg : UrFU Publ., 2016. - 358 p. [in Russian]
3. Zamyatin V.M. Neravnovesnost' metallicheskogo rasplava i drugie faktory, opredeljajushhie kachestvo metalloprodukcii [Nonequilibrity of Metallic Melt and other Factors that Define Quolity of Metal Production] / V.M. Zamyatin, B.A. Baum // Rasplavy [Melts]. - 2010. - №3. - P. 12-20. [in Russian]
4. Tsepelev V.S. Svoystva metallicheskikh rasplavov [Properties of Metal Melts] / V.S. Tsepelev, V.V. Konashkov, B.A. Baum and others. - Ekaterinburg : UGTU-UPI Publ., 2008. - P.1. - 358 p., P.2. - 383 p. [in Russian]
5. Baryshev E.E. Vliyanie struktury rasplava na svoystva zharoprochnykh nikelevykh splavov v tverdom sostoyanii [Influence of Melt Structure on Properties of Heat resistant Nickel Alloys in Solid State] / E.E. Baryshev, A.G. Tyagunov, N.N. Stepanova. - Ekaterinburg : UrO RAN Publ., 2010. - 199 p. [in Russian]
6. Elanskiy G.N. Stroenie i svoystva rasplavov [Structure and Properties of the Melts] / G.N. Elanskiy, D.G. Elanskiy. : MGVMI Publ., 2006. - 228 p. [in Russian]
7. Popel' P.S. Vliyanie termicheskoy obrabotki iskhodnogo rasplava na strukturu i svoystva kristallicheskikh slitkov ili otlivok [Influence of Heat Treatment of Initial Melt on Structure and Properties of Crystal Ingots or Castings] / P.S. Popel', V.E. Sidorov, I.G. Brodova and others // Rasplavy [Melts]. - - №1. - Р. 1-34. [in Russian]
8. Su H. Influence of Melt Superheating Treatment on Solidification Characteristics and Rupture Life of a Thid-Generation Ni-Based Single Crystal Superalloy / H. Su, Y. Wang, J. Zhang, and others // Metallurgical and Materials Transactions B. - 2018. - Vol.49(1). - P.1537-1546.
9. Lie Z. The Influence of Melt Superheating Treatment on the Cast Structure and Stress Repture Property of IN718C Superalloy / Z. Lie, T. Huang, L. Lui, H. Fu // Journal of Alloys and Compounds. - 2017. - Vol.706. - P.76-81.
10. Shi Z. Effect of Melting Temperature on the Microstructure Stability of a Ni-Based Single Crystal Superalloy / Z. Shi, S. Liu, X. Wang and others // Procedia Engineering. - 2015. - Vol.99. - P.1415-1420.