» » Подкорковая пористость в отливках из аустенитных сталей
25.12.2014

В работе изучались причины появления подкорковой пористости на отливках из стали X18H9TЛ и разрабатывалась технология, предотвращающая ее образование. Было установлено, что наибольшее распространение дефект имеет в верхней части отливки. Металл дефектной зоны по своим механическим свойствам резко отличается от металла здоровой зоны. При этом особенно ухудшаются характеристики пластичности.
При рассмотрении шлифа под микроскопом в пораженной дефектом зоне были замечены многочисленные групповые скопления нитридов титана (рис. 1, а). Установлено, что металл дефектной зоны содержит больше титана и азота, чем здоровый. В таблице приводится содержание элементов в здоровой и дефектной зонах.
Подкорковая пористость в отливках из аустенитных сталей

Скопления нитридов титана в зоне металла, непосредственно примыкающей к пористой области, иногда выделяются по границам зерен, пустот и микротрещин (рис. 1, б).
Можно предположить следующий механизм образования подкорковой пористости. Всплывающие в результате конвективных токов металла в отливке нитриды титана вступают во взаимодействие с формирующейся на поверхности металла пленкой окислов с образованием двуокиси титана.
При этом выделяющийся азот образует атомарный раствор в железе. Величина изменения свободной энергии для этой реакции при температуре ликвидуса составляет примерно 20 000 ккал. Это говорит о возможности протекания реакции с образованием атомарного раствора азота в железе. Благодаря экзотермическому характеру реакции и прогрессивному развитию пленообразования при охлаждении металла понижение температуры расплава способствует протеканию реакции. Из пересыщенного раствора в процессе затвердевания металла происходит выделение газообразного азота с образованием пор в поверхностных слоях отливок. Подтверждением сказанному может служить повышенное содержание азота в зоне дефекта, а также различия в микроструктуре дефектной зоны и зоны здорового металла (рис. 1, в, г).
Подкорковая пористость в отливках из аустенитных сталей

Уменьшение количества феррита в зоне дефекта связано с расширением области аустенита за счет легирования металла выделяющимся в результате реакции атомарным азотом. Образование окисной плены является непременным условием развития подкорковой пористости. Больше склонны к образованию подкорковой пористости толстостенные отливки, так как чем дольше металл находится в жидком состоянии, тем благоприятнее условия всплывания нитридов титана. Поэтому подкорковая пористость получает преимущественное развитие в толстостенных отливках и слитках.
При анализе причин брака оказалось, что рассматриваемый дефект в литой стали Х18Н9ТЛ зависит от температуры разливки условий выплавки и содержания титана.
Для построения графика зависимости брака по подкорковой пористости от температуры заливки (рис. 2) были использованы результаты 47 плавок, содержание титана в которых колебалось в сравнительно узких пределах (0,35—0,55%). Для выяснения зависимости брака по подкорковой пористости от содержания титана в стали были обработаны 52 плавки, температура выпуска которых колебалась в пределах 1580—1620° С (рис. 3).
Подкорковая пористость в отливках из аустенитных сталей

Из полученных зависимостей можно установить, что для устранения подкорковой пористости в отливках из стали X18H9TЛ необходимо иметь температуру выпускаемого из печи металла не ниже 1630° и содержание титана не более 0,45—0,55%
По данным Ю. Г. Гуревича, нитриды титана не образуются в жидкой стали при температурах менее 1560°'. При температуре металла более 1630° процесс образования пленки окислов на поверхности поднимающегося металла, а следовательно, и дефект подкорковой пористости не получает развития. При отливке деталей из стали, имеющей температуру менее 1560°, при прочих равных условиях у образующейся корочки, или пленки, формирование которой происходит в этом случае гораздо интенсивнее, скапливаются нитриды титана.
Подкорковая пористость в отливках из аустенитных сталей

Известно, что чем больше содержание титана в стали и чем меньше температура металла, тем меньше равновесная с титаном концентрация азота в печи
Подкорковая пористость в отливках из аустенитных сталей

Отсюда, с ростом содержания титана в стали при данном общем содержании азота увеличивается количество нитридов и получает большее развитие процесс образования подкорковой пористости.
Повышение температуры металла примерно на 100° над температурой 1560°, соответствующей началу процесса образования нитрида титана, и снижение содержания титана в стали до допустимого предела при данном углероде способствуют значительному снижению брака.
Можно предположить, что при содержании в стали 0,45—0,55% титана и достаточно высокой температуре металла количество образующихся нитридов титана недостаточно, чтобы выделяющийся избыточный азот образовал самостоятельную фазу.
При выплавке стали X18H9TЛ по обычной технологии отливки из последних порций металла, как правило, имеют дефекты, вызванные пониженной температурой металла. Электропечи на машиностроительных заводах не специализированы на выпуск аустенитовых сталей, содержащих титан, и поэтому усвоение титана сталью колеблется в значительных пределах, так как оно зависит от температуры металла, состава, количества и вязкости шлака, времени выдержки жидкой стали с титаном, условий разливки и т. д. Это приводит к тому, что содержание титана в стали часто не соответствует установленной норме.
По ранее действовавшей на заводе технологии после продувки окислительный шлак скачивался, наводился новый шлак с использованием шамота и вводился феррохром. Скачивание шлака связано с большими потерши тепла и приводило к затягиванию восстановительного периода.
По новой технологии шлак и металл после продувки обрабатываются кусковыми и молотыми раскислителями (ферросилицием, силикокальцием), а также отходами алюминийсодержащих сталей типа 1Х25Ю5 и затем присаживается необходимое количество феррохрома. К концу продувки температура ванны превышает 1700°, и феррохром расплавляется в металле в 10—12 мин. В печи развивается настолько высокая температура, что в целях сохранения футеровки и для частичного охлаждения ванны в печь иногда присаживают отходы той же марки стали. Плавка до самого выпуска идет при выключенной печи.
После обработки данных для 49 плавок по старой технологии (со скачиванием шлака) и 18 плавок по новой технологии (без скачивания шлака) было установлено, что среднее усвоение хрома из общего его количества, введенного в печь в составе шихты и феррохрома, повысилось с 77,8 до 86,1%.
При выплавке стали Х18Н9ТЛ по старой технологии шлак перед присадкой ферротитана скачивался, наводился новый из смеси извести и плавикового шпата, а. ферротитан присаживался в печь за 5 мин до выпуска. Во всех плавках использовался ферротитан с содержанием титана 27—28%. В среднем угар составлял 52,6%.
Для получения устойчивого содержания титана в стали по новой технологии шлак не скачивается, ферротитан (из расчета усвоения титана 60—70%) и силикокальций (из расчета 3 кг/т) присаживаются на дно ковша и покрываются алюминий-магниевой стружкой (3,5 кг/т стали), частично предохраняющей ферротитан от окисления в случае выпуска из печи первым шлаком. При этом содержание титана в готовой стали колеблется в узких пределах, а угар титана в среднем составляет 33,6%.
По старой технологии выпуск стали из печи происходил под известковым шлаком, вследствие чего сталь в процессе выпуска и разливки сильно охлаждалась. Было решено выпускать сталь под шамотным шлаком с добавкой к нему магнезитового боя перед выпуском из печи. Содержание окиси магния в шлаке обычно несколько превышало 30%.
Густой магнезиальный шлак является неактивным по отношению к металлу и в процессе разливки с ним не взаимодействует. Отклонения в содержании титана в различных пробах, взятых в процессе разливки, длившейся около одного часа, не превысили возможную ошибку химического анализа.
Высокие теплоизоляционные свойства магнезиального шлака способствуют сохранению одинаковой температуры металла в ковше в течение всей разливки.
Плавки по новой технологии показали значительную разницу в температуре последних порций стали, выпущенной под магнезиальным шлаком и стали, выпущенной под известковым шлаком. Следствием этого явилось уменьшение брака при разливке.
Проверка результатов механических испытаний и испытаний на межкристаллитную коррозию не выявила существенных различий в свойствах металла, полученных в различные периоды разливки стали.
В результате применения новой технологии выплавки стали удалось полностью избежать брак по подкорковой пористости в отливках.