Наследственное влияние дендритной структуры на размер зерна непрерывнолитых заготовок из среднеуглеродистой стали

Показана наследственная связь дендритной и зеренной структуры непрерывнолитых заготовок из среднеуглеродистой стали разных способов производства. Установлено, что от размера дендритов зависит размер зерен аустенита. Неоднородность химического состава аустенита, вызванная дендритной кристаллизацией с...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2017
Hauptverfasser:	Левченко, Г.В., Балаханова, Т.В., Борисенко, А.Ю., Мосьпан, В.В., Антонов, Ю.Г., Мединский, Г.А.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України 2017
Schriftenreihe:	Металл и литье Украины
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/163245
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Наследственное влияние дендритной структуры на размер зерна непрерывнолитых заготовок из среднеуглеродистой стали / Г.В. Левченко, Т.В. Балаханова, А.Ю. Борисенко, В.В. Мосьпан, Ю.Г. Антонов, Г.А. Мединский // Металл и литье Украины. — 2017. — № 11-12 (294-295). — С. 25-33. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-163245
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1632452020-01-27T01:25:54Z Наследственное влияние дендритной структуры на размер зерна непрерывнолитых заготовок из среднеуглеродистой стали Левченко, Г.В. Балаханова, Т.В. Борисенко, А.Ю. Мосьпан, В.В. Антонов, Ю.Г. Мединский, Г.А. Показана наследственная связь дендритной и зеренной структуры непрерывнолитых заготовок из среднеуглеродистой стали разных способов производства. Установлено, что от размера дендритов зависит размер зерен аустенита. Неоднородность химического состава аустенита, вызванная дендритной кристаллизацией стали, обусловливает его разные реологические свойства, определяющие способность к фрагментации на зерна под действием внутренних напряжений. Показано спадковий зв’язок дендритної та зеренної структури безперервнолитих заготовок із середньовуглецевої сталі різних способів виробництва. Встановлено, що від розміру дендритів залежить розмір зерен аустеніту. Неоднорідність хімічного складу аустеніту, що викликана дендритною кристалізацією сталі, обумовлює його різні реологічні властивості, які визначають здатність до фрагментації на зерна під дією внутрішніх напружень. Hereditary relationship of dendritic and grain structure of continuously cast billets made of medium-carbon steel of different production methods was demonstrated. It was established that sizes of austenite grains depend on the sizes of dendrites. Heterogeneity of chemical composition of austenite, caused by the dendritic crystallization of steel, conditions its different rheological properties, which determine the ability to fragmentation into grains under internal stresses. 2017 Article Наследственное влияние дендритной структуры на размер зерна непрерывнолитых заготовок из среднеуглеродистой стали / Г.В. Левченко, Т.В. Балаханова, А.Ю. Борисенко, В.В. Мосьпан, Ю.Г. Антонов, Г.А. Мединский // Металл и литье Украины. — 2017. — № 11-12 (294-295). — С. 25-33. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 2077-1304 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/163245 620.18:669.14:621.746 ru Металл и литье Украины Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Показана наследственная связь дендритной и зеренной структуры непрерывнолитых заготовок из среднеуглеродистой стали разных способов производства. Установлено, что от размера дендритов зависит размер зерен аустенита. Неоднородность химического состава аустенита, вызванная дендритной кристаллизацией стали, обусловливает его разные реологические свойства, определяющие способность к фрагментации на зерна под действием внутренних напряжений.
format	Article
author	Левченко, Г.В. Балаханова, Т.В. Борисенко, А.Ю. Мосьпан, В.В. Антонов, Ю.Г. Мединский, Г.А.
spellingShingle	Левченко, Г.В. Балаханова, Т.В. Борисенко, А.Ю. Мосьпан, В.В. Антонов, Ю.Г. Мединский, Г.А. Наследственное влияние дендритной структуры на размер зерна непрерывнолитых заготовок из среднеуглеродистой стали Металл и литье Украины
author_facet	Левченко, Г.В. Балаханова, Т.В. Борисенко, А.Ю. Мосьпан, В.В. Антонов, Ю.Г. Мединский, Г.А.
author_sort	Левченко, Г.В.
title	Наследственное влияние дендритной структуры на размер зерна непрерывнолитых заготовок из среднеуглеродистой стали
title_short	Наследственное влияние дендритной структуры на размер зерна непрерывнолитых заготовок из среднеуглеродистой стали
title_full	Наследственное влияние дендритной структуры на размер зерна непрерывнолитых заготовок из среднеуглеродистой стали
title_fullStr	Наследственное влияние дендритной структуры на размер зерна непрерывнолитых заготовок из среднеуглеродистой стали
title_full_unstemmed	Наследственное влияние дендритной структуры на размер зерна непрерывнолитых заготовок из среднеуглеродистой стали
title_sort	наследственное влияние дендритной структуры на размер зерна непрерывнолитых заготовок из среднеуглеродистой стали
publisher	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
publishDate	2017
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/163245
citation_txt	Наследственное влияние дендритной структуры на размер зерна непрерывнолитых заготовок из среднеуглеродистой стали / Г.В. Левченко, Т.В. Балаханова, А.Ю. Борисенко, В.В. Мосьпан, Ю.Г. Антонов, Г.А. Мединский // Металл и литье Украины. — 2017. — № 11-12 (294-295). — С. 25-33. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.
series	Металл и литье Украины
work_keys_str_mv	AT levčenkogv nasledstvennoevliâniedendritnojstrukturynarazmerzernanepreryvnolityhzagotovokizsredneuglerodistojstali AT balahanovatv nasledstvennoevliâniedendritnojstrukturynarazmerzernanepreryvnolityhzagotovokizsredneuglerodistojstali AT borisenkoaû nasledstvennoevliâniedendritnojstrukturynarazmerzernanepreryvnolityhzagotovokizsredneuglerodistojstali AT mosʹpanvv nasledstvennoevliâniedendritnojstrukturynarazmerzernanepreryvnolityhzagotovokizsredneuglerodistojstali AT antonovûg nasledstvennoevliâniedendritnojstrukturynarazmerzernanepreryvnolityhzagotovokizsredneuglerodistojstali AT medinskijga nasledstvennoevliâniedendritnojstrukturynarazmerzernanepreryvnolityhzagotovokizsredneuglerodistojstali
first_indexed	2025-07-14T15:46:07Z
last_indexed	2025-07-14T15:46:07Z
_version_	1837637795806445568
fulltext	25ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2017. № 11-12 (294-295) Заготовки из среднеуглеродистой осевой стали марки «ОС» и трубной стали марки «Дтр» имеют практически одинаковый химический состав, но из-за требований к размеру зерна и равномерности пер- литно-ферритной микроструктуры, предъявляемых к железнодорожным осям, качество осевых НЛЗ выше, чем трубных. Выполнение этих требований обеспе- чивается технологией производства стали, которая должна влиять на первичную дендритную и зерен- ную структуру. Однако данные, наглядно иллюстри- рующие связь дендритной и зеренной структуры, от- сутствуют. Цель работы – установление закономерностей наследственной связи дендритной и зеренной струк- туры в зависимости от технологии производства НЛЗ из среднеуглеродистой стали и объяснение наблю- даемых явлений. Материал и методика исследования. Исследова- ния выполнены на образцах НЛЗ из среднеуглероди- стой стали разных производителей. Условные обозна- чения исследуемых НЛЗ, их характеристики, завод- производитель и химический состав стали приведены в таблице. Анализ дендритной структуры выполнен на образцах, отобранных от поверхностных зон, 1/4 тол- щин (диаметра) и центральных участков НЛЗ. Микроструктуру выявляли традиционным мето- дом травления шлифов в 4%-ном растворе азот- ной кислоты в этаноле (нитале), а также в горячем растворе пикрата натрия (пикрат), позволяющем по цветовой окраске окисной пленки видеть химиче- скую неоднородность стали, вызванную дендритной ликвацией. Применение двух разных по принципу действия металлографических методов выявления микроструктуры позволило не только сопоставить Актуальность и состояние вопроса иссле- дования. Необходимость изучения наслед- ственного влияния процессов кристалли- зации на конечную микроструктуру и свой- ства литой, горячедеформированной и термически обработанной стали обусловлена постоянно суще- ствующей актуальностью повышения ее качества и снижения затрат на производство. Эффектив- ность решения этой задачи зависит от понимания принципов и знания закономерностей осуществле- ния металлургической наследственности, частный случай которой – структурная наследственность в стали [1, 2]. Оставшийся нерешенным вопрос формирования первичного зерна в литой стали и его связи с дендрит- ной структурой, активно изучавшийся в середине XX века [3–6], «наследственно перешел» от проблемы качества слитка к проблеме качества непрерывно- литых заготовок (НЛЗ) [7], производство которых до- минирует в современной черной металлургии. Акту- альность этого вопроса показывают данные работы [8]. Наблюдая изменение дисперсности и плотности дендритной структуры по сечению непрерывнолито- го сляба сечением 250×1200 мм из стали марки 15, ее авторы констатируют, что «…металлографическо- го соответствия между дендритной и литой зеренной структурой нет…». Из этого можно сделать вывод, что дендритная структура НЛЗ не влияет на раз- мер зерна в стали, а следовательно, и ее свойства. Однако практика производства НЛЗ из стали одина- кового состава, но по разным технологиям, воздей- ствующим на дендритную структуру, показывает ее значительное влияние на конечную микроструктуру и свойства металлопродукции. УДК 620.18:669.14:621.746 Г. В. Левченко, д-р техн. наук, проф., зав. лаб. Т. В. Балаханова, канд. техн. наук, ст. науч. сотр. А. Ю. Борисенко, канд. техн. наук, ст. науч. сотр., e-mail: asbor@ua.fm В. В. Мосьпан, зам. ген. дир. Ю. Г. Антонов, нач. техн. упр. Г. А. Мединский, зам. нач. техн. отд. техн. упр. Институт черной металлургии им. З. И. Некрасова НАН Украины, Днепр ПАО «Днепровский металлургический комбинат», Каменское Наследственное влияние дендритной структуры на размер зерна непрерывнолитых заготовок из среднеуглеродистой стали Показана наследственная связь дендритной и зеренной структуры непрерывнолитых заготовок из среднеуглеродистой стали разных способов производства. Установлено, что от размера дендритов зависит размер зерен аустенита. Неоднородность химического состава аустенита, вызванная дендритной кристаллизацией стали, обусловливает его разные реологические свойства, определяющие способность к фрагментации на зерна под действием внутренних напряжений. Ключевые слова: сталь, непрерывнолитая заготовка, микроструктура, наследственность. 26 ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2017. № 11-12 (294-295) тов неоднозначно. Например, наибольшая относи- тельная разница в площадях сечений наблюдается между НЛЗ «Е» и НЛЗ «А» – 58 %. При этом относи- тельная разница между размерами дендритов этих НЛЗ наименьшая и составляет 28, 105 и 12 % соот- ветственно для поверхностной зоны, 1/4 толщины и центральной зоны. Если же сравнить НЛЗ «Е» и «D», то относительная разница между их толщинами рав- на 17 %, тогда как между размерами дендритов она равна 88, 225 и 126 % для поверхностной зоны, 1/4 толщины и центральной зоны соответственно, явля- ясь наибольшей (см. рис. 2). Неоднозначное влияние размера сечения НЛЗ на размер дендритов видно и из сопоставления НЛЗ «В» и «С», толщины которых одинаковы, а дендритная структура, хотя и незначи- тельно, но отличается. Из этого можно заключить, что на размер дендритов в стали оказывает влияние не сам по себе размер сечения НЛЗ (толщина, диаметр или площадь), а комплекс факторов, среди которых имеют большое значение геометрия НЛЗ, способ производства и условия разливки стали. Последние влияют на конвективные тепловые и гидродинамиче- ские потоки жидкой стали, ответственные за образо- вание дендритной структуры. Наименьшая разница в размере дендритов для большинства НЛЗ наблюда- ется в их поверхностных зонах. Это свидетельствует о близких условиях формирования дендритов в этих случаях. Визуальная оценка микроструктуры стали пока- зала, что направление роста дендритов, их форма и размер определяют форму и размер зерен по сече- ниям НЛЗ. В общем случае относительно равноос- ные зерна окружают равноосные и разориентирован- ные дендриты, а ориентированные («столбчатые») зерна образуются вокруг и вдоль ориентированных дендритов; большему размеру дендритов соответ- ствует больший размер зерен и наоборот. Поскольку размер зерна и разнозернистость ау- стенита оказывают влияние на конечную микрострук- туру и свойства стали, а также в связи с наблюда- емой зависимостью ее дендритного и зеренного строения от способа производства и размера сече- ния НЛЗ (рис. 2), представляло важным установить влияние размеров дендритов исследуемых НЛЗ на конечную микроструктуру среднеуглеродистой стали, основные характеристики которой – размер зерна и количественное соотношение феррит/перлит. С этой целью и для устранения влияния внешних факторов особенности дендритного и зеренного строения ста- ли НЛЗ, но и качественно связать их с дендритной ликвацией. Количественный анализ параметров микрострук- туры выполнен с помощью системы автоматического анализа изображений «Axio Vision» компании Карл Цейс. Размер дендритов определяли методом случай- ных секущих при рассечении не менее 400 элементов дендритной структуры, наблюдаемой при 50-кратном увеличении. Зернами в стали после превращений аустенита считали перлитные участки, окантованные доэвтектоидным ферритом, в предположении, что их размер и форма соответствуют размеру и форме зерен аустенита, вдоль всех границ которого образу- ется феррит, хотя это условие выполняется не всег- да [9]. Средний размер зерен определяли методом случайных секущих 400–500 зерен при 500-кратном увеличении. Количество перлита находили методом площадей. Степень разнозернистости стали опреде- ляли по отношению среднеквадратичного отклонения к среднему значению размеров зерен. Результаты исследований и их обсуждение. Ис- следования показали, что дендритная структура по сечениям НЛЗ «А» и «В» состоит из: мелких неори- ентированных дендритов – в поверхностных зонах, крупных ориентированных дендритов – на расстояни- ях 1/4 от поверхностей и крупных неориентированных дендритов – в центральных зонах. В соответствующих участках сечений НЛЗ «С», «D» и «Е» образуются мелкие ориентированные дендриты, крупные ориен- тированные дендриты и крупные разориентирован- ные дендриты. На рис. 1 приведены микрострукту- ры НЛЗ «В» и «Е», показывающие типичные случаи дендритного строения по сечениям исследованных НЛЗ. Зависимость размеров дендритов по сечени- ям НЛЗ приведена на рис. 2, из которого видно, что увеличение сечения НЛЗ от «А» к «D» способствует увеличению размеров дендритов во всех структурных зонах. Наименьший размер дендритов в поперечном сечении наблюдается от поверхности широкой грани к горизонтальной оси слябовой НЛЗ «Е». На первый взгляд это закономерно, так как ско- рость кристаллизации стали слябовой НЛЗ с наи- меньшей толщиной должна быть наиболее интенсив- ной относительно других НЛЗ. Однако, если сопоста- вить соотношения размеров сечений НЛЗ «А» – «D» и «Е» c размерами их дендритов, то оказывается, что влияние размера сечения НЛЗ на размер дендри- Условные обозначения, характеристики и химический состав стали исследуемых НЛЗ Условное обо- значение НЛЗ Сечение НЛЗ; марка стали; завод-производитель Площадь сечения НЛЗ, cм2 Содержание химических элементов, %мас. C Mn Si S P «А» ∅ 400 мм; осевая «ОС»; ЗАО «Азовэлек- тросталь» 1256 0,45 0,68 0,22 0,009 0,010 «B» 335×400 мм; осевая «ОС»; ПАО «ДМК» 1340 0,47 0,69 0,29 0,015 0,020 «C» 335×400 мм; трубная «Дтр»; ПАО «ДМК» 1340 0,46 0,71 0,23 0,009 0,280 «D» 350×500 мм; трубная «Дтр»; ПАО «ДМК» 1750 0,48 0,78 0,27 0,019 0,020 «Е» 300×1000 мм; сталь 45; ПАО «АМК» 3000 0,47 0,81 0,29 0,004 0,012 27ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2017. № 11-12 (294-295) на результаты эксперимента были отобраны образ- цы на расстоянии 1/4 от поверхностей исследуемых НЛЗ. Образцы в одинаковых условиях нагревали до 1200 °С и замедленно охлаждали с печью после вы- держки 15 минут. Такой режим термической обработ- ки должен был при одинаковых температурно-вре- менных условиях эксперимента проявить влияние дендритной структуры стали на образование зерен- ного строения аустенита и его влияние на конечную микроструктуру. Использование образцов, отобран- ных от 1/4 сечений исследуемых НЛЗ, обусловлено отчетливой разницей в размере дендритов, их явной связи с зеренным строением и отсутствием макроде- фектов в этих зонах. Анализ микроструктуры полученных образцов по- казал, что в них после термической обработки фор- мируется полиэдрическое зеренное строение, опре- деляемое по ферритной сетке вдоль бывших границ Дендритное строение НЛЗ «В» (а, в, д) и «Е» (б, г, е) из среднеуглеродистой стали: а, б – поверхностная зона; в, г – на расстоянии 1/4 от краев меньших граней; д, е – центральная зона (травлено пикратом) Рис. 1. Размер дендритов среднеуглеродистой стали по сечению НЛЗ Рис. 2. а б в д г е зерен аустенита, внутри которых образуется перлит (рис. 3). 28 ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2017. № 11-12 (294-295) Имеющиеся в литой структуре ориентированные зерна после термической обработки не наблюдают- ся. Микроструктура образцов разных НЛЗ отличает- ся размером зерен и морфологией доэвтектоидного феррита, которая считается типичной для средне- углеродистой стали. Причины образования феррита с разной морфологией в среднеуглеродистых ста- лях одинакового состава и при одинаковых условиях термической обработки в литературе, однако, не об- суждаются [10]. Наибольшее отличие имела микро- структура стали НЛЗ «С» (рис. 3, в), заключающееся в том, что в ней наблюдается максимальное количе- ство феррита (22 % вместо 11–13 %) в виде массив- ных и часто коротких пластинообразных участков, распространяющихся от границ вглубь зерен. Это существенно искажает очертания границ зерен и не позволило достоверно определить их размер по ферритной сетке. В связи с этим образец НЛЗ «С» был исключен из сравнения дендритной и зеренной структуры относительно образцов других НЛЗ, но его микроструктура интересна и рассмотрена далее, так как образование существенно большего количества феррита со специфической морфологией свидетель- ствует о наследственном влиянии на структурообра- зование стали технологии ее производства. Результаты измерения размеров зерен и их со- поставления с размерами дендритов показывают тесную корреляционную связь (r = 0,96) между со- бой (рис. 4, а). Можно сделать вывод – от размера дендритов зависит размер зерен аустенита, вдоль границ которых образуется доэвтектоидный феррит, а внутри зерен – перлит. Большему размеру дендри- тов соответствует больший размер зерна аустенита, меньшая удельная поверхность границ и, как прави- ло, меньшее количество доэвтектоидного феррита (рис. 4, б). Степень разнозернистости НЛЗ «А», «В», Микроструктура среднеуглеродистой стали в 1/4 сечения НЛЗ: «А» (а), «В» (б), «С» (в), «D» (г) и «Е» (д) после нагрева до 1200 °С, выдержки и замедленного охлаждения (травлено ниталем) Рис. 3. а б в д г 29ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2017. № 11-12 (294-295) «D» и «E» соответственно составила: 0,60; 0,59; 0,64 и 0,60. Причины возникновения наблюдаемых структур- ных связей следует искать в механизмах образова- ния зерен аустенита в литой стали, а также строении и свойствах границ зерен. В работе [11] процесс образования зерен в ли- той стали рассматривается как результат высоко- температурной микропластической деформации первичных твердых растворов d- или g-Fe под дей- ствием внутренних напряжений, расчетная величина которых близка к пределу прочности и, например, для затвердевающей оболочки прямоугольного не- прерывнолитого слитка, по данным работы [12], со- ставляет ≈ 3 МПа. Химическая микронеоднородность d-феррита или аустенита, связанная с составом и особенностями дендритной кристаллизации стали, обусловливает различия в реологических свойствах осевых и междендритных участков. Поэтому высо- котемпературная микропластическая деформация стали приводит к их неодинаковой фрагментации на зерна после кристаллизации. Размер, количество и морфология зерен зависят от кристаллохимической и реологической гетерогенности первичных твердых растворов железа, а также от уровня и равномерно- сти распределения внутренних напряжений. Форма, размер и химический состав дендритов стали при определенных условиях существования внутренне- го напряженного состояния определяют форму, раз- мер и равномерность образования зерен в объеме отливки, слитка или НЛЗ. Большое значение имеет строение межкристаллитных границ литых металлов и сплавов [6]. На рис. 5, а показана схема, иллюстрирующая гипотетическое распределение дислокаций при об- разовании межкристаллитной границы в аустените в зависимости от направления расположения ликва- ционных участков дендритной структуры. Изменение направления расположения ликвационных участков, затрудняющих скольжение дислокаций, способствует изменению направления образования границы зер- на. Разная способность к фрагментации аустенита во внутридендритных и междендритных ликвационных зонах приводит в дальнейшем к образованию разно- го количества, формы и состава феррита (рис. 5, б). Роль напряжений и их равномерности, необходи- мых для однородной фрагментации разных участков дендритной структуры, показана в ранее выполнен- ных исследованиях влияния горячей пластической деформации (ГПД) на образование зеренной струк- туры среднеуглеродистых сталей [13, 14]. Установле- но, что измельчение зерна в литой стали с 0,59 % С при повышении степени ГПД от 0 до 40…50 % со- провождается выравниванием количества доэвтек- тоидного феррита, образующегося в междендритных и осевых участках дендритов, при распаде аусте- нита [13]. Объясняется это тем, что сопротивление деформации осевых участков меньше, чем межден- дритных из-за большего содержания в последних C, Si, Mn и P. Поэтому деформация до 30 % приводит к фрагментации в первую очередь осевых участков дендритов, в которых образуется больше феррита, чем в междендритных. Увеличение степени дефор- мации способствует росту напряжений, необходимых для фрагментации более прочных ликвационных зон и образования в них феррита, повышая равномер- ность микроструктуры стали. Однако неравномер- ная ГПД может отрицательно сказаться на размере зерна и разнозернистоти стали, нивелируя возмож- ность реализации положительного наследственного влияния мелкодендритной структуры. И, наоборот, – равномерная ГПД относительно крупнодендритной Зависимость влияния размера дендритов на размер зерен (а) и размера зерен на количество доэвтектоидного феррита (б) в НЛЗ из среднеуглеродистой стали Схема распространения дислокаций относительно ликвационных участков дендритной структуры при образо- вании границы зерна аустенита (а) и ее влияние на толщину сетки доэвтектоиднго феррита (б): 1 – внутридендритные участки; 2 – ликвационные междендритные участки; 3–5 –граница зерна с разной морфологией феррита Рис. 4. Рис. 5. r = 0,96 r = 0,91 а а б б 30 ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2017. № 11-12 (294-295) структуры может способствовать формированию равномерного мелкозернистого строения стали. Под- тверждают сказанное данные работы [14], в которой показано, что неравномерность ГПД, обусловленная геометрией НЛЗ «Е», несмотря на исходно благопри- ятное дендритное строение для формирования рав- номерной мелкозернистой структуры стали, приво- дит к значительной неравномерности микрострукту- ры осевых заготовок, наследственно передающейся железнодорожным осям. В то время как в осевых за- готовках и железнодорожных осях из квадратной НЛЗ «В» с более крупной дендритной структурой форми- руется относительно равномерная микроструктура. Представленная на рис. 5 схема образования зерна в литой стали позволяет объяснить резуль- таты выполненных исследований. Формирование разориентированных равноосных дендритов предо- пределяет образование равноосных зерен (рис. 1, а), а образование ориентированных дендритов с протя- женными осями первого порядка – зерен, направлен- ных вдоль этих осей (рис. 1, б; рис. 6, а). Связано это с тем, что изменение ориентации дендритов при имеющемся напряженном состоянии меняет направ- ление образования границ зерен в первом случае, а во втором нет. Размер же зерен зависит не только от размеров дендритов, но и от величины и равномер- ности микропластической деформации под действи- ем релаксирующих напряжений. Поэтому после тер- мической обработки образцов исследованных НЛЗ, которая обеспечила одинаковые условия формиро- вания температурно-напряженного состояния при нагреве, выдержке и охлаждении, четко проявилось наследственное влияние особенностей дендритной кристаллизации на конечную микроструктуру стали. Образование зерен при одинаковых условиях экспе- римента полностью зависело от размеров и формы дендритных ветвей (рис. 6, б). При посткристаллизационных температурах ми- кропластическая деформация должна быть очень чувствительна к свойствам среды, в которой она осуществляется. В этой связи становится понятным влияние технологии производства стали, обеспечи- вающей ее разную чистоту по содержанию газов (О, N, H), серы, фосфора, кремния и других химических элементов, которые увеличивают хрупкость железа в твердом состоянии. Важно еще то, что эти элемен- ты влияют на образование как самих дендритов по- средством воздействия на свойства жидкой стали, например, вязкость, так и неметаллических включе- ний. Строение межфазной границы между неметал- лическими включениями и аустенитом часто стает причиной образования возле них феррита. Поэтому степень чистоты стали по примесям, способ ее рас- кисления, дегазации и чистота по неметаллическим включениям наследственно влияют на формирова- ние ее первичной и конечной микроструктуры. Осевая сталь марки «ОС» – это сталь более от- ветственного назначения, чем трубная сталь марки «Дтр» при фактически одном и том же химическом составе. Поэтому небольшие различия в предельных содержаниях некоторых химических элементов, ваку- умирование и особенности раскисления стали марки «ОС» при прочих равных условиях более благопри- ятно влияют на ее конечную микроструктуру и свой- Микроструктура НЛЗ «А» (а, б) и «С» (в, г) из среднеуглеродистой стали в литом (а, в) и термически обработанном (б, г) состоянии (травлено пикратом) Рис. 6. а в б г 31ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2017. № 11-12 (294-295) ства относительно стали марки «Дтр». Вероятно, это и послужило причиной того, что после термической обработки, обеспечивающей одинаковое темпера- турно-напряженное состояние аустенита и условия его превращений, микроструктура образца НЛЗ «С» значительно отличалась от НЛЗ «В». Теоретически, большее содержание газов в стали марки «Дтр», кон- центрирующихся преимущественно в ликвационных междендритных участках, сильнее их охрупчивают, чем в стали марки «ОС». В результате этого аустенит в междендритных участках стали марки «Дтр» уже в литом состоянии чаще фрагментируется с образова- нием межкристаллитных границ, от которых образу- ется большее количество феррита, чем в стали марки «ОС» (рис. 6, а, в). Термическая обработка усилила этот процесс. Повышенная хрупкость ликвационных участков стали марки «Дтр» привела к образованию в них развитой сети межкристаллитных границ, от которых образовалось значительно больше феррита (рис. 6, г). Это же стало причиной повышенной раз- нозернистости стали марки «Дтр». За счет образова- ния мелких зерен в междендритных участках образ- ца НЛЗ «С» степень его разнозернистости была наи- большей и составила 0,74. При этом больший размер сечения НЛЗ «D» из той же стали марки «Дтр» благо- приятно повлиял на разнозернистоть, снизив ее до 0,64. Однако тенденция к формированию большей разнозернистости в стали марки «Дтр» по сравнению со сталью марки «ОС» сохранилась. Результаты выполненных исследований косвенно показывают, что вакуумирование – более предпочти- тельный процесс воздействия на качество стали, чем специальные способы раскисления, необходимые для реализации наследственной связи процессов получения расплава, его дендритной кристаллиза- ции, образования зерен аустенита, превращений в твердом состоянии и формирования конечной ми- кроструктуры, определяющей свойства. Они также позволяют объяснить данные работы [7], в которой не была установлена видимая связь дендритной и зеренной структуры в непрерывнолитой стали марки 15. Причина этого заключается в выборе для исследо- вания низкоуглеродистой марки стали, малое содер- жание углерода в которой хуже раскисляет жидкую сталь и упрочняет железо, чем большее содержание углерода в рассмотренных среднеуглеродистых ста- лях. Следствие этого – естественная значительная фрагментация аустенита литой низкоуглеродистой стали с образованием большого количества ферри- та, скрывающего действительную картину связи ее дендритной и зеренной структуры, которая, по мне- нию авторов статьи, должна быть. Выводы Форма, размер и химический состав дендритов стали определяют форму, размер и равномерность образования зеренной структуры НЛЗ. Между разме- ром дендритов и размером зерен в НЛЗ из средне- углеродистой стали разных способов производства существует тесная корреляционная связь (r = 0,96). При выборе геометрии и размера сечения непре- рывнолитых заготовок для формирования равномер- ной зеренной структуры стали необходимо учиты- вать способ ее производства и технологию дальней- шей переработки применительно к конкретному виду металлопродукции. 1. Садовский В. Д. Структурная наследственность в стали. – М.: Металлургия, 1973. – 208 с. 2. Кондратюк С. Є. Структуроутворення, спадковість і властивості литої сталі. – К.: Наукова думка, 2010. – 177 с. 3. Белынский С. В. Исследование литой и кованой стали. – М.-Свердловск: Машгиз, 1952. – 211 с. 4. Хворинов Н. И. Кристаллизация и неоднородность стали. – М.: Гос. науч.-техн. изд-во машиностр. лит-ры, 1958. – 392 с. 5. Бутаков Д. К. Технологические основы повышения качества легированной стали для отливок. – М.-Свердловск: Маш- гиз, 1963. – 192 с. 6. Мовчан Б. А. Границы кристаллитов в литых металлах и сплавах. – К.: Технiка, 1970. – 212 с. 7. Пронов А. П. Кристаллизация стального слитка. – М.: АН СССР, 1960. – 150 с. 8. Казаков А. А., Пахомова О. В., Казакова Е. И. Исследование литой структуры промышленного сляба феррито-перлит- ной стали // Черные металлы. – 2012. – № 11. – С. 9–15. 9. Малышев К. А., Трубин И. Б. Выявление границ зерен аустенита нагревом в вакууме // Исследования по проблеме зерна стали. Труды Института физики металлов. – 1946. – № 10. – С. 39–43. 10. Металлография железа. Том II. «Структура сталей» (с атласом микрофотографий) / Под. ред. Ф. Н. Тавадзе. – М.: Металлургия, 1972. – 284 с. 11. Борисенко А. Ю. Формирование структурных зон в стальных отливках // Металознавство та термічна обробка металів. – 2014. – № 2. – С. 39–50. 12. Теория непрерывной разливки / Рутес В. С., Аскольдов В. И., Евтеев Д. П. и др. – М.: Металлургия, 1971. – 296 с. ЛИТЕРАТУРА 32 ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2017. № 11-12 (294-295) 13. Влияние горячей пластической деформации и термической обработки на структуру и механические свойства сталей для железнодорожных колес / Бабаченко А. И., Кононенко А. А., Борисенко А. Ю. и др. // Фундаментальные и приклад- ные проблемы черной металлургии. – 2012. – Вып. 25. – С. 177–186. 14. Левченко Г. В., Грицай Т. В. Формирование структуры железнодорожных осей, изготовленных из непрерывнолитых заготовок различного сечения // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. – 2012. – Вып. 26. – С. 218–227. 1. Sadovskii V. D. (1973). Strukturnaia nasledstvennost’ v stali [Structural heredity in steel]. Moscow: Metallurgiia, 208 p. [in Russian]. 2. Kondratyuk S. Ye. (2010). Strukturoutvorennia, spadkovist’ i vlastyvosti lytoi stali [Structure formation, heredity and properties of cast steel]. Kiev: Naukova dumka, 177 p. [in Ukrainian]. 3. Belinskii S. V. (1952). Issledovanie litoi i kovanoi stali [Investigation of cast and forged steel]. Moscow-Sverdlovsk: Mashgiz, 211 p. [in Russian]. 4. Khvorinov N. I. (1958). Kristallizatsiia i neodnorodnost’ stali [Crystallization and heterogeneity of steel]. Moscow: Gos. nauch. – tekhn. izd-vo mashinostr. lit-ry, 392 p. [in Russian]. 5. Butakov D. K. (1963). Tekhnologicheskie osnovy povysheniia kachestva legirovannoi stali dlia otlivok [Technological fundamentals of quality improvement for alloyed steel used for castings]. Moscow-Sverdlovsk: Mashgiz, 192 p. [in Russian]. 6. Movchan B. A. (1970). Granitsy kristallitov v litykh metallakh i splavakh [Boundaries of crystallites in cast metals and alloys]. Kiev: Tekhnіka, 212 p. [in Russian]. 7. Pronov A. P. (1960). Kristallizatsiia stal’nogo slitka [Crystallization of a steel ingot]. Moscow: AN SSSR, 150 p. [in Russian]. 8. Kazakov A. A., Pakhomova O. V., Kazakova E. I. (2012). Issledovanie litoi struktury promyshlennogo sliaba ferrito-perlitnoi stali [Investigation of cast structure of an industrial ferritic-pearlitic steel slab]. Chernye metally, no. 11, pp. 9–15 [in Russian]. 9. Malyshev K. A., Trubin I. B. (1946). Vyiavlenie granits zeren austenita nagrevom v vakuume. Issledovaniia po probleme zerna stali [Detection of austenite grain boundaries by heating in vacuum]. Trudy Instituta fiziki metallov, no. 10, pp. 39–43 [in Russian]. 10. Metallografiia zheleza. Tom II. “Struktura stalei” (s atlasom mikrofotografii) (1972). [Metallography of iron. Vol. II. “Structure of steels” (with atlas of microphotographs)] Ed. by. F. N. Tavadze. Moscow: Metallurgiia. 284 р. [in Russian]. 11. Borisenko A. Yu. (2014). Formirovanie strukturnykh zon v stal’nykh otlivkakh [Formation of structural zones in steel castings]. Metaloznavstvo ta termіchna obrobka metalіv, no. 2, pp. 39–50 [in Russian]. 12. Rutes V. S., Askol’dov V. I., Yevteev D. P. et al. (1971). Teoriia nepreryvnoi razlivki [Theory of continuous casting]. Moscow: Metallurgiia, 296 p. [in Russian]. 13. Babachenko A. I., Kononenko A. A., Borisenko A.Yu. et al. (2012). Vliianie goriachei plasticheskoi deformatsii i termicheskoi obrabotki na strukturu i mekhanicheskie svoistva stalei dlia zheleznodorozhnykh koles [Effect of hot plastic deformation and heat treatment on the structure and mechanical properties of steels for railway wheels]. Fundamental'nye i prikladnye problemy chernoi metallurgii, no. 25, pp. 177–186 [in Russian]. 14. Levchenko G. V., Gritsai T. V. (2012). Formirovanie struktury zheleznodorozhnykh osei, izgotovlennykh iz nepreryvnolitykh zagotovok razlichnogo secheniia [Formation of the structure of railway axes made of continuously cast billets of different cross-sections]. Fundamental'nye i prikladnye problemy chernoi metallurgii, no. 26, pp. 218–227 [in Russian]. REFERENCES Показано спадковий зв’язок дендритної та зеренної структури безперервнолитих заготовок із середньовуглецевої сталі різних способів виробництва. Встановлено, що від розміру дендритів залежить розмір зерен аустеніту. Неоднорідність хімічного складу аустеніту, що викликана дендритною кристалізацією сталі, обумовлює його різні реологічні властивості, які визначають здатність до фрагментації на зерна під дією внутрішніх напружень. Левченко Г. В., Балаханова Т. В., Борисенко А. Ю., Мосьпан В. В., Антонов Ю. Г., Мединський Г. О. Спадковий вплив дендритної структури на розмір зерна безперервнолитих заготовок із середньовуглецевої сталі Анотація Ключові слова Сталь, безперервнолита заготовка, мікроструктура, спадковість. 33ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2017. № 11-12 (294-295) Levchenko G., Balakhanova T., Borisenko A., Mos’pan V., Antonov Yu., Medinskiy G. Hereditary relationship of dendritic and grain structure of continuously cast billets made of medium-carbon steel Summary Hereditary relationship of dendritic and grain structure of continuously cast billets made of medium-carbon steel of different production methods was demonstrated. It was established that sizes of austenite grains depend on the sizes of dendrites. Heterogeneity of chemical composition of austenite, caused by the dendritic crystallization of steel, conditions its different rheological properties, which determine the ability to fragmentation into grains under internal stresses. Steel, continuously cast billet, microstructure, heredity.Keywords Поступила 08.01.18

Наследственное влияние дендритной структуры на размер зерна непрерывнолитых заготовок из среднеуглеродистой стали

Institution

Ähnliche Einträge