книги из ГПНТБ / Шведов Л.И. Хромоникельалюминиевая жаростойкая сталь

Т а б л и ц а 5

Жидкотекучесть, трещиноустойчивость и линейная усадка стали п р и различной температуре

жидкотекучестп стали ЗХ25Н19С2Л, особенно это замет­ но при повышении температуры заливки выше 1530 °С.

Количественной зависимости заполняемости формы от температуры заливки установить не удалось. Однако качественное сравнение спиралей показало, что запол­ няемость формы у стали ЗХ15Н13ЮЗЛ заметно выше, чем у стали ЗХ25Н19С2Л. Установленные зависимости жидкотекучестп и заполняемости сталей от температуры заливки подтверждаются результатами производствен­ ных плавок.

Исследование влияния температуры заливки на трещиноустойчивость п линейную усадку проведено на двух плавках, состав которых и полученные свойства даны в табл. 5. Здесь же приводятся и данные по жидкотекуче­ стп для сопоставления их с данными по трещпноустойчнвостн. Температура металла перед заливкой изменялась от 1700 до 1500°С. Ее измеряли вольфрам-молибденовой термопарой погружения. Плавка велась в печи с основ­ ной футеровкой.

Приведенные результаты по плавке 7 показывают, что трещиноустойчивость по пробе Купцова — Пехендзн повышается до 100% при снижении температуры залпв-

70

кн до 1650 °С. Испытания стали на пробе-двутавре (плав­ ка 8) дали более чувствительные результаты. При тем­ пературе заливки 1700°С только наименьший двутавр

(1) остался целым. При 1650 °С третий двутавр дал тре­ щину и четвертый разорвался. Прн температурах заливки 1600, 1550 и 1500 °С разрушился только четвертый дву­ тавр, причем при 1500 °С величина трещины была незна­ чительной. Относительная линейная усадка стали с умень­ шением температуры заливки заметно понижается: от 2,8% при 1700°С до 2,6% при 1500°С. Этим в большей мере и объясняется повышение трещиноустойчивости. Таким образом, учитывая понижение жидкотекучести при 1500 °С, оптимальным в отношении трещиноустойчивости

оборудования на МТЗ показал, что детали из стали, выплавленной с повышенным содержанием отходов про­

на технологические свойства жидкого металла, механиче­ ские свойства и термостойкость были выплавлены сле­ дующие варианты плавок: на чистых шихтовых материа­

трещиноустойчивость, образцы проходили механические испытания и испытания на термостойкость. Температура металла в печи перед выпуском составляла 1600°С, при заливке — 1550°С. Результаты исследования представ­ лены в табл. 6 и на рис. 21.

Как видно из рисунка, с увеличением количества отходов жпдкотекучесть возрастает. Это объясняется тем, что с повышением отходов в шихте увеличивался кремнии в стали. Относительная линейная усадка прак­ тически остается постоянной. Трещиноустойчивость по всем вариантам составила 1001/о. Влияние отходов на термостойкость незначительно. Если па чистых шихто-

71

Т а б л и ц а 6

Химический состав и свойства стали с различным содержанием отходов в шихте

вых материалах термостойкость составляет 292 цикла до разрушения, то с 70% отходов — 254. Предел прочно­ сти стали с увеличением количества отходов значительно падает. На чистых шихтовых материалах он составляет 48,0 кгс/мм2, при 70% отходов — 32,8 кгс/мм2. Пластич­ ность падает почти вдвое. На чистой шихте она равна 20.5%, а при введении 70% отходов — 11,3%. Ударная вязкость с увеличением отходов также сильно снижает­ ся. На чистой шихте и с 15% отходов она составляет

15 кгсм/см2, а при 70% отходов — 7,20 кгсм/см2.

Приведенные результаты показывают, что использо­ вание амортизационного лома — изношенных деталей термических печей — в шихте жаростойких сталей для фасонных отливок нежелательно.

Рис. 21. Влияние количества амортизационного лома в шихте на свойства стали ЗХ15Н13ЮЗ

72

3. Влияние кремния на свойства стали

Значительное влияние на свойства жаростойких сталей оказывает кремний. С одной стороны, кремний — весьма полезный легирующий элемент, повышающий сопротивление стали окалинообразованию и жидкотекучесть, с другой, он является сильным ферритообразую­ щим элементом и снижает механические свойства стали. Поэтому было проведено исследование механических и технологических свойств стали ЗХ15Н13ЮЗ в зависимо­ сти от содержания кремния.

Химический состав стали с различным содержанием кремния дан в табл. 7. Сталь выплавлялась в печи с ос­ новной футеровкой. Кремний варьировался путем до­ бавки 75%-ного ферросилиция в печь. Температура за­ ливки формы была 1550 °С. Как видно из таблицы, содержание кремния в стали изучалось в широких преде­

относительной линейной усадки у сплавов с высокой кон­ центрацией кремния при 3,2% алюминия. Трещиноустойчивость стали по пробе Купцова — Нехендзи не изменя­ ется с увеличением концентрации кремния и остается стопроцентной. При исследовании трещиноустойчивости стали на пробе-двутавре, заливаемой в земляную форму, получены результаты, показывающие некоторое сниже­

73

увеличении его до 1,6%. Значительно изменяются^ меха­ нические свойства, жндкотекучесть и термостойкость.

Как видно из рис. 22, повышение содержания крем­ ния ведет к снижению предела прочности, относитель­ ного удлинения и ударной вязкости стали. Особенно сильно это сказывается при увеличении его содержания до 1,28%. Сталь с большей концентрацией кремния и по­ вышенным содержанием алюминия (3,2%) имеет пони­ женные механические свойства (рис. 22, кривые Г —5'). Снижение механических характеристик связано глав­ ным образом с появлением в структуре ферритной фазы.

74

Отмечено заметное снижение термостойкости и увеличе­ ние жидкотекучести стали при повышении концентрации кремния до 1,8% (кривые 4 и 5).

Таким образом, результаты приведенных выше опы­ тов показывают, что для обеспечения высоких механиче­ ских свойств, термостойкости и трещнноустойчивости исследуемой стали желательно иметь минимально допу­ стимое процессом плавки содержание кремния. Практи­ чески при плавке на основной футеровке и использовании обычных шихтовых материалов возврата и отходов про­ изводства содержание кремния в стали получается не более 0,5%, а на кислой футеровке — около 1,0%.

4.Оптимальное содержание алюминия в стали

Впределах регламентированного состава заметное влияние на свойства стали оказывают алюминий и ни­ кель. Так, например, изменение содержания алюминия от 2,0 до 3,5% в значительной мере отразилось на трещпноустойчивостп. Наилучшие результаты получены при 2,5% алюминия. В этом случае пробы-двутавры всех размеров остались целыми. При меньшем содержании

алюминия (2,0%) только первый двутавр остался целым, а остальные имели трещины. При 3,0% алюминия обра­ зовались трещины на четвертом, а при 3,5% алюминия на третьем и четвертом двутавре. Температура заливки составляла 1580 °С. Результаты этих опытов показывают, что для обеспечения высокой трещнноустойчивости оптимальное содержание алюминия — 2,5—2,9%.

Значительно увеличивается термостойкость при по­ вышении содержания в стали алюминия и никеля одно­ временно. Это хорошо видно из сравнения свойств пла­ вок 4 и 6 (табл. 7). Повышение содержания алюминия от 2,5 до 3,5% и никеля от 12,3 до 13,6% увеличило число циклов до образования первой трещины от 268 до 443.

5. Свойства стали, модифицированной РЗМ

Одно из перспективных направлении в решении воп­ роса повышения пластических характеристик литейных марок стали мпкролегнрование их добавками редко­

75

земельных металлов (РЗМ) цериевой группы. Характер­ ной особенностью обработки стали РЗМ является их высокая активность по отношению к вредным примесям— кислороду, водороду, сере, фосфору и др.

Добавки РЗМ ослабляют или устраняют вредное влияние легкоплавких примесей, преимущественно рас­ полагающихся по границам кристаллов в литых сталях и сплавах, образуя с ними более тугоплавкие химические соединения. Модифицирующий эффект и высокое хими­ ческое сродство РЗМ с растворенными газами п различ­ ными примесями создают возможность улучшить не только пластичность, по и такие важные свойства, как жаростойкость и термостойкость [63]. В применении к литой стали эффективность микролегирования стано­ вится особенно отчетливой и экономически оправданной, так как дает возможность приблизить все свойства к характеристикам деформируемого материала.

Жаростойкие стали должны иметь высокие пласти­ ческие свойства, особенно при высоких температурах, что способствует увеличению трещиноустойчивости при кри­ сталлизации и охлаждении отливок в форме и компенса­

ции термических напряжений при теплосменах в процес­ се эксплуатации.

Из литературных источников известно, что увеличе­ ние пластичности и вязкости может быть достигнуто введением в сталь РЗМ. Но данные по оптимальному количеству вводимого модификатора довольно разноре­ чивы. Так, в работе [64] показано, что существенное по­ вышение пластичности и вязкости вызвано добавками РЗМ в виде мишметалла, причем максимальные свойст­ ва получены при 0,3% РЗМ. Указано также, что положи-

влияние ферроцерия на пластичность стали 23Н18 установлено лишь при 1200 °С. Увеличение количества вводимого церия более 0,1% не улучшает дополнительно пластичности стали при 1200 °С. В работе [65] показано, что церий в количестве 0,1% (по расчету) несколько повышает предел прочности стали Х25Н20С2Л при комнатной температуре, а вязкость п пластичность

76

вон жаростойкой стали с добавками РЗМ приготовлено несколько плавок с различным содержанием ферроцерия и испытано в литом и деформированном состоянии. Сред­

ний химический состав испытанных плавок следую­ щий, %:

Ферроцерий вводился в количестве до 0,5% (по расче­ ту). Графическая зависимость свойств от количества вводимого модификатора изображена на рис. 23. Как

кгс/смг, 8 — в литом состоянии; 9 — жаростойкость при 900 °С; 10 — термостойкость; 11 — жидкотекучесть; 12 — трещиноустойчивость

77

же раз увеличивается относительное удлинение. В стали с 0,5% ферроцерпя заметно возрастает ударная вязкость. В литом состоянии отмечено некоторое повышение этих же свойств при модифицировании 0,15—0,25% ферроце­ рпя (рис. 23). С увеличением содержания церрия в стали несколько возрастает жаростойкость и более чем в 2 раза увеличивается термостойкость. Максимальное зна­ чение термостойкости отмечено при 0,1—0,3% ферроце­

ратура заливки в этих опытах была постоянная (1600°С). При введении 0,1% ферроцерия достигается 100%-ная трещиноустойчивость.

На твердость и относительную линейную усадку ста­ ли модифицирование ферроцерием практически заметно­ го влияния не оказывает. Уровень механических свойств стали в деформированном состоянии в 2 раза и более выше, чем в литом. Деформируемость стали хорошая.

С целью определения влияния ферроцерпя на трещинообразование в производственных условиях была выплавлена сталь ЗХ15Н13ЮЗЛ в электродуговой печи ДСН-1,5 с присадкой ферроцерия (0,15%) и без нее. С каждой плавки заливался комплект реторт для цемен­ тации и другие детали. Реторты без добавки ферроцерпя имели трещины па наиболее уязвимой донной части, а с

свойства, жаростойкость, трещиноустойчивость и термо­ стойкость. Ферроцерий в небольших количествах оказы­ вает благотворное влияние на указанные выше характе­ ристики стали. Наиболее благоприятным в этом отноше-

78

ппп являются ют добавки в количество 0,15—0,30%. Модифицирование ферроцерием выше этого предела не может быть рекомендовано, потому что при этом ухуд­

значительно ниже, чем ферроцерня. Поэтому изучалось также влияние добавок сплпкомпшметалла на различ­ ные характеристики стали. При исследовании последний вводился в количестве 0,1; 0,2; 0,3; 0,5% от веса загру­ жаемой шихты. Результаты опытов показали, что моди­ фицирование стали ЗХ15Н13ЮЗЛ силикомишметаллом значительно повышает технологические свойства. Жидкотекучесть (по длине спирали) при температуре заливки 1580 °С повышается с 475 до 850 мм в результате добав­ ки 0,3% модификатора. При большем его количестве отмечено снижение жидкотекучести. Заметное повыше­ ние трещшгоустойчивости имеет место при добавке 0,2; 0,3; 0,5%f силикомишметалла. В этом случае образуется трещина только на самом длинном двутавре (4). Оптимальной добавкой силикомишметалла, существенно повышающей литейные свойства стали, является 0,3%.

6. Плавка стали

Производственные плавки жаростойкой стали на МТЗ производятся в дуговой электропечи ДСН-1,5 с кис­ лой футеровкой. Для выплавки стали ЗХ15ГПЗЮЗЛ ис­ пользуются следующие материалы:

покупной стальной лом и возврат сталей ст. 30 и ст. 45; возврат собственного производства и амортизацион­ ный лом деталей термических печей (стали Х25Н19С2Л,

Х18Н11СЛ и Х15Н13ЮЗЛ); феррохром марок ХРОО и ХРО (ГОСТ 4757—49);

никель марок HI, Н2, НЗ (ГОСТ 849—55); алюминии первичный марки А 1, А2, АЗ (ГОСТ 3349—

Г>5);

ферромарганец 1, 2 (I ОСТ 5165—49); силикокальций КаСи1, К.аСи2 (ГОСТ 4762—49); ферросилиций Сн45 и Си75 (ГОСТ 1415—61); криолит, известняк, кварцевый песок; ферроцерпй или енлпкомпшметалл.

79