DOI: 10.52150/2522-9117-2020-34-229-246

Бабаченко Олександр Іванович, д.т.н., с.н.с., директор, Інститут чорної металургії ім.З.І. Некрасова НАН України, площа Академіка Стародубова, 1, Дніпро, Україна, 49107; e-mail: a_babachenko@i.ua; ORCID 0000-0003-4710-0343

Дьоміна Катерина Геннадіївна, к.т.н., с.н.с., Інститут чорної металургії ім.З.І. Некрасова НАН України, площа Академіка Стародубова, 1, Дніпро, Україна, 49107; e-mail: katya20@ua.fm, ORSID 0000-0001-9668-8169

Кононенко Ганна Андріївна, к.т.н., с.н.с., Інститут чорної металургії ім.З.І. Некрасова НАН України, площа Академіка Стародубова, 1, Дніпро, Україна, 49107; e-mail: perlit@ua.fm, ORSID 0000-0001-7446-4105

Дементьєва Жанна Андріївна, н.с., Інститут чорної металургії ім.З.І. Некрасова НАН України, площа Академіка Стародубова, 1, Дніпро, Україна, 49107

Сафронова Олена Анатолівна, інженер, Інститут чорної металургії ім.З.І. Некрасова НАН України, площа Академіка Стародубова, 1, Дніпро, Україна, 49107; ORSID 0000-0002-4032-4275

ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ШВИДКОСТІ ОХОЛОДЖЕННЯ ПРИ ЗАТВЕРДІННІ БЕЗПЕРЕРВНОЛИТОЇ ЗАГОТОВКИ НА ОСОБЛИВОСТІ ДЕНДРИТНОЇ СТРУКТУРИ ВУГЛЕЦЕВОЇ СТАЛІ

Анотація. Виконано аналіз процесу утворення литої структури вуглецевої сталі марки EA1N (EN 13261:2009 + A1:2010 (Е)) після завершення її кристалізації при зміні в широкому діапазоні швидкості охолодження металу під час затвердіння безперервнолитої заготовки (БЛЗ) діаметром 470 мм. Показано вплив швидкості охолодження при затвердінні БЛЗ Ø 470 мм на параметри хімічної неоднорідності розподілу кремнію і марганцю в мікроструктурі вуглецевої сталі. Визначено, що вплив швидкості охолодження металу при затвердінні аналізованої заготовки на розмір дендритних кристалів описується обернено пропорційною залежністю: у = 510,85 х^-0,156. При зміні швидкості охолодження металу при затвердінні від 10⁶ до 1 град/хв розмір дендритів в напрямку від поверхневих до серединних шарів БЛЗ Ø 470 мм збільшується в ~ 8 разів, а щільність дендритної структури вуглецевої сталі марки EA1N зменшується в 64 рази. При цьому характер її залежності від інтенсивності тепловідведення є зворотним характером зміни розміру дендритів. Встановлено, що варіацією швидкості охолодження в інтервалі 1 – 10⁶ град/хв можна досягти суттєвої зміни середнього розміру і щільності дендритних кристалів при збереженні сталості об’ємної частки лікваційних (сегрегаційних) ділянок кремнію та марганцю ~ 23 % у вуглецевій сталі (~ 0,4 % ваг. С). Результати мікрорентгеноспектрального аналізу зразків БЛЗ Ø 470 мм з вуглецевої сталі марки EA1N показали, що максимальний вміст кремнію та марганцю характерний для колишніх просторів між дендритними гілками I-го порядку, мінімальний їх вміст – для колишніх дендритних гілок. При цьому кількість даних елементів в мікроб’ємах сталі, які є колишніми просторами між дендритними гілками II-го порядку, в середньому на 50 % більше, ніж в колишніх дендритних гілках. Визначено, що в усьому дослідженому інтервалі швидкостей охолодження 1 – 10⁶ град/хв коефіцієнти дендритної ліквації К_д^I та К_д^II і кремнію, і марганцю змінюються незначно і становлять 1,8-1,9 і 1,5 для К_д^I та К_д^II відповідно. При цьому значення коефіцієнтів К_д^I та К_д^II для обох елементів практично постійні і в перліті, і у фериті. Доведено, що і кремній, і марганець мають високу дифузійну рухливість тільки при достатньо високих температурах, коли сталь знаходиться в твердо-рідкому стані. На підставі результатів мікрорентгеноспектрального аналізу встановлено, що неоднорідність розподілу хімічних елементів, яка утворюється в результаті дендритної ліквації кремнію та марганцю, є первинною і постійною складовою мікроструктури вуглецевої сталі.

Ключові слова: вуглецева сталь, кристалізація, дендритна структура, ліквація, безперервнолита заготовка

Перелік посилань

Чалмерс Б. Теория затвердевания / Б. Чалмерс. – М.: Металлургия, 1968. – 287 с.

Флемингс М. Процессы затвердевания / М. Флеминг. – М.: Мир, 1977. – 423 с.

Голиков И.Н. Дендритная ликвация в сталях и сплавах / И.Н. Голиков, О.Б. Масленков. – М.: Металлургия, 1977. – 224 с.

Won Y.-M., Thomas B.S. Simple Model of Microsegregation during Solidification of Steels / Y.-M. Won, В.S. Thomas // Metallurgical and Material Transactions. – 2001. – Vol. 32A, July. – P. 1755 – 1767. https://doi.org/10.1007/s11661-001-0152-4

Papapetrou A. Untersuchungen über dendritisches Wachstum von Kristallen / А. Papapetrou // Zeitschrift für Kristallographie. – 1935. – Vol. 92: Issue 1. (Dec.). – S. 89 – 129. https://doi.org/10.1524/zkri.1935.92.1.89

Малиночка Я.Н., Духин А.И., Русин Е.Н. Влияние скорости охлаждения и переохлаждения расплава на разветвленность образующихся дендритов / Я.Н. Малиночка, А.И. Духин, Е.Н. Русин // Чёрная металлургия. Наука-технология-производство. – М.: Металлургия, 1970. – Вып. 38. – С. 131 – 135.

Кондратюк С.Є., Стоянова О.М. Структуроутворення сталі в залежності від умов кристалізації виливків / С.Є. Кондратюк, О.М. Стоянова // Металознавство та обробка металів. – 1999. – №1-2. – С. 3 – 10.

Шалин Р.Е. Монокристаллы никелевых жаропрочных сплавов / Р.Е. Шалин, И.Л. Светлов, Е.Б. Качанов В.Н. Толораия, О.С. Гаврилин. – М.: Машиностроение, 1977. – 332 с.

Гранкин С.С. Исследование градиента температуры на фронте кристаллизации монокристаллов Ni-W-сплавов / С.С. Гранкин, В.Я. Свердлов // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (17). – 2008. – №1. – с. 162 – 165.

Смирнов А. Н. Процессы непрерывной разливки / А.Н. Смирнов, В.Л. Пилюшенко, А.А. Минаев, С.В. Молот, Ю.Н. Белобров. – Донецк: ДонНТУ, 2002. – 536 с.

EN 13261:2009 + A1:2010 (Е) (Европейский стандарт. Английская версия). Рельсовый транспорт. Колёсные пары и тележки. Оси. Требования к изделию / Railway applications. Wheelsets and bogies. Axles. Product requirements. – Введ. 2010-10-01. – 55 с.

Совершенствование сквозной технологии производства железнодорожных осей из непрерывнолитой заготовки стали марки F //Отчёт по проекту / ООО «МЗ «ДНЕПРОСТАЛЬ», ПАО «ИНТЕРПАЙП НТЗ, ООО «ИНТЕРПАЙП Украина»; [руководители: А. Микъелан, И. В. Донской, Ю. В. Климчик]. – Днепр, 2018. – 77 с.

Салтыков С. А. Стереометрическая металлография / С. А. Салтыков – М.: Металлургия, 1976. – 271 с.

Дёмина Е.Г. Анализ прорабатываемости структуры стали 09Г2С в процессе горячей прокатки непрерывнолитой заготовки / Е.Г. Дёмина, Ж.А. Дементьева, А.С. Миргородская, Д.В. Гунченко // Наука і металургія. Електронне видання збірки наукових праць. – Дніпро, 2018. – Вип. 2. – С. 4-18.

Радиус атома, справочная таблица [электронный ресурс]. Формулы и расчёты оnline f(x, y, z).ru. Режим доступа: https://www.fxyz/справочные_данные/свойства_атомов_веществ/радиусы _атомов_элементов/.

Oikawa H. Review on lattice diffusion of substitutional impurities in iron. A summary report / Hiroshi Oikawa // Technol. Rep. Tohoku Univ. – 1982. – Vol. 47. – No. 2. – P. 215 – 224.

Посилання для цитування: Бабаченко О.І., Дьоміна К.Г., Кононенко Г.А., Дементьєва Ж.А., Сафронова О.А. Дослідження впливу швидкості охолодження при затвердінні безперервнолитої заготовки на особливості дендритної структури вуглецевої сталі. //«Фундаментальні та прикладні проблеми чорної металургії». – 2020. – Вип.34. – С. 229-246. (In Ukrainian).

DOI 10.52150/2522-9117-2020-34-229-246