ПАО «Новолипецкий металлургический комбинат», Москва, Россия

А. И. Житенев, руководитель технологических проектов, канд. техн. наук, эл. почта: zhitenev.ai1991@gmail.com

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, Россия
А. С. Ровбо, инженер научно-технологического комплекса (НТК) «Новые технологии и материалы» передовой инженерной школы «Цифрофой инжиниринг», эл. почта: harchenko.annna@yandex.ru
Д. В. Нечаев, инженер-исследователь НТК «Новые технологии и материалы», эл. почта: nechaev_dv@spbstu.ru
С. В. Рябошук, старший преподаватель, эл. почта: ryaboshuk_sv@spbstu.ru

Висмут является одним из наиболее перспективных элементов, позволяющих в значительной мере отказаться от применения серы и свинца, добавляемых в современные автоматные стали. Для определения оптимального количества висмута и разработки эффективной технологии производства применено термодинамическое моделирование, результаты которого подтверждены сравнением с экспериментальным исследованием включений в опытных слитках и прокате автоматной стали АВ40Х с разным содержанием висмута и серы. Исследовано распределение включений висмута и сульфидов марганца по сечению опытных слитков, установлены закономерности изменения количества, размера и состава включений в зависимости от особенностей литой структуры. Показано, что существуют критические концентрации висмута, предопределяющие технологию его ввода. Так, ввод более 0,15 % Bi нецелесообразен, так как превышается его предел растворимости в жидкой стали. Присадка до 0,10 % Bi и более также неэффективна, так как в этом случае формируются его первичные и вторичные включения, хаотично перераспределяющиеся по объему слитка, формируя сегрегации. Установлено, что при горячей обработке давлением и термообработке количество и размер включений висмута и сульфида марганца не изменяются. При опытной обработке резанием показано, что для повышения обрабатываемости автоматных сталей достаточно добавления 0,08 % Bi и, соответственно, формирования 0,06 % (об.) его включений. На основе экспериментального и расчетного исследований определены оптимальные концентрации висмута (0,05–0,09 %) и серы (<0,02 %), необходимые для формирования требуемого количества включений.

Исследование финансируется Министерством науки и высшего образования Российской Федерации в рамках программы Исследовательского центра мирового уровня: Передовые цифровые технологии (соглашение № 075-15-2020-311 от 20.04.2022).

1. Xie J., Fan T., Zeng Z., Sun H. et al. Bi-sulfide existence in 0Cr18Ni9 steel: Correlation with machinability and mechanical properties // Journal of Materials Research and Technology. 2020. Vol. 9. P. 9142–9152.
2. Рябов А. В., Чуманов И. В. О возможности получения новой легкообрабатываемой коррозионностойкой стали // Электрометаллургия. 2012. № 2. С. 33–35.
3. Kurka V., Kubon Z., Kander L., Jonsta P. et al. The effect of bismuth on technological and material characteristics of low-alloyed automotive steels with a good machinability // Metals. 2022. Vol. 12. No. 2. P. 301–315.
4. Hu S., Li Z., Fan T., Fu J. Effect of bismuth on sulfide in high sulfur freecutting steel // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 611, Iss. 1. 012017.
5. Рябов А. В. Растворимость висмута и свинца в жидком и твердом железе // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия. 2013. Т. 13. № 2. С. 27–32.
6. Рябов А. В., Поволоцкий Д. Я., Рябов В. В. Усвоение висмута при легировании автоматной стали в процессе сифонной разливки // Известия Челябинского научного центра. 2001. № 1. С. 81–90.
7. Рябов А. В. Растворимость легкоплавких, легкоокисляющихся и легкоиспаряющихся элементов в сплавах на основе железа // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Cерия: Металлургия. 2014. Т. 14. № 3. C. 19–24.
8. Рябов А. В, Трофимов Е. А. Влияние висмута на фазовые равновесия, реализующиеся в системах «железо – легирующий элемент» // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия. 2015. Т. 15. № 4. C. 142–146.

9. Liu H., Chen W., Li W., Yu Y. Solubility of bismuth in liquid Bi – S based free cutting steel // High Temperature Materials and Processes. 2014. Vol. 33. P. 187–191.
10. FactSage.Com. — URL: https://www.factsage.com/ (дата обращения : 26.06.2023).
11. Kazakov A. A., Zhitenev A. I. Assessment and interpretation of nonmetallici nclusions in steel // CIS Iron and Steel Review. 2018. Vol. 16. P. 33–38.
12. Zhitenev A., Salynova M., Shamshurin A., Ryaboshuk S. et al. Database clustering after automatic feature analysis of nonmetallic inclusions in steel // Metals. 2021. Vol. 11. 1650.
13. Физико-химические основы металлургических процессов (ФХОМП 2022) : сб. трудов Международной научной конференции имени академика А. М. Самарина, посвященной 120-летию со дня рождения выдающегося ученого-металлурга, академика АН СССР А. М. Самарина, 265-летию со дня основания Выксунского металлургического завода и 20-летию Выксунского филиала НИТУ «МИСиС», — Выкса, 2022. — 549 с.
14. Biswas D. K., Venkatraman M., Narendranath C. S., Chatterjee U. K. Influence of sulfide inclusion on ductility and fracture behavior of resulfurized HY-80 steel // Metall. Mater. Trans. A. 1992. Vol. 23. P. 1479–1492.
15. Kazakov A., Kiselev D. Industrial application of thixomet image analyzer for quantitative description of steel and alloy’s microstructure // Metallogr. Microstruct. Anal. 2016. Vol. 5. P. 294–301.
16. Kazakov A. A., Zhitenev A., Kovalev P. Distribution pattern of nonmetallic inclusions on a cross section of continuous-cast steel billets for rails // Microscopy and Microanalysis. 2015. Vol. 21 (S3). P. 1751, 1752.
17. Luo S., Wang B., Wang Z., Jiang D. et al. Morphology of solidification structure and MnS inclusion in high carbon steel continuously cast bloom // ISIJ International. 2017. Vol. 57. P. 2000–2009.
18. Shu Q., Visuri V.-V., Alatarvas T., Fabritius T. Model for inclusion precipitation kinetics during solidification of steel applications in MnS and TiN inclusions // Metall. Mater. Trans. B. 2020. Vol. 51. P. 2905–2916.
19. Gu J. P., Beckermann C. Simulation of convection and macrosegregation in a large steel ingot // Metall. Mater. Trans. 1999. Vol. 30. P. 1357–1366.
20. Казаков А. А., Житенев А. И., Салынова М. А., Колпишон Э. Ю. Количественная оценка неметаллических включений для поковок из сверхкрупных слитков // Черные металлы. 2018. № 12. С. 50–56.
21. Koji W., Tatsuya I., Toshiharu A. Development of lead-free free-cutting steel and cutting technology // Nippon steel & Sumitomo Metal Technical Report. 2017. Vol. 116. P. 32–37.
22. Maciejewski J. The Effects of sulfide inclusions on mechanical properties and failures of steel components // J. Fail. Anal. and Preven. 2015. Vol. 15. P. 169–178.