ПІДВИЩЕННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ ЖАРОСТІЙКИХ СТАЛЕЙ ЛЕГУВАННЯМ, МІКРОЛЕГУВАННЯМ І МОДИФІКУВАННЯМ

Анотація

Ливарне виробництво залишається однією з небагатьох галузей промисловості, де комп’ютерні технології впроваджуються дуже повільно. Особливо актуальною є проблема розроблення методології прогнозування ливарних і механічних властивостей розплавів на основі заліза з високим вмістом хрому за результатами першого хімічного аналізу металу, який ще знаходиться в плавильному агрегаті. Проте через брак як теоретичної, так і практичної інформації з цього питання не має можливості навіть у лабораторних умовах використовувати або доопрацьовувати хоча б окремі розробки. Крім того, слід зазначити, що одночасно з комп’ютеризацією технологічних процесів або окремих операцій необхідно розглядати й питання пошуку нових ефективних і дешевих сплавів для роботи в умовах високих температур й агресивних середовищ та удосконалення існуючих сплавів з високим вмістом хрому.
Метою роботи є створення банку даних ливарних і спеціальних властивостей сплавів з високим вмістом хрому для подальшого використання в розробленні методології прогнозування якості розплавів та властивостей металу у виливках після легування, мікролегування, модифікування.
Методичне забезпечення експериментальних досліджень охоплює вивчення всіх технологічних та експлуатаційних властивостей сплавів на основі заліза з високим вмістом хрому, результати яких гарантують виготовлення якісних виливків у виробничих умовах в разових об’ємних піщаних формах.
Досліджено вплив основних хімічних елементів – хрому, алюмінію та вуглецю – на ливарні, механічні та спеціальні властивості жаростійких сталей і визначено діапазони використання цих елементів. Оптимальним діапазоном вмісту хрому в сплавах слід вважати 25…32%, а алюмінію – 1,0…3,5% за вмісту вуглецю 0,25…0,35%. У цих діапазонах хімічних елементів основна експлуатаційна характеристика – окалиностійкість – складає 0,6…0,8 г/м2·год проти 3,0…5,0 г/м2·год для відомої хромонікелевої сталі 20Х25Н19С2Л.
Дослідженнями кінетики окиснення сплавів установлено, що збільшення вмісту алюмінію, наприклад, у 25%-ній хромистій сталі до 3% призводить до різкого зниження швидкості окиснення. Значно скорочується час «інкубаційного» періоду окиснення: 2,5 год – для сталі без алюмінію, 1,5 год – для сталі із 1,5% алюмінію і 0,4 год – для сталі із 3% алюмінію. Змінюється також і кінетична закономірність процесу окиснення. Якщо окиснення сталі 35Х25ЮЛ здійснюється за законом, наближеним до параболічного, то для сталі 35Х25Ю3Л – більш справедливим є логарифмічний закон.
Досліджено окалиностійкість хромоалюмінієвих сталей в різних середовищах (повітря; повітря + 25% СО2; повітря + 25% Н2О; повітря + 45% Н2О) за температури 1200 ºС протягом 100 год. Установлено, що найгіршу окалиностійкість сталь має в середовищі з максимальним вмістом вологи.
На підставі аналізу впливу хрому, алюмінію та вуглецю на ливарні, механічні та спеціальні властивості створено масив даних для розроблення методології прогнозування властивостей сталей цього класу.
З метою створення банку даних щодо процесів мікролегування та модифікування жаростійких хромоалюмінієвих сталей досліджено вплив РЗМ, ітрію, кальцію, ванадію та цирконію на їх властивості.
Одним з перспективних технологічних прийомів для покращання властивостей сталей і підвищення якості литих деталей є додаткове оброблення розплаву рідкісноземельними металами (РЗМ). Досліджено вплив РЗМ на властивості хромоалюмінієвих сталей і встановлено, що присадка до 0,3% РЗМ у хромоалюмінієву сталь помітно підвищує її рідкотекучість внаслідок дегазації й десульфурації розплаву та зміни мінералогічного складу, розмірів і щільності неметалевих вкраплин й переведення їх з гострокутної форми в глобулярну. Присадки РЗМ у межах 0,15…0,25% позитивно впливають на лінійну усадку й тріщиностійкість сталей, підвищують механічні властивості як за температур імовірного утворення тріщин, так і за кімнатних температур. Присадка до 0,25% РЗМ сприятливо впливає на характеристики міцності сталі в результаті зменшення кількості газів і подрібнювання структури та істотно покращує окалиностійкість хромоалюмінієвого сплаву. Отже, у тих випадках, коли із хромоалюмінієвої жаростійкої сталі необхідно виготовляти виливки для роботи в екстремальних умовах, доцільно розплав додатково обробляти рідкісноземельними металами в кількості 0,15...0,25%.
Як мікролегувальні присадки і такі, що модифікують метал, досліджено: ітрій – до 0,6%; кальцій – до 0,1%; ванадій і цирконій – до 0,3%.
Найкращий комплекс ливарних, механічних й експлуатаційних властивостей хромоалюмінієва сталь набуває після оброблення її ітрієм у кількості 0,10...0,25% (за присадкою). Особливо позитивно впливає ітрій на окалиностійкість металу внаслідок зміни складу та властивостей внутрішнього шару окалини. Підвищуються її адгезійні властивості, що, значною мірою, запобігає сколюванню оксидного шару з поверхні виробу під час теплозмін.
Кальцій у кількості до 0,1% сприяє підвищенню рідкотекучості, міцності та зниженню лінійної усадки. Маючи високу спорідненість до кисню, сірки й азоту, кальцій значною мірою змінює кількість, форму й морфологію неметалевих вкраплин, сприяє гомогенізації структури металу й підвищує термостійкість виробів. Присадки до 0,2% ванадію трохи поліпшують рідкотекучість хромоалюмінієвої сталі, а до 0,1% – знижують лінійну усадку, істотно підвищують тимчасовий опір розриванню й термостійкість, а також трохи підвищують окалиностійкість металу. Позитивний вплив на властивості хромоалюмінієвої сталі справляють присадки цирконію в кількості до 0,2%.
Досліджено структуру та розподіл хрому по перерізу стінок виливків різної товщини (15, 20 і 25 мм). Розподіл хімічних елементів вивчено на периферії, з обох боків та в центрі. Установлено, що сталь має максимально однорідну гомогенну структуру, а хром та алюміній рівномірно розподіляються по перерізу стінок виробу незалежно від їх товщини. Отже виконується основне правило: для роботи за високих температур і в агресивних середовищах сталь повинна мати однорідну гомогенну структуру.