65. Макролегування, мікролегування та модифікування сталей із спеціальними властивостями для покращання їх експлуатаційних характеристик

Легування сталі є важливою операцією у технологічному процесі її ви­плавляння в сталеплавильних агрегатах, яка визначає ефективність виробниц­тва і якість металопродукції. Процес легування продовжує операцію плав­лення. Із збільшенням тривалості операції легування техніко-економічні показ­ники плавки в цілому погіршуються. Особливо це проявляється при викорис­танні тугоплавких феросплавів, розчинення яких у рідкій сталі лімітується по­вільними процесами дифузії. Виплавлення легованої сталі з окисленням ускладнює цей процес, оскільки присадки феросплавів у сталеплавильну ванну супроводжуються значним і несталим угаром легувальних елементів, що утру­днює одержання сталі заданого хімічного складу.

Теорія легування сплавів на основі заліза, до яких відносяться сталі, в ос­новному пов'язана з установленням впливу легувальних елементів на властиво­сті твердих розчинів, які вони утворюють з залізом.

Основними положеннями теорії легування є такі:

• при утворенні твердих розчинів міцність металу підвищується у по­рівнянні з міцністю чистих вихідних металів, до того ж межа текучості цих роз­чинів зростає із збільшенням концентрації елементів, які вводяться у рідкий метал;

• кожний із легувальних елементів впливає на міцність багатокомпоне­нтних сплавів таким же чином як і на міцність подвійних сплавів;

• легувальні елементи знижують теплопровідність металу, внаслідок чо­го змінюються структура і весь комплекс фізико-механічних властивостей сталі.

Легування - це введення в рідкий метал та розчинення або розплавлення в ньому легувальних елементів для одержання сплаву заданого хімічного складу із структурою, яка забезпечує високі фізико-хімічні та механічні властивості виробу.

Легування сталі здійснюється різною кількістю легувальних елементів (переважно від 1,0 до 30,0%) залежно від умов експлуатації виробу, який виго­товляється із легованої сталі.

Після додавання у розплав легувальних елементів у ньому проходятьскладні фізико-хімічні процеси розчинення або розплавлення феросплавів, чи­стих металів або лігатур, окислення легувальних елементів, зміна температури всієї системи, утворення сполук легувальних елементів з компонентами, що знаходяться у розплаві, і перш за все з основним компонентом - залізом.

В практиці сталеливарного виробництва найбільш поширеною тех­нологією введення у розплав легувальних елементів поки що залишається до­давання у піч кусків феросплавів або лігатур масою до 10... 15 кг.

Легувальні елементи розділяють на такі, що не окис­люються або майже не окислюються в умовах сталеплавильної ванни (Ni, Со, Сu, Мо, W), та такі, що окислюються (Сг, V, Ті, В, А1 та ін.).

Мікролегування — це процес введення у металевий розплав невеликих (до 0,1%) присадок легувальних елементів для зміни властивостей металу у рідкому стані та у виробах. Цей процес, як і під час легування сталі, су­проводжується комплексом складних фізико-хімічних взаємодій між мета­лом та елементом, що в нього вводиться.

Мікролегування ефективно впливає перш за все на чистоту меж зерен та зменшує шкідливий вплив легкоплавких домішок (5, Ві, 8п, РЬ, Аз, 8Ь то­що) на властивості металу у виробах.

На практиці мікролегування, переважно, суміщають з розкисленням, при цьому утворюються тверді розчини, змінюються природа, форма і розпо­діл неметалевих вкраплин в об'ємі металу, здійснюється перетворення плівко­вих неметалевих вкраплин у глобулярні.

Мікролегування використовують тільки у тих випадках, коли не­обхідну структуру сталі та високі її ливарні властивості не можна одер­жати за звичайних умов її виплавлення.

Мікролегування знижує зональну та дендритну ліквації внаслідок блоку­вання дифузії елементів, які схильні до цього (сірка, фосфор, вуглець тощо).

Для мікролегування сталі використовують рідкі метали (В, Zr, Ті, Nb, V), рідкоземельні (Се, Lа, Y), їх суміші, а також Аl, Са, Мg, Ва, N. Оптима­льний вміст РЗМ, Zr або титану у сталях - 0,02...0,05%, В - у конструк­ційних легованих сталях - 0,001...0,002%, а у сталях із спеціальними властиво­стями - 0,0015...0,02%.

Модифікування. Модифікування ливарних сталей у сучасному стале­ливарному виробництві відіграє надзвичайну роль. Органічно поєдную­чись з доведенням розплаву до вимогових властивостей і, особливо, з його остаточним розкисленням, модифікування значною мірою визначає характер кристалізації сталі, ступінь її гранулярності, що дуже важливо для високолегованих сталей, і комплекс їх механічних та спеціальних властивостей.

Однією з вирішальних стадій утворення твердого металу із рідкого стану є первинна стадія кристалізації із розплаву, тобто стадія колоїдної дис­персності при виникненні зародків кристаликів, коли із гомогенної, по­збавленої внутрішніх неоднорідностей і поверхонь розділу система стає мікрогетерогенною з максимально розвинутою внутрішньою поверхнею розділу „центри-розплав". Якраз в такому гранично дисперсному стані метал, який почав кристалізуватися, має найбільший запас вільної енергії на внутрішньоме-талевих поверхнях „кристалик-середовище". Тому процес утворення твердого металу із рідкої фази значною мірою визначається елементами-модифікаторами, які присутні на внутрішньометалевих межах.

Модифікаторами називають речовини, які в дуже малих концентраціях суттєво впливають на процеси кристалізації із розплавів. Вплив модифі­кування на властивості рідкої і твердої сталі настільки великий, що інші технологічні фактори процесів виплавлення сталі і одержання якісних ви­ливків часто мають тільки підпорядковане значення.

За характером дії на сплави модифікатори поділяють на дві групи. До мо­дифікаторів першої групи відносять поверхнево-активні речовини, дія яких по­лягає в вибірній адсорбції на гранях кристалика, який утворився. Модифікатори другої групи - це тверді часточки, які утворюють у розплаві зародки і знижують роботу утворення кристалів. І в першому, і в другому випадках обмежується ріст кристалів і подрібнюється структура сплаву.

Остаточне розкислення в реальних умовах сталеливарного вироб­ництва поєднує обидва види модифікування. Крім утворення з киснем, сіркою та азотом кристалічних зародків (неметалевих вкраплин), елемент-розкислювач справляє суттєвий влив на зміну поверхневого натягу рідкої сталі. Навіть при незначній концентрації залишкового поверхнево-активного елемента (0,0001...0,1%) здійснюється насичення адсорбційного шару. В зв'язку з цим і випадкові нерегульовані домішки можуть змінити фізико-механічні вла­стивості сплавів, в одних випадках покращуючи, а в інших погіршуючи їх якість.

Як модифікатори при виплавленні вуглецевих та легованих сталей використовують Са, Ва, Zr, Се, Lа. При виплавленні сталі активні розкислювачі, що вступають у взаємодію з металевим розплавом та утворюють тугоплав­кі кристалічні системи оксидів, нітридів та карбонітридів, відносять до модифікаторів другого роду. Наявність у розплаві тугоплавких часточок при­зводить до загального збільшення кількості зародків в одиниці об'єму мета­лічної рідини. Таке утворення вимушених центрів кристалізації не тільки змінює умови кристалізації рідкого металу, але і суттєво впливає на процеси перетворення у твердому стані.

Модифіковані високолеговані сталі мають кращі спеціальні влаcтивості, вищі