На Крайнем Северо-Востоке Иркутской области открыто единственное в мире месторождение с новым типом комплексных карбонатных стронций-бариевых руд. Руды имеют следующий состав: Sr-Ca-Ba-карбонат (~70...80 %), калиевый полевой шпат 10 %, пироксен 10...20 %. Основной полезный компонент - Sr-Ca-Ba-карбонат (BaO = 32 %, Sr = 13 %, CaO = 22 %, CO2 = 33 %), представленный тонкокристаллическим срастанием кальцита, баритокальцита и стронциата (продукты распада исходного твердого неупорядоченного раствора CaCO3-BaCO3-SrCO3).
На металлургическом производстве использование стронций-кальций-бариевых карбонатов в составе легатур позволяет снизить содержание кислорода в металле [6], что приводит к улучшению качества поверхности отливки. Так, в стали 35Л, выплавленной в индукционных печах и залитой при температуре 1710 °С в сухие формы, дополнительная обработка барием и стронцием снижает содержание кислорода в 1,5-2 раза. При этом отмечаются существенное снижение количества неметаллических включений и благоприятное изменение их формы и расположения. Все это положительно сказывается на механических свойствах и ударной вязкости в широком температурном интервале.
В связи с обнаружением карбонатов была поставлена задача изучить возможность применения стронций-барий-кальциевых карбонатов (природнолегированный минерал) для микролегирования сталей различных классов. Выплавка сталей 110Г13Л, 65Г10Х4ДЛ с обработкой сталей карбонатом производилась в 3-тонной электродуговой печи, а сталь марки 40ХН в 10-тонной электродуговой печи. После окончательного раскисления металла в печи карбонат подавали в виде мелких кусков (30×30 мм) в печь или под струю металла при наполнении ковша емкостью 3 и 10 т. Все модификаторы вводили как расчетные из-за отсутствия методов их определения в металле. Влияние карбонатов на механические свойства высокомарганцевых сталей представлено на рис. 1.
Более подробно изучено влияние карбоната на свойства высокомарганцевой стали 110Г13Л. Карбонат вводили или в ковш, или в печь в период раскисления. От каждой плавки изучали механические свойства от толстых сечений отливок (дражные черпаки, полувтулки 600-литрового черпака и другие детали). Прочностные свойства находятся на уровне δв = 650...780 МПа и
δ0,2 = 430...550 МПа (против стандартных δв = 600 МПа и δ0,2 = 400 МПа соответственно). Пластические свойства δ = 25...30 % и ψ = 25...35 % (против δ = 20 % и ψ = 20 % по обычной технологии). Особенно сильно возрастает ударная вязкость, достигающая 3,0 МДж/м2 против 1,8 МДж/м2 для стали обычного состава. Дополнительное легирование высокомарганцевой стали с ванадием в комплексе с барием, кальцием и стронцием позволяет резко повысить предел прочности δв = 900 МПа против 600 МПа для рядовой стали и δ0,2 = 600 МПа против рядовых 450 МПа. Значительно повышаются показатели относительного удлинения (45 %), а показатели относительного сжатия остались на прежнем уровне. Ударная вязкость резко возрастает и стабильно находится на уровне 2,80-3,0 МДж/м2.
Рис. 1. Влияние стронций-кальций-бариевых карбонатов
на механические свойства высокомарганцевых сталей:
1 - сталь 110Г13Л; 2 - сталь 110Г13Л с обработкой Sr-Ca-Ba-карбонатом;
3 - сталь 65Г10Х4ДФЛ; 4 - сталь 65Г10Х4ДФЛ с обработкой Sr-Ca-Ba-карбонатом
Одной из важнейших характеристик склонности материала к хрупкому разрушению является вязкость разрушения, определяющая тот максимально допустимый размер трещины, который материал выдерживает без разрушения [1, 2, 3]. Наибольший интерес для практики представляет оценка скорости роста трещины в период ее установившегося развития. Распространение трещины в этом случае осуществляется скачками. Трещиностойкость при циклическом нагружении в настоящее время определяется параметрами кинетической диаграммы усталостного разрушения (КДУР) [4, 5]. Размах коэффициента интенсивности напряжений для каждого нового цикла К = Кmax - Kmin (где Кmax и Kmin наибольшее и наименьшее значение коэффициента интенсивности напряжений). Скорость распространения трещины (V) и размах коэффициента интенсивности напряжений для построения КДУР определяли по следующим формулам:
(1.1)
(1.2)
(1.3)
(1.4)
где 
- число циклов нагружения, 
- длина трещины.
(1.5)
(1.6)
где ΔМ - изменение момента, действующего на образец за цикл; t - толщина образца (3 мм); В - ширина образца (25 мм).
Все расчеты производились с использованием электронно-вычислительной машины. Параметры уравнений (1.1) и (1.2) оценивались по методу наименьших квадратов. Масштаб КДУР (рис. 2): единичный интервал по оси абсцисс (lgΔK) - 130 мм, по оси ординат (lgV) - 30 мм.
Таким образом, показана возможность применения кальциево-бариево-стронциевого карбоната при выплавке высокомарганцевых сталей. Термодинамическими расчетами доказано, что карбонаты бария и стронция легко восстанавливаются кремнием и алюминием при обычных их содержаниях (0,1-1,0 % Si; 0,01-0,03 % Al), а присутствующая известь может участвовать в ошлаковании Al2O3 и SiO2.
Четко прослеживается положительное влияние кальциево-бариево-стронциевого карбоната на комплекс структурно-чувствительных свойств аустенитных и метастабильных высокомарганцевых сталей. Влияние карбоната проявляется в комплексном воздействии кальция, бария и стронция на снижение отрицательной роли вредных примесей, повышает механические свойства, трещиностойкость в литейном производстве и в сочетании с комплексным легированием в целом улучшает износостойкость стали.
Рис. 2. Кинематические диаграммы усталостного разрушения высокомарганцевых сталей:
1 - 110Г13Л, 2 - 65Г10Х4Л, 3 - 65Г10Х4ДБЛ. Термическая обработка - закалка в воде от температуры 1050°С (сталь 110Г13Л), 1150°С (стали 65Г10Х4Л, 65Г10Х4ДБЛ)
Использование метода микрорентгеноспектрального анализа помогло исследованию характера распределения легирующих элементов в стали и предоставило возможность устранения химической неоднородности за счет термической обработки.
Отмечено, что в активном слое поверхности изнашивания, по данным рентгеновского анализа, уменьшаются размеры областей когерентного рассеивания, увеличивается плотность дислокаций и микродеформация, что также показывает улучшение механических свойств стали.
Список литературы
- Биронт В.С., Заиграйкина Б.С. Роль фазовых взаимодействий и ТЦО сплавов. Материалы к конф. ТЦО металличсеких изделий. - Л.: 1982. Наука. - 178 с.
- Гольдштейн М.И., Грачев С.В., Векслер Ю.Г. Специальные стали. - М.: Металлургия, 1985. - 408 с.
- Гудков А.А. Трещиностойкость стали. - М.: Металлургия, 1989. - 376 с.
- РД 50-345‒82. Методические указания. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Определения характеристик вязкости разрушения. Трещиностойкость при циклическом нагружении. - М.: Изд-во стандартов, 1932. - 46 с.
- Тушинский Л.И., Плохов А.В. Исследование структуры и физико-механических свойств покрытий. - Новосибирск: Наука, 1986. - 200 с.
- Ярковой В.К., Гаряев С.Г., Ленев В.В. Применение лигатур со щелочноземельными металлами для повышения механических свойств литых сталей // Изв. вузов. - Черная металлургия, 1970. - №8. - С. 139-142.