INTRAFORM MODIFICATION OF CASTINGS FROM HADFIELD STEEL BY FINELY DISPERSED POWDERS ON THE BASIS OF COMPOUNDS OF REFRACTORY METALS

Вдовин К.Н.¹, Феоктистов Н.А.², Горленко Д.А.³

¹ORCID: 0000-0003-3244-3327, профессор, доктор технических наук, ²ORCID: 0000-0002-6091-7983, кандидат технических наук, ³ORCID: 0000-0002-3040-8635, кандидат технических наук, ^1,2,3Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова

Исследование выполнено за счёт гранта Российского научного фонда (проект №15-19-10020)

ВНУТРИФОРМЕННОЕ МОДИФИЦИРОВАНИЕ ОТЛИВОК ИЗ СТАЛИ ГАДФИЛЬДА МЕЛКОДИСПЕРСНЫМИ ПОРОШКАМИ НА ОСНОВЕ СОЕДИНЕНИЙ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ

Аннотация

В статье рассмотрены результаты проведения планируемого эксперимента по внутриформенному модифицированию отливок из стали Гадфильда мелкодисперсными порошками. Целью работы являлось определение совместного влияние различных видов порошков на абразивную износостойкость отливок из высокомарганцевой стали. Приведены значения коэффициентов износостойкости отливок из высокомарганцевой стали, модифицированных внутри литейной формы различным количеством выбранных порошков. Представленные результаты могут быть полезны предприятиям, занимающиеся выпуском изделий из высокомарганцевой стали.

Ключевые слова: высокомарганцевая сталь, износостойкость, внутриформенное модифицирование.

Vdovin K.N.¹, Feoktistov N.A.², Gorlenko D.A.³

¹ORCID: 0000-0003-3244-3327, Professor, PhD in Engineering, ²ORCID: 0000-0002-6091-7983, PhD in Engineering, ³ORCID: 0000-0002-3040-8635, PhD in Engineering, ^1,2,3Magnitogorsk State Technical University named after G.I. Nosov

The research was carried out at the expense of a grant from the Russian Scientific Fund (Project No. 15-19-10020)

INTRAFORM MODIFICATION OF CASTINGS FROM HADFIELD STEEL BY FINELY DISPERSED POWDERS ON THE BASIS OF COMPOUNDS OF REFRACTORY METALS

Abstract

The article discusses the results of the planned experiment on intraform modification of castings from Hadfield steel by fine dispersed powders. The aim of the work is to determine the joint influence of various types of powders on the abrasive wear resistance of castings made from high-manganese steel. The values of the wear resistance coefficients of castings made of high-manganese steel modified inside the mold by a different number of selected powders are given. Presented results can be useful for enterprises engaged in the production of high-manganese steel products.

Keywords: high-manganese steel, wear resistance, intraform modification.

Высокомарганцевая сталь, в частности, сталь Гадфильда, является конструкционным материалом для изготовления отливок, работающих в условиях абразивного и ударно-абразивного изнашивания [1, С. 61]. Из этой стали изготавливают такие изделия, как: брони и молотки дробильно-размольного оборудования, зубья ковшей экскаваторов, конуса засыпных аппаратов доменной печи, стрелочные переводы железнодорожных путей. Показатели эксплуатационной стойкости в первую очередь зависят от механических свойств высокомарганцевой стали.

На механические свойства стали огромное влиянии оказывают: качество шихтовых материалов, технология выплавки [2, С. 386] и внепечной обработки [3], [4, С. 156], материалы, применяемые для легирования и модифицирования сплава [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11, С. 48 – 50], а также тепловые условия формирования отливки, реализующиеся через скорость охлаждения сплава в литейной форме [12, С. 24].

Технология легирования и модифицирования высокомарганцевой стали традиционным материалами известная очень давно. В качестве легирующих элементов для отливок из высокомарганцевой стали широкое распространение нашли следующие элементы: хром, ванадий, молибден. Для модифицирования (микролегирования) применяют следующие материалы: титан, кальций, различного рода карбонаты. Реализация традиционной технологии легирования и модифицирования металла в плавильной печи или ковше имеет существенный недостаток – это обработка всего объёма жидкого расплава, немалая часть которого расходуется на заполнение литниково-питающей системы, а также остаётся в ковше в виде неиспользованного остатка, который сливается в специально подготовленную технологическую ёмкость.

 Реализации технологии внутриформенного модифицирования позволяет воздействовать только на металл, который заполняет отливки внутри литейной формы. Это может привести к экономии дорогостоящих материалов, а также к более рациональному их расходованию.

В настоящее время с целью повышения эксплуатационных свойств отливок широкое промышленное применение находит технология внутриформенного модифицирования мелкодисперсными порошками соединений тугоплавких металлов. Частицы этих порошков закладывают в каналы литниковой системы, либо в специальные камеры, выполненные в литниках. Металл, проходя через эти каналы, увлекает частицы за собой в отливку, что приводит к повышению её потребительских свойств.

Целью данной работы являлось определение влияния различных видов модификаторов на коэффициент абразивной износостойкости.

Для проведения эксперимента использовали стали марки 110Г13Л, химический состав которой регламентирован ГОСТ 977-88.

В качестве модифицирующих материалов использовали порошки двух типов: оксикарбонитрид титана (ОКНТ) и карбид вольфрама (WC) со средними размерами частиц 6 и 80 мкм. Плотность названных порошков существенно отличается: ОКНТ от 5,8 до 5,9 г/см³, а у WC – 15,5 – 15,7 г/см³. Таким образом, ОКНТ при попадании в отливку будет всплывать, а WC осаждаться на дне отливки. ОКНТ будет относительно равномерно распределяться по объёму отливки, в то время, как WC будет оседать на дне. По этой причине, для результативного модифицирования отливок из стали Гадфильда карбидами вольфрама, рабочая поверхность детали должна располагаться в нижней полуформе.

В ходе проведённых ранее исследований, было установлено, что после модифицирования расплава ОКНТ коэффициент износостойкости повышается с 1,1 – 1,2 до 1,5 – 1,6 ед., а при вводе WC значения коэффициента увеличиваются до 1,4 – 1,5 ед . Механизм влияния этих порошков на износостойкость проявляется в следующем: во-первых, частицы порошков являются центрами кристаллизации, что приводит к измельчению размера зерна аустенита. Во-вторых, частицы модификаторов распределяются по объёму отливки, локально концентрируясь на рабочей (изнашиваемой) поверхности детали. Обладая высокой твёрдостью, они препятствуют внедрению частиц абразива в аустенит.

С целью повышения эффективности обработки расплава высокомарганцевой стали этими порошками, которая будет проявляться в получении высоких значений коэффициента износостойкости исследуемого сплава и снижении себестоимость процесса, можно производить совместное модифицирование ОКНТ и WC. Для этого спланировали и провели рототабельный эксперимент. В качестве ядра плана был реализован полный факторный эксперимент 2², в ходе которого принимали следующее изменение расходов модификаторов: Х₁ (WC – 0,2, и 0,8 % от массы модифицируемого расплава), Х₂ (ОКНТ – 0,1 и 0,3 % от массы расплава). Кроме того, провели отдельные эксперименты в реперных точках и центре плана. Полученная в ходе планирования матрица представлена в табл. 1.

 

Таблица 1 – Матрица планирования эксперимента

№ эксперимента	Расход модификаторов (%) от массы обрабатываемого расплава					Х0	Х12	Х22	Х1·Х2
	WC		ОКНТ
	X1	кг/т	X2		кг/т
1	-1	0,2	-1		0,1	1	1	1	1
2	+1	0,8	-1		0,1	1	1	1	-1
3	-1	0,2	+1		0,3	1	1	1	-1
4	+1	0,8	+1		0,3	1	1	1	1
5	0	0,5	0		0,2	1	0	0	0
6	0	0,5	0		0,2	1	0	0	0
7	0	0,5	0		0,2	1	0	0	0
8	0	0,5	0		0,2	1	0	0	0
9	0	0,5	0		0,2	1	0	0	0
10	-1,414	0,354	0		0,2	1	2	0	0
11	+1,414	0,707	0		0,2	1	2	0	0
12	0	0,5	-1,414		0,141	1	0	2	0
13	0	0,5	+1,414	0,283		1	0	2	0

 

Проведя эксперимент и обработав его результаты (табл. 2), получили адекватные математические зависимости износостойкости и твёрдости высокомарганцевой стали от количества введённых порошковых модификаторов.

В табл. 3 представлены численные значения коэффициентов при факторах математической модели, а также указаны значения критерия Фишера, определяющие адекватность указанных коэффициентов.

 

Таблица 2 – Свойства экспериментальных сплавов

№ состава	Свойства сплава при скорости охлаждения в литейной форме (ºС/с)
	4,5 (1,0)		8,9 (1,8)		25,0 (5,45)
	Ки, ед.	HRB, ед.	Ки, ед.	HRB, ед.	Ки, ед.	HRB, ед.
1	1,49	93,9	1,51	94,2	1,62	94,5
2	1,51	93,3	1,56	94,6	1,64	98
3	1,62	94,8	1,64	95,9	1,69	98,6
4	1,55	94,5	1,56	95,2	1,64	98,5
5	1,57	93,1	1,57	94,1	1,63	97,5
6	1,58	92,8	1,57	94,4	1,63	97
7	1,58	93,5	1,58	94,4	1,62	97,2
8	1,55	93,2	1,59	94,3	1,64	97,5
9	1,56	93,1	1,59	94,2	1,63	96,4
10	1,52	92,9	1,54	94,3	1,61	97,4
11	1,54	93,1	1,55	94,6	1,64	97,9
12	1,53	93	1,57	94,5	1,64	97
13	1,56	94,5	1,59	95,6	1,67	94,9

Примечание: Ки – коэффициент абразивной износостойкости; НRB – твёрдость по шкале Бриннеля.   

Общий вид уравнения регрессии выглядит следующим образом:

Y = b₀ + b₁X₁ + b₂X₂ + b₁₁X₁² + b₂₂X₂² + b₁₂X₁X₂   (1)

где  Y – отклик (износостойкость, твёрдость);

Х₁₍₂₎ – факторы;

b₀ – свободный коэффициент уравнения;

b_i – коэффициентs при соответствующих фактора.

Следует отметить, что прочерки, указанные в некоторых столбцах табл. 3, говорят о том, что соответствующий прочерку коэффициент при факторе не является значимым для полученного полинома второй степени.

 

Таблица 3 – Численные значения коэффициентов в уравнении регрессии, связывающее износостойкость и количество введённых в расплава модификаторов

Коэффициенты при факторах	Коэффициент износостойкости, КИ, ед.			Твёрдость сплава, НRB, ед.
	Скорость охлаждения сплава, ºС/с			Скорость охлаждения сплава, ºС/с
	4,5 (1,0)	8,9 (1,8)	25,0 (5,45)	4,5 (1,0)	8,9 (1,8)	25,0 (5,45)
х0	+ 1,276	+ 1,288	+ 1,332	+ 76,079	+ 77,006	+ 76,076
х1(WC)	-	-	-	-	-	-
х2 (ОКНТ)	+ 0,027	+ 0,020	+ 0,014	+ 0,528	+ 0,484	+ 0,523
х (WC)	+ 0,052	+ 0,053	+ 0,065	+ 3,835	+ 3,967	+ 3,810
х  (ОКНТ)	+ 0,059	+ 0,068	+ 0,078	+ 4,168	+ 4,231	+ 4,232
х1 х2 (WC-ОКНТ)	- 0,090	- 0,130	- 0,070	+ 0,3	- 1,100	+ 0,900
F расч	0,669	0,747	0,722	0,688	0,670	0,681
F табл	6,09	6,09	6,09	6,09	6,09	6,09

 

Проанализировав полученные коэффициенты, установили, что при совместном введении в расплав высокомарганцевой стали WC и ОКНТ влияние карбида ванадия незначимо. Физически это можно объяснить неоднородным распределением частиц в аустените из-за высокой его плотности (> 15 г/см³). Из-за этого в процессе заливки расплавом формы происходит локальное скопление частиц модификатора WC в одних зонах поверхности изнашивания, при полном отсутствии в других. Это объясняет его незначительное влияние.

Проведя лабораторный эксперимент и обработав его результаты, сделали следующие выводы:

1. Путём проведения планируемого эксперимента в лабораторных условия и статистической обработки его результатов получены уравнения регрессии, описывающие взаимосвязь совместного модифицирования высокомарганцевой стали WC и ОКНТ с коэффициентом износостойкости и твёрдостью исследуемого сплава. Уравнения регрессии получены для различных тепловых условий формирования отливки.
2. Обработав результаты лабораторного эксперимента и проанализировав полученные данные, сделали вывод, что карбид вольфрама может выступать в качестве модификатора отливок из высокомарганцевой стали, сопровождающего и усиливающего действие ОКНТ.

Список литературы / References

1. Вдовин К.Н. Изучение качественных параметров литой структуры отливки «Зуб ковша экскаватора» / К.Н. Вдовин, Н.А. Феоктистов, Д.А. Горленко и др. // В сборнике: Современные проблемы горно-металлургического комплекса. Наука и производство. Материалы Двенадцатой Всероссийской научно-практической конференции, с международным участием. - 2015. - с. 60 – 65.
2. Тен Э.Б. Термодинамические предпосылки управления процессом плавки 110Г13Л измерением активности кислорода в расплаве / Э.Б. Тен, Е.Ю. Лихолобов // Труды международной научной конференции «Наука и образование – ведущий фактор стратегии «Казахстан-2030» Караганда. – 2011. – с. 385 – 387.
3. Тэн Э.Б. Влияние внепечной обработки на структуру и механические свойства стали 110Г13Л / Э.Б. Тэн, Т.А. Базлова, Е.Ю. Лихолобов и др.// Металловедение и термическая обработка металлов. – 2015. – № 3. – с. 26 – 28.
4. Тэн Э.Б. Влияние ковшевой обработки на строение излома стали 110Г13Л в литом и закаленном состояниях / Э.Б. Тэн, Т.А. Базлова, Е.Ю. Лихолобов // Прогрессивные литейные технологии. Труды VI международной научно-практической конференции. – 2011. – с. 155 – 157.
5. Сысоев А.М. Рафинирование и модифицирование стали 110Г13Л комплексом титан-бор-кальций /А.М. Сысоев, В.В. Бахметьев, В.М. Колокольцев // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. – 2008. – № 1. – с. 43 – 45.
6. Цуркан Д.А. Повышение конструкционной прочности стали 110Г13Л и литых деталей, используемых в специальных машинах, легированием Мо, Ni и модифицированием РЗМ /Д.А. Цуркан, А.Н. Леонтьев, А.В. Ишков// Ползуновский Вестник. – 2012. – № 1/1. – с. 334 – 336.
7. Михалев М.С. Влияние малых добавок Ti, V, Nb, Се, В и N2 на свойства стали 110Г13Л / М.С. Михалев, Р.З. Кац // Литейное производство. – 1970. – № 5. – с. 11 – 12.
8. Колокольцев В.М. Влияние химического состава на структуру и свойства хромомарганцевых аустенитных сталей / В.М. Колокольцев, Л.Б Долгополова, Н.М. Мулявко // Литейные процессы. – 2003. – № 3. – с. 31 – 36.
9. Пилюшенко В.Л. Технологические аспекты микролегирования и модифицирования стали массового значения /В.Л. Пилюшенко, В.А Вихлевщук., С.В. Лепорский // Сталь. – 1990. – № 5. – с. 24 – 26.
10. Федосеев С.Н. Опыт модифицирования стали Гадфильда / С.Н. Федосеев // Сборник трудов XX Международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии. Секция 6. Материаловедение». – 2014. –Т. 2. – с. 115 – 116.
11. Колокольцев В.М. Исследование механических и эксплуатационных свойств высокомарганцевой стали, легированной азотированным феррохромом / В.М. Колокольцев, К.Н. Вдовин, В.П. Чернов и др. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. – 2016. – Т.14. – № 3. – С. 46 – 54.
12. Вдовин К.Н. Исследование закономерностей формирования, морфологии и химического состава избыточной фазы в литой высокомарганцовистой стали / К.Н. Вдовин, Д.А. Горленко, Н.А. Феоктистов // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. – 2016. –Т.59. – № 7. – С. 491 – 497.

Список литературы на английском языке / References in Englis

1. Vdovin K.N. Izuchenie kachestvennykh parametrov litoi struktury otlivki “Zub kovsha ekskavatora” [Study of the Quality Parameters of Cast Structure “Bucket Excavator Tooth”] / K.N. Vdovin, N.A. Feoktistov, D.A. Gorlenko et al. / Collection Contains: Modern Problems of the Mining and Metallurgical Complex. Science and Production. Materials of the Twelfth All-Russian Scientific and Practical Conference (with International Participation.) - 2015. - p. 60-65. [In Russian]
2. Ten E.B. Termodinamicheskie predposylki upravleniya protsessom plavki 110G13L izmereniem aktivnosti kisloroda v rasplave [Thermodynamic Prerequisites for Controlling the Melting Process 110G13L by Measuring the Activity of Oxygen in the Melt] / E.B. Ten, E.Yu. Likholobov // Proceedings of the International Scientific Conference “Science and Education is the Leading Factor of the "Kazakhstan-2030" Strategy” in Karaganda. - 2011. - p. 385-387. [In Russian]
3. Ten E.B. Vliyanie vnepechnoi obrabotki na strukturu i mekhanicheskie svoistva stali 110G13L [Effect of Secondary Treatment on the Structure and Mechanical Properties of Steel 110G13L] / E.B. Ten, T.A. Bazlova, E.Yu. Likholobov et al. / Metallurgy and Heat Treatment of Metals. - 2015. - No. 3. - p. 26-28. [In Russian]
4. Ten E.B. Vliyanie kovshevoi obrabotki na stroenie izloma stali 110G13L v litom i zakalennom sostoyaniyakh [Influence of Bucket Treatment on the Structure of Steel 110G13L Fracture in Cast and Quenched States] / E.B. Ten, T.A. Bazlova, E.Yu. Likholobov // Progressive Foundry Technologies. Proceedings of the VI International Scientific and Practical Conference. - 2011. - p. 155 - 157. [In Russian]
5. Sysoev A.M. Rafinirovanie i modifitsirovanie stali 110G13L kompleksom titan-bor-kaltsii [Refining and Modifying Steel 110G13L with a Titanium-Boron-Calcium Complex] / A.M. Sysoev, V.V. Bakhmetev, V.M. Kolokoltsev // Bulletin of the Moscow State Technical University named after G.I. Nosov. - 2008. - No. 1. - p. 43 - 45. [In Russian]
6. Tsurkan D.A. Povyshenie konstruktsionnoi prochnosti stali 110G13L i litykh detalei, ispolzuemykh v specialnykh mashinakh, legirovaniem Mo, Ni i modifitsirovaniem RZM [Increasing Structural Strength of Steel 110G13L and Cast Parts used in Special Machines Alloyed with Mo, Ni and Modified by REM] / D.A. Tsurkan, A.N. Leontiev, A.V. Ishkov // Polzunovsky Herald. - 2012. - No. 1/1. - p. 334-336. [In Russian]
7. Mikhalev M.S. Vliyanie malykh dobavok Ti, V, Nb, Se, V i N2 na svoistva stali 110G13L [Effect of Small Additions of Ti, V, Nb, Ce, B and N2 on the Properties of Steel 110G13L] / M.S. Mikhalev, R.Z. Katz // Foundry. - 1970. - No. 5. - p. 11 - 12. [In Russian]
8. Kolokoltsev V.M. Vliyanie khimicheskogo sostava na strukturu i svoistva khromomargantsevykh austenitnykh stalei [Effect of Chemical Composition on the Structure and Properties of Chromium-Manganese Austenitic Steels] / V.M. Kolokoltsev, L.B. Dolgopolova, N.M. Mulyavko // Foundry. - 2003. - No. 3. - p. 31 - 36. [In Russian]
9. Pilyushenko V.L. Tekhnologicheskie aspekty mikrolegirovaniya i modifitsirovaniya stali massovogo znacheniya [Technological Aspects of Microalloying and Modifying Steel of Mass Value] / V.L. Pilyushenko, V.A. Vikhlevshchuk., S.V. Leporskiy // Steel. - 1990. - No. 5. - p. 24 - 26. [In Russian]
10. Fedoseev S.N. Opyt modifitsirovaniya stali Gedfilda [Experience of Modifying Hadfield Steel] / S.N. Fedoseev // Collected Works of the XX International Scientific and Practical Conference “Modern Techniques and Technologies. Section 6. Material Science.” 2014. -V. 2. - p. 115 - 116. [In Russian]
11. Kolokoltsev V.M. Issledovanie mekhanicheskikh i ekspluatatsionnykh svoistv vysokomargantsevoi stali, legirovannoi azotirovannym ferrokhromom [Study of Mechanical and Operational Properties of High-manganese Steel Alloyed with Nitrided Ferrochromium] / V.M. Kolokoltsev, K.N. Vdovin, V.P. Chernov et al. // Bulletin of the Magnitogorsk State Technical University named after G.I. Nosov. - 2016. - V.14. - No. 3. - P. 46 - 54. [In Russian]
12. Vdovin K.N. Issledovanie zakonomernostei formirovaniya, morfologii i khimicheskogo sostava izbytochnoi fazy v litoi vysokomargantsovistoi stali [Study of Regularities in the Formation, Morphology and Chemical Composition of the Excess Phase in Cast High-manganese Steel] / K.N. Vdovin, D.A. Gorlenko, N.A. Feoktistov // Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Ferrous Metallurgy. - 2016. - V.59. - No. 7. - P. 491 - 497. [In Russian]