Full Text

Благодаря фундаментальным исследованиям свойств и строения металлических расплавов возникло новое прикладное направление - разработка рекомендаций по приведению многокомпонентных металлических расплавов в состояние равновесия с целью повышения и стабилизации качества металлопродукции [1-3]. У хорошо подготовленного расплава должны отсутствовать всякие следы предыстории, он должен быть равновесным, т.е. в данных условиях максимально однородным. Присущая такому расплаву микронеоднородность определяется только лишь различиями в энергиях взаимодействия составляющих его частиц, иными словами, природой последних. Для научно обоснованной подготовки равновесного расплава нужно прежде всего установить температурный режим выплавки. Это делается на основе изучения температурных зависимостей нескольких свойств жидкого сплава [4]. Политермы свойств многокомпонентных расплавов резко отличаются от политерм чистых металлов. Они почти никогда не бывают монотонными, а тем более линейными. Для каждой марки сплава температурные зависимости свойств имеют собственный характерный вид с особенностями, вызванными составом, исходными материалами и спецификой производства. Основные черты политерм свойств промышленных расплавов - это гистерезис (несовпадение ветвей нагрева и охлаждения) и перегибы (скачки производной свойства по температуре). Наличие гистерезиса свидетельствует об исчезновении неравновесных неоднородностей, унаследованных от шихтовых материалов, и о необратимости этих процессов. Перегибы говорят о немонотонности, иногда скачкообразности процессов перехода системы к равновесию. В связи с этим перевод расплава в равновесное состояние осуществляют чаще всего нагревом до определенных температур, названных критическими. По их достижении энергия теплового движения частиц расплава становится соизмеримой с энергией разрыва наиболее прочных межатомных взаимодействий в неравновесных атомных ассоциациях [5]. Тепловое движение разрушает их, и расплав теряет свою наследственность. Режим выплавки, основанный на изучении закономерностей изменения физико-химических свойств жидких сплавов при нагреве, обеспечивающий формирование однородной структуры расплава и, соответственно, стабильность улучшенных характеристик твердого металла от плавки к плавке, носит название термовременной обработки (ТВО) [2]. Этот режим включает в себя нагрев металла до критических температур, его выдержку в течение определенного времени, охлаждение до температур разливки, выдержку металла вблизи температуры разливки. Как правило, изменениям подвергаются процессы раскисления, легирования, модифицирования и др. Остановимся подробней на одном из типов гистерезиса вязкости промышленных расплавов и так называемой критической температуре, нагрев до которой обеспечивает возникновение гистерезиса. Как следует из графиков, нагрев расплава ниже критической температуры tк не приводит к ветвлению политермы (кривая 1 на рисунке). Рис. Вид политерм вязкости ν сталей типа Р6М5, 08Х20Н9Г7Т и условия их появления в эксперименте: tк - критическая температура, нагрев до которой приводит к ветвлению политерм; tг - температура начала ветвления; τ - продолжительность выдержки при максимальной температуре расплава; Dt - температурный интервал переохлаждения; цифры у кривых - номер политермы Лишь по достижении tк в ходе последующего охлаждения расплава при температуре начала гистерезиса tг наблюдается скачкообразное возрастание вязкости (кривая 2 на рисунке). В дальнейшем ветвь охлаждения не совпадает с ветвью нагрева. Повышение значений n вблизи температуры плавления составляет около 10 %, что существенно превышает относительную погрешность измерений, равную 0,7 %. Отличительной особенностью расплава, нагретого до tк, является высокая степень переохлаждения Dt, достигающая 100 оС и более. Необходимо отметить, что значение tк не является строго фиксированным. Имеется в виду область температур (tк ± 10) оС. Увеличение времени выдержки t при t = tк эквивалентно повышению температуры выше tк (кривые 3 и 4 на рисунке). Перевод расплава в равновесное состояние осуществляют чаще всего нагревом до критических температур. По их достижении энергия теплового движения частиц расплава становится соизмеримой с энергией разрыва наиболее прочных межатомных взаимодействий в неравновесных атомных ассоциациях. Тепловое движение разрушает их, расплав теряет свою наследственность.К сказанному о гистерезисе необходимо добавить следующее: 1. Иногда в результате нагрева расплава выше критической температуры наблюдается еще одно скачкообразное увеличение раскрытия гистерезиса. Температура, нагрев до которой приводит к этому эффекту, названа второй критической - tк2. По-видимому, при tк2 происходит второе интенсивное изменение структуры расплава, вызванное, например, распадом наиболее прочных атомных ассоциаций типа карбидов, силицидов и им подобных. В этом случае первая критическая температура обозначается как tк1. 2. Для некоторых сталей и сплавов, например с большим содержанием марганца (сталь 110Г13Л), наблюдается отрицательный гистерезис вязкости, т.е. ветвь охлаждения находится ниже ветви нагрева. Обнаруженное, по-видимому, объясняется какими-то своеобразными особенностями в строении данного расплава. Аналогичные типы отрицательного гистерезиса встречаются и при исследовании некоторых марок чугуна. 3. Процесс перевода расплава в равновесное состояние в случае использования температурного фактора при минимальном времени выдержки (кривая 2 на рисунке) более эффективен, чем при нагреве до t < tк, но при длительной выдержке расплава. 4. Подчеркнем влияние на характер температурных зависимостей вязкости кислорода и азота. Так, при повышении концентрации этих элементов критическая температура сдвигается в область более высоких значений. Например, на политерме вязкости стали Р6М5 при увеличении концентрации азота до 0,04 мас. % (марка Р6АМ5) не обнаруживаются ни аномалии, ни гистерезис. Увеличение содержания кислорода в стали 08Х20Н9Г7Т с 0,045 до 0,1 мас. % приводит к увеличению критической температуры tк с 1790 до 1840 оС. Итак, расплавы промышленных композиций, шихта которых, как правило, имеет сложный фазовый состав, представляют собой неравновесные системы [6]. В настоящей работе на основе большого экспериментального материала о характере политерм вязкости сталей предпринята попытка установить зависимость температуры аномалии tан и температуры интенсивного перехода расплава в равновесное состояние tк от состава металла. Оказалось, что удобно разделить все стали по содержанию в них углерода, а именно разбить на три группы (таблица). Температуры аномальных участков политерм вязкости tан и критические температуры tк, установленные на образцах сталей по результатам исследования физических свойств Марка стали tан, оС tк1, tк2, оС** Содержание углерода менее 0,1 % 000Х18Н12 - 1850* 04Х25Н5М2 - 1840 Жаропрочные никелевые сплавы 1430 1520, 1820 Аморфный сплав типа Finemet 1300 1520 07Х25Н13 - 1820 Х20Н80 - 1800 Х18Н10Т - 1840 08Х20Н9Г7Т (0,045 % [O]) - 1790 (0,1 % [O]) - 1840 10Х23Н18 - 1620, 1800 Х28 - 1800 Х25 1750 1760 52Н 1600 1650, 1700 Содержание углерода от 0,1 до 0,4 % 08Х20Н9Г7Т (0,0016 % В) 1660 1710 08Х14Н7МЛ - 1750 12Х18Н12М3ТЛ - 1760 14Х18Н4Г4Л 1600 1650 18Х2Н4МА 1660 1730 2Х13 - 1750 23ХГС2МФЛ - 1720 25Х2Г2ФЛ 1660 1720 38ХН3МФЛ 1630 1670, 1720 ХН38ВТ - 1730 ХН20ЮС 1700 1720, 1750 32НКД 1675 1690, 1760 30ХГСА - 1680, 1800* Жаропрочный сплав ЖС6У 1480 1550, 1680 Высокоуглеродистые стали и сплавы Р18 1530 1800 Р6М5 (азот 0,002 %) 1520 1720 Р6М5 (азот 0,04 %), т.е. Р6АМ5 - 1870* Р6М5Ф3 1520 1580 10Р6М5 - 1720 12Р0М5ФСЮ 1560 1580 Чугуны CЧ18-СЧ20 1375-1425 1490-1520 80Х20НС 1580 1700 110Г13Л 1570 1700 Х12 1570 1650 ШХ15 - 1750 * При данной температуре не достигли tк (одна из причин этого - высокое содержание кислорода или азота). ** В зависимости от состава исходных материалов и условий их сплавления указанные в таблице температуры могут изменяться. Первая группа характеризуется низким содержанием углерода ([C]) < 0,1 %1. Кроме того, для нее характерна высокая концентрация хрома. Перед плавлением в широком температурном интервале металлическая матрица сплава имеет ОЦК-структуру. При переходе в жидкое состояние металл этой группы наследует черты структуры твердой стали в виде неравновесных микрообластей, состав которых, вероятно, связан с интерметаллидами типа FeCr. Переход в равновесие осуществляется при критических температурах, чаще всего близких к 1800 °С или даже превышающих эту отметку. Следует заметить, что политермы вязкости при нагреве низкоуглеродистых сталей имеют экспоненциальный характер, без аномалий. Во второй группе сталей содержание углерода ограничено пределами 0,1 < [C, % ] < 0,4. На политермах вязкости в процессе нагрева, как правило, наблюдается аномалия в области 1600-1660 °С. Температуры, при которых стали этой группы переходят в равновесное состояние, находятся обычно в интервале 1670-1750 °С. К третьей группе относятся высокоуглеродистые сложнолегированные стали. С ростом температуры политермы их вязкости характеризуются, как правило, резким увеличением значений n в узком температурном интервале. Аномалия на политермах проявляется при 1520-1580 °С. Температура tк, как правило, не превышает tан более чем на 80 °С. Подчеркнем, что чем выше содержание углерода в стали, тем ярче проявляется аномалия, а температура ее оказывается ниже. Для третьей группы сплавов аномалия на 50-150 °С ниже, чем для второй (см. таблицу). По-видимому, в большинстве случаев эта аномалия связана с перераспределением углерода между карбидоподобными комплексами и металлической матрицей. Представленный анализ выявляет существенную роль углерода в формировании структуры не только твердого, но и жидкого состояния. Это согласуется с данными о влиянии углерода на температуры полиморфных превращений в сплавах на основе железа [7]. Среди основных легирующих элементов особо выделяется хром, оказывающий неоднозначное влияние на вид политерм вязкости в зависимости от содержания углерода в стали. Увеличение концентрации хрома в низко- и среднеуглеродистых сталях приводит к исчезновению аномалии на политерме нагрева, а в высокоуглеродистых сталях, наоборот, к более яркому ее проявлению. Это можно объяснить тем, что хром в низко- и среднеуглеродистых сталях проявляет себя в основном как элемент, который легирует матрицу и способствует перестройке ее решетки в ОЦК-структуру. При более высоком содержании углерода в стали хром уже выступает в качестве основного карбидообразующего элемента. Термовременная подготовка расплава чугуна, выражающаяся в его нагреве и достаточной выдержке при температуре 1510-1530 °С, повышает эффективность модифицирования и позволяет экономить модификаторы [8, 9]. Нагрев над ликвидусом осуществлялся до критической температуры, определяемой путем лабораторных исследований температурных зависимостей свойств расплава. Критической является та минимальная температура, нагрев до которой ликвидирует все неравновесные структурные микрообразования в чугуне, унаследованные от исходных шихтовых материалов. Подобный нагрев и выдержка не только ликвидируют влияние предыстории, но и, главное, обеспечивают формирование истинного раствора углерода и других элементов в железе [10]. Введение модификаторов в такой подготовленный раствор приводит к стабильным результатам качества [11]. Изучение особенностей политерм физических свойств многокомпонентных промышленных расплавов: аномалий, перегибов и гистерезиса - позволяет анализировать процессы изменения структуры расплава при его нагреве и охлаждении, а главное - разрабатывать мероприятия по формированию однородной, стабильной равновесной структуры. Накопленные к настоящему времени сведения о свойствах жидких сталей и сплавов показали, что вид политерм и значения температур интенсивных структурных перестроек в расплаве зависят, прежде всего, от содержания углерода в металле, а кроме того, от концентрации легирующих элементов, состава шихты и условий ведения плавки.

About the authors

V. S Tsepelev

Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin

Iu. S Davydov

Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin

A. I Latypova

Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin

A. I Taushkanova

Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin

V. I Likhtenshtein

Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin

References

Statistics

Views

Abstract - 21

PDF (Russian) - 12

Refbacks

• There are currently no refbacks.