Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса использования литой быстрорежущей стали. задачи исследования 8
1.1. Условия работы и требования, предъявляемые к инструментам из быстрорежущей стали. Некоторые итоги выполненных ранее исследований 8
1.2. Анализ информации по способам изготовления литого инструмента и особенности формирования структуры литой быстрорежущей стали в процессе кристаллизации 13
1.3. Перспективные источники легирующих элементов 18
1.4. Влияние модифицирования на структуру и свойства сталей. Особенности модифицирования литых быстрорежущих сталей 24
1.5. Термическая обработка литой стали 30
1.5.1. Влияние циклических тепловых воздействий на свойства сталей 30
1.5.2. Предварительная термическая обработка 44
1.5.3. Окончательная термическая обработка литого инструмента 45
1.6. Технологические аспекты формирования структуры и свойств литого инструмента 49
1.7. Цель и задачи исследования 54
2. Материалы и методы проведения эксперимента 59
2.1. Выбор материалов и методов исследования 59
2.2. Методы проведения механических испытаний 60
2.3. Методы определения режущих свойств 61
2.4. Микроструктурный, электронно-микроскопический и рентгено-структурный методы исследований 64
2.5. Методика определения удельного электросопротивления 68
2.6. Методика определения температуры резания 69
2.7. Применение рафинирующих переплавных процессов в производстве литого инструмента 71
2.8. Изготовление форм для литья инструмента 89
2.9. Математические методы планирования эксперимента 93
3. Структура и свойства литой быстрорежущей стали 94
3.1. Влияние модифицирования 94
3.2. Влияние условий кристаллизации 112
3.3. Влияние термической обработки 127
3.3.1. Окончательная термическая обработка 130
3.3.2. Оптимизация термоциклической обработки инструментальной стали 134
3.3.3. Структурные факторы упрочнения инструментальной стали при циклическом тепловом воздействии 149
3.3.4. Особенности формирования структуры стали Х12М в результате циклического теплового воздействия 169
Выводы 174
4. Изучение особенностей фазового состава и тонкой структуры литой быстрорежущей стали сформировавщейся в результате различных видов теплового воздействия 176
4.1. Сопоставление фазового состава сталей Р18 и Р6М5 в отожженном состоянии 176
4.2. Структура и фазовый состав литой стали Р18 электрошлакового переплава после традиционной термической обработки и после термоцической обработки 187
4.2.1. Сталь Р18. Общая характеристика 187
4.2.2. Постановка задачи и технология получения исследуемых состояний 188
4.2.3.Методика исследования 190
4.2.4. Качественный фазовый состав, а-фаза 191
4.2.5. Качественный фазовый состав. Карбидная фаза 201
4.2.6. Вторичные карбиды 218
4.2.7. Классификация структуры стали Р18 по структурным уровням 226
4.2.8. Структура а-твердого раствора и внутренние напряжения 227
4.2.9. К вопросу о структуре карбидной фазы 231
4.2.10. Объемная доля карбидной фазы. Влияние ТЦО на соотношение первичных и вторичных карбидов 233
Заключение 236
5. Влияние структурно-технологических факторов на стойкостные характеристики 237
5.1. Условия кристаллизации 237
5.2. Модифицирование 249
5.3. Финишная механическая обработка 253
5.4. Микрогеометрия режущей части литях инструментов 259
5.5. Распределение напряжений в поверхностном слое 266
5.6. Микротвердость поверхностного слоя 267 Выводы 269
6. Технология изготовленияи и результаты производ-ственных испытаний инструмента из литой быстрорежущей стали 270
6.1. Оптимизация геометрии режущей части инструмента с учетом специфики литой структуры 270
6.2. Производственные испытания инструмента из литой быстрорежущей стали 272
6.3. Технология изготовления литого режущего инструмента 275
Выводы 285
Основные результаты и выводы по работе 286
Литература 291
Приложения 327
- Анализ информации по способам изготовления литого инструмента и особенности формирования структуры литой быстрорежущей стали в процессе кристаллизации
- Технологические аспекты формирования структуры и свойств литого инструмента
- Микроструктурный, электронно-микроскопический и рентгено-структурный методы исследований
- Структурные факторы упрочнения инструментальной стали при циклическом тепловом воздействии
Введение к работе
Научно-технический прогресс во многом определяется успешным развитием машиностроения. Важную роль для этой отрасли промышленности имеет использование материалосберегающих технологий, способствующих сокращению затрат ресурсов и энергии, повышению производительности труда. Для решения этой проблемы необходимо снижение металлоемкости продукции, внедрение в производство малоотходных и безотходных технологий.
Актуальность этой задачи особенно очевидна для инструментального производства, в частности, при изготовлении инструмента из быстрорежущей стали, содержащей дефицитные и дорогостоящие легирующие элементы.
В настоящее время не менее 70-75 % выплавляемой быстрорежущей стали идет в различные отходы и только 25-30 % эффективно используется в виде инструмента. В связи с этим важное значение приобретает использование инструмента с повышенным коэффициентом использования металла, меньшей стоимостью, повышенной стойкостью и меньшей трудоемкостью при изготовлении.
Значительный практический интерес с точки зрения ресурсосбережения, снижения стоимости и увеличения объемов производства представляет использование собственных отходов производства: инструментального лома, стружки и металлоабразивного шлама.
Применение литого режущего инструмента наиболее полно отвечает перечисленным требованиям. Изготовление инструмента различными методами литья приводит к сокращению расхода дорогостоящей инструментальной стали, снижению расходов на изготовление инструмента и повышению его стойкости. При использовании литейных технологии появляется возможность в широких пределах использовать дополнительное легирование, микролегирование и модифицирование стали для повышения работоспособности инструмента исходя из конкретных условий его эксплуатации.
Тем не менее, в настоящее время литой инструмент из быстрорежущей стали не находит широкого применения, несмотря на то, что существующие технологические процессы изготовления литого инструмента обеспечивают значительное повышение коэффициента использования металла, снижение трудозатрат на его изготовление по сравнению с инструментом из деформированной стали.
Основными причинами ограниченного использования инструмента из литой быстрорежущей стали являются: недостаточное знание особенностей строения и свойств используемых быстрорежущих сталей в литом состоянии и противоречивость данных о работоспособности литого инструмента; отсутствие сведений по влиянию структуры литой термически обработанной стали, финишных операций на эксплуатационную стойкость литого инструмента и рациональным технологически процессам изготовления литого инструмента.
Основной целью настоящей работы является создание научных основ организации структуры, формирования свойств и режущей способности инструмента из литой быстрорежущей стали, полученной переплавом отходов инструментального производства, путем оптимизации химического состава стали, условий кристаллизации при литье, термической обработки, качества поверхностного слоя после его заточки и обеспечение на этой основе повышенной надежности и долговечности литого металлообрабатывающего инструмента.
Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи:
изучить закономерности формирования и различия структуры и свойств литых и деформированных инструментальных сталей в зависимости от условий кристаллизации и модифицирования и оценить вклад отдельных структурных составляющих на эксплуатационную стойкость инструмента;
определить оптимальное сочетание и количественное содержание модифицирующих добавок в стали для литого инструмента с применением нетрадиционных источников легирующих элементов для микролегирования и модифицирования быстрорежущей стали;
исследовать возможности использования отходов инструментального производства, в частности, шлама для получения литого инструмента;
разработать и оптимизировать систему модифицирующего комплекса литой быстрорежущей стали по стойкости режущего инструмента и получить рекомендации для разработки состава литой стали при его изготовлении;
изучить особенностей износа инструмента из литой быстрорежу-
щей стали в процессе эксплуатации;
изучить влияние термоциклической обработки на структуру и свойства инструментальных сталей и возможность использования ТЦО в качестве предварительной и окончательной термической обработки модифицированной быстрорежущей стали Р6М5;
на основе изученных представлений о поведении инструментальных сталей при термоциклической обработке рекомендовать оптимальные режимы термической и термоциклической обработки быстрорежущих сталей
исследовать влияние финишной абразивной обработки на качество поверхностного слоя литой стали и стойкость литого инструмента, при его использовании различных средств заточки;
разработать, опробовать и внедрить в производство режущий инструмент из новый литой быстрорежущей стали, режимы предварительной и окончательной термоциклической обработки в виде сквозной технологии изготовления литого режущего инструмента, обеспечивающей получение его высоких эксплуатационных свойств.
Научная новизна работы заключается в установлении:
новых физических представлений о конкретных механизмах влияния четырех химических элементов в литых быстрорежущих сталях, расширяющих возможности их модифицирования и микролегирования. В частности, впервые в практике инструментального материаловедения предложено и научно обосновано использование в качестве модификаторов литых быстрорежущих сталей модифицирующего комплекса таких элементов, как титан, барий, кальций и магний, обеспечивающих эффективное воздействие на формирование литой структуры. Обоснована и подтверждена целесообразность оптимизации модифицирующего комплекса не только по свойствам стали, но и по эксплуатационной стойкости литого инструмента;
оптимального сочетания и количественного содержания модифицирующих добавок в стали для литого инструмента с применением нетрадиционных источников легирующих элементов для микролегирования и модифицирования быстрорежущей стали;
качественных и количественных изменений структуры и свойств литых и деформированных быстрорежущих сталей, закономерностей формирования и
7 различия их структуры и свойств в зависимости от условий кристаллизации и модифицирования, вида термической и термоциклической обработки и оценить вклад отдельных структурных составляющих в эксплуатационную стойкость инструмента;
- целесообразности и эффективности использования термоциклирования
при термической обработке литого инструмента. Установлены оптимальные ре
жимы термоциклического отжига и окончательной термоциклической обработки
модифицированной быстрорежущей стали;
-установлены качественные и количественные параметры структуры, базового состава и напряженного состояния поверхностного слоя литого инструмента после шлифования и заточки. Показано, что литая быстрорежущая сталь в меньшей степени подвержена негативным изменениям в результате шлифования, чем деформированная;
зависимости стойкости литого режущего инструмента от структуры и свойств стали, сформировавшихся при различных условиях кристаллизации и модифицировании;
возможности применения металлоабразивных отходов в качестве шихты для переплава при изготовлении инструмента из литой быстрорежущей стали.
Практическая значимость работы заключается в решении важной проблемы по созданию новой литой быстрорежущей стали и эффективной технологии изготовления металлорежущих инструментов с повышенной эксплуатационной стойкостью и надежностью.
Разработаны модификатор (А. с, № 1696553), новая быстрорежущая сталь (положительное решение по заявке № 4917230/02), а также комплексная технология изготовления инструмента из литой быстрорежущей стали, включающая технологию переплава отходов инструментального производства, в том числе шлама, модифицирования, литья в керамические формы, упрочняющую термоциклическую обработку и заточку литого инструмента.
Применение инструмента из разработанной модифицированной стали позволило повысить его стойкость в 1,3-3,5 раза по сравнению с аналогичным инструментом из проката.
Анализ информации по способам изготовления литого инструмента и особенности формирования структуры литой быстрорежущей стали в процессе кристаллизации
В отличие от деформированной для литой стали характерна структура сформированная на стадии кристаллизации и представляющая собой зерна твердого раствора в окружении сетки ледебуритной эвтектики. Величина первичных зерен, химический состав и характер распределения эвтектических карбидов в значительной мере определяются условиями кристаллизации при затвердевании [26, 27].
Литые быстрорежущие стали в процессе кристаллизации отличаются особенностью формирования структуры [16 - 23]. Кристаллизация стали Р6М5 начинается при температурах 1430-1435 С с выделения 5-феррита. Оставшаяся жидкость обогащается углеродом и обедняется железом, вольфрамом, ванадием и молибденом. При 1315 С начинается перитектическая реакция Ж+Ф—»А. Вследствие того, что образующийся аустенит располагается вокруг кристаллов 8-феррита и прерывает диффузию атомов, перитектическая реакция в ряде случаев остается незавершенной. При достижении 1240 С непрореагировавший раствор кристаллизуется по эвтектической реакции Ж— А+К, а оставшийся 5-феррит распадается на аустенит и карбиды, образуя 8-эвтектоид. В зависимости от скорости дальнейшего охлаждения структура литой стали представлена мартенситом, остаточным аустенитом и ледебуритнои эвтектикой [29]. В случае же невысокой скорости охлаждения, наряду с мартенситом и ледебуритнои эвтектикой, образуются продукты распада аустенита - бейнит или троосто-сорбит [30].
Условия кристаллизации быстрорежущей стали характеризуются, главным образом, скоростями протекания перитектической и эвтектической реакций, которые определяются интенсивностью охлаждения. Интенсивность охлаждения в свою очередь зависит от теплофизических свойств материала литейных форм и температуры их предварительного подогрева перед заливкой металла [29]. Различные скорости охлаждения при литье в кокиль, керамические или жидкостекольные песчаные формы с предварительным их подогревом до различной температуры обуславливают формирование различных структур [72]. Наиболее мелкозернистая структура отмечается при литье в кокиль, при этом наблюдается повышение ударной вязкости и износостойкости по сравнению с образцами, полученными литьем в жидкостекольные песчаные формы. Повышение вязкости объясняется более высокой дисперсностью структурных составляющих. Снижение износостойкости при замедленном охлаждении связано с огрублением карбидов, ослаблением их связи с матрицей и выкрашиванием в процессе изнашивания.
С увеличением размера отливки и, следовательно, с уменьшением скорости кристаллизации укрупняются размеры колоний ледебуритнои эвтектики в структуре литой стали [16]. С увеличение температуры предварительного подогрева укрупняются как зерно, так и ледебуритная эвтектика, что нежелательно, так как приводит к снижению механических свойств стали, прежде всего вязкости и пластичности.
При литье в кокиль по сравнению с литьем в песчаные формы структура стали становится более мелкозернистой, что значительно повышает режущие свойства инструмента [111]. Кроме того, при литье в кокиль, с увеличением скорости кристаллизации увеличивается легированность металлической основы, что вызывает повышение теплостойкости быстрорежущей стали.
Вследствие повышенной теплостойкости литой стали, фрезы, полученные литьем в кокиль, показали более высокую стойкость по сравнению с коваными [111].
Исследовано влияние ускоренного охлаждения из жидкотвердого состояния с использованием глубокого холода (жидкого азота) [16]. Установлено значительное повышение ударной вязкости по сравнению со сталью кокильного литья в результате устранения карбидной сетки по границам зерен твердого раствора и сильного измельчения структуры металлической основы. В то же время отмечается ухудшение износостойкости, что подтверждает известные выводы о благоприятном влиянии ледебуритной эвтектики в условиях изнашивания.
О достаточно высокой эффективности инструмента, полученного литьем в стержневые формы сообщается в работе [68]. Стойкость резцов, полученных в условиях относительно медленного охлаждения при литье в керамические формы и имеющих более грубую структуру оказалась наиболее высокой.
Производственные испытания показали, что инструмент с более крупнозернистой структурой инструментального материала обладает большей стойкостью, чем с мелкозернистой [2, 7, 10,11].
Очевидные противоречия сведений, приведенных в рассмотренных работах, объясняется это, на наш взгляд, различными условиями эксплуатации инструмента. Так, в относительно спокойных, безударных условиях работы (чистовая обработка преимущественно легированных сталей) большее значение имеет износостойкость инструментального материала. При черновой обработке, когда инструмент подвержен ударным нагрузкам, на первый план выдвигается необходимость повышения ударной вязкости материала. В таких условиях эксплуатации более высокую стойкость показывает инструмент с мелкозернистой структурой, обладающей повышенной вязкостью и пластичностью.
Ледебуритная эвтектика, ее количество, размеры колоний, морфология, определяют во многом свойства литой быстрорежущей стали [37,57,64]. Располагаясь сплошной сеткой вокруг зерен твердого раствора она вызывает повышенную хрупкость литой стали и в то же время [38, 57] она же способствует, в определенных условиях эксплуатации, высокой износостойкости и твердости. Важен не сам факт наличия в структуре ледебуритной эвтектики, а ее форма, характер распределения и тот критический размер эвтектических колоний, которые вызывают в литой стали неумеренную хрупкость [16].
Технологические аспекты формирования структуры и свойств литого инструмента
Эксплуатационные характеристики режущего инструмента формируются на всем протяжении технологического процесса изготовления от момента литья до шлифования и заточки.
Отмечается [13], что для получения доброкачественного инструмента в результате заточки необходимо прежде всего обеспечить надлежащее качество отливки инструмента и его термической обработки.
Влияние технологических факторов на свойства литого инструмента из быстрорежущей стали чрезвычайно многообразно, и изучено еще не полностью. Однако основные закономерности влияния этих факторов могут быть в какой-то мере спрогнозированы. Прежде всего необходимо отметить большое влияние условий кристаллизации, определяемых скоростью охлаждения, размерами отливки, модифицирования [86,87].
Дальнейшее формирование физико-механических свойств инструментального материала с учетом полученной при литье структуры определяется термической обработкой.
Наряду с литейными методами и термообработкой на эксплуатационную стойкость инструмента немаловажное влияние оказывает финишная механическая обработка. Шлифование и заточка являются заключительными операциями, окончательно формирующими рабочие поверхности режущего инструмента.
Процесс шлифования различных сталей и его влияние на качество обрабатываемых поверхностей подробно изучены в исследованиях П.И. Ящерицына, Е.Н.Маслова, Д.Г.Евсеева, С.Г. Радько, В.А. Ланда и др [88 - 94]. Однако, следует отметить, что большинство работ посвящены анализу шлифуемости таких классических машиностроительных материалов, как ШХ15 и деформированные быстрорежущие стали.
Многими авторами отмечается, что, как правило, стойкость инструмента из быстрорежущей стали после шлифования или заточки существенно ниже стойкости, которую можно было бы прогнозировать на основании исходных физико-механических свойств инструментального материала. Это связано с тем, что при шлифовании и заточке имеет место сложный комплекс воздействий на обрабатываемый материал, определяемый прежде всего давлением, температурой и скоростью процесса [90,91,101].
Температура нагрева поверхности инструмента даже при минимальных режимах шлифования может достигать 800 - 1000С [95, 123], скорость нагрева - 2500-100000С/с [40], что приводит к существенным изменениям состояния тонкого поверхностного слоя инструмента.
В работе [103] отмечается значение силового фактора при шлифовании. При пластической деформации изменяется форма зерен, их ориентировка, образуется текстура, появляются остаточные напряжения в поверхностных слоях шлифованных инструментов, природа возникновения которых и механизм их действия достаточно широко изложены в работах [95 - 100]. Согласно принятой в литературе классификации остаточные напряжения подразделяются на три вида [96,126]: напряжения I рода - макронапряжения, охватывающие области соизмеримые с размерами поверхности; напряжения II рода - микронапряжения, распространяющиеся на отдельные зерна или группы зерен металла; напряжения III рода - субмикроскопические, относящиеся к искажениям атомной решетки. Макронапряжения подразделяют на сжимающие (отрицательные) и растягивающие (положительные) [96]. Принято считать, что растягивающие напряжения появляются в результате преобладающих тепловых воздействий, а сжимающие в результате пластической деформации. Если влияние сжимающих напряжений объясняют упрочнением поверхности, повышением износостойкости, то растягивающие расцениваются, как способствующие разупрочнению и тре-щинообразованию. Установлено [101], что при использовании обычных абразивных кругов для шлифования, как правило, возникают большие или меньшие растягивающие остаточные напряжения.
Тепловые воздействия, с которыми связаны основные структурные изменения в поверхностных слоях при шлифовании рассмотрены в работах ряда авторов [92 - 95].
Так, в работах [95, 103] указывается на образование в тонких поверхностных слоях зоны с аустенитно-мартенситной структурой. При шлифовании инструмента из быстрорежущих сталей это слаботравящаяся на шлифах зона получила название в литературе «светлый слой» и имеет глубину от 1,0-10"5 до 2-10"4 м [91]. Характерной особенностью этого слоя является высокая твердость (свыше ЮООМПа) и повышенная хрупкость.
Количество образующегося остаточного аустенита в обрабатываемом слое быстрорежущих сталей может достигать 50-60 % и зависит, как от шлифуемо-сти, определяемой, прежде всего, содержанием карбида ванадия, так и режимов шлифования [89].
Наличие аустенита в зоне вторичной закалки способствует образованию макро- и микротрещин, поскольку участки остаточного аустенита в первую очередь подвержены пластической деформации и в основном в аустенитной фазе формируются скопления дислокаций, которые способствуют снижению прочности поверхностного слоя, а также образованию выкрашиваний усталостного характера. В работах [102, 103, 129] сообщается, что помимо зоны вторичной закалки при шлифовании образуется зона высокого вторичного отпуска.
Эта зона располагается вслед за зоной вторичной закалки или непосредственно на поверхности в том случае, если нагрев недостаточно интенсивен для протекания вторичной закалки. Твердость этого слоя несколько ниже и составляет всего 55-58 HRC для быстрорежущих сталей. Установлено что появление "вторично-отпущенного" слоя на поверхности инструмента недопустимо, так как вызывает его интенсивное затупление вследствие увеличения тепловыделения на режущей кромке.
К основным факторам, определяющим состояние поверхностного слоя обрабатываемой стали относятся режимы обработки, характер и вид абразивного материала. Практика применения обычных абразивных материалов (электрокорунд, карбид кремния) для шлифования и заточки инструмента из быстрорежущих сталей показывает, что они не обеспечивают достаточно высоких характеристик рабочего поверхностного слоя [106]. Применение алмазных и эльбо-ровых кругов позволяет улучшить его качество. Последнее определяется шероховатостью, величиной остаточных напряжений, твердостью, а также прошедшими структурными превращениями [95, 117].
Микроструктурный, электронно-микроскопический и рентгено-структурный методы исследований
В процессе ЭШП под действием электрического тока, протекающего через ванну синтетического шлака, в ней генерируется тепло. Это тепло расходуется на поддерживание шлака в расплавленном состоянии и на расплавление расходуемого электрода. В результате рафинирования активным шлаковым расплавом расплавляемый металл очищается от вредных примесей, газов, неметаллических включений, а последовательная, снизу вверх, кристаллизация слитка обуславливает формирование весьма плотной структуры.
Производство стали методом электрошлакового переплава значительно увеличилось и превысило в развитых странах (без учета стран СНГ) в настоящее время 500 тыс. т в год [189].
Процесс ЭШП применяется в основном для производства слитков высо-конагруженных инструментальных, нержавеющих, кислото- и жаростойких сталей некоторых марок, низколегированных сталей для поковок, жаропрочных сплавов, причем имеет место тенденция к увеличению как массы слитков, так и соответственно производительности агрегатов [190]. ЭШП позволяет получать крупные слитки, в том числе массой 200 т, диаметром 2800 мм. Слитки инструментальных и дисперсионно-твердеющих хромоникелевых сталей - диаметр до 1400 мм, слитки быстрорежущей стали диаметром 700 мм имеют массу до 10 т.
В ближайшие годы не предвидится создание принципиально новых методов промышленного производства широкого сортамента высоколегированных сталей и сплавов. Прогресс в области электрошлакового переплава будет идти в направлении совершенствования конструкций существующих установок, развития новых модификаций установок и агрегатов на основе известных схем ЭШП, полной автоматизации процесса и создания программного управления процессом ЭШП. Одной из основных задач в нашей стране и за рубежом является повышение производительности существующих агрегатов ЭШП, их реконструкция с целью интенсификации процесса ЭШП, обеспечивающего различные энерго- и ресурсосберегающие технологии. Разработка и освоение различных модификаций способа ЭШП является основой дальнейшего развития производства высококачественных сталей и сплавов.
Для проведения процесса ЭШП необходимы расходные электроды, флюс или его компоненты для приготовления жидкого шлака, электроэнергия для выделения теплоты в шлаковой ванне, вода для охлаждения литейной формы, в некоторых случаях - сухой воздух, инертный или другой подходящий газ для продувки шлаковой и металлической ванны, сжатый воздух или рабочая жидкость для управления работой соответствующих пневмо- и гидромеханизмов оборудования [191].
В случае проведения ЭШТП особой подготовки формы и поверхности расходуемого электрода не требуется. Возможно применение переменного по сечению и форме сваренного из кусков металла электрода. Метод ЭШЛ пригоден для получения отливок из любых материалов (сталей, сплавов, цветных металлов и их сплавов, чугуна с шаровидным графитом или высокопрочного и т.д.). Поэтому в каждом конкретном случае в качестве расходуемых электродов используют заготовки соответствующего химического состава.
Температура плавления флюса должна быть немного ниже температуры плавления самого металла. Кроме этого, флюс в расплавленном состоянии должен иметь низкую вязкость. Эти два фактора создают при ЭШЛ благоприятные условия для формирования тонкой корочки шлака, улучшают в связи с этим охлаждение отливки и обеспечивают хорошую ее поверхность.
Химический состав некоторых наиболее распространенных флюсов для ЭШЛ приведен в табл. 2.3 [191]. Усредненный химический состав шлаков приведен в табл. 2.4. [192].
К электрошлаковым способам получения отливок относятся электрошлаковое литье в водоохлаждаемыи кристаллизатор (ЭШЛ) и электрошлаковая тигельная плавка (ЭШТП) с последующей разливкой металла во вращающийся кокиль (электрошлаковое центробежное литье) или стационарный кокиль (электрошлаковое кокильное литье). ния расходуемого электрода. Электрод расплавляют с использованием теплоты, выделяющейся в электропроводном шлаке при прохождении через него электрического тока.
Жидкий металл с оплавляемого конца электрода (рис. 2.7) погруженного в шлаковую ванну, поступает в литейную форму, не соприкасаясь с воздухом.
При ЭШЛ полностью исключается взаимодействие жидкого металла с материалом формы. Ванна расплавленного синтетического шлака, температуры которой обычно на 150-200С выше температуры плавления металла электрода, служит активный рафинирующей средой и очищает жидкий металл от неметаллических включений и газов.
Рафинирование металла происходит при контакте металла с высокоактивным шлаком, в основном в пленке металла на оплавляющем конце электрода, а также при прохождении капель электродного металла через шлаковую ванну и на границе раздела шлака и металлической ванны. Изменения состав применяемого шлака, можно эффективно управлять избирательным рафинированием переплавляемого металла от тех или иных примесей, что является весьма важным преимуществом ЭШЛ перед другими процессами литья [165]. Отливка при ЭШЛ кристаллизуется в тонкой корочке шлакового гарни-сажа, благодаря чему она имеет поверхность, как правило, не требующую последующей механической обработки. В результате замедленной и строго направленной кристаллизации небольшого количества жидкого металла обеспечивается его высокая химическая и структурная однородность. Такой металл отличается дисперсным распределением структурных составляющих и неметаллической фазы.
Структурные факторы упрочнения инструментальной стали при циклическом тепловом воздействии
На Лозовском кузнечно-механическом заводе [41] при ЭШП изношенных штампов применяется технология, позволяющая улучшить качество литых заготовок штампов их дополнительным легированием. При этом используют плавящийся композитный электрод, изготовленный из перекованных в штанги и сваренных встык изношенных штампов из стали 5ХНМ и отходов инструментальной стали Р5М5, приваренных вдоль всей длины основного электрода в виде сплошного прутка.
Дополнительно введенные хром, молибден, вольфрам, ванадий при ЭШП практически не выгорают, поэтому дорогостоящий металлолом стали Р6М5 достаточно ввести один раз. Улучшенные характеристики стали сохраняются и при последующем обороте по технологической цепочке.
Результаты исследования механических свойств при повышенных температурах [41] показали, что сталь 5ХНМ (ЭШП) при всех температурах испытания имеет более высокий комплекс механических свойств, чем сталь 5ХНМ (прокат). Сталь типа 5ХНВМФ делегированная отходами Р6М5 при всех температурах испытания обладает долее высокой прочностью, чем сталь 5ХНМ: при 400С sB увеличивается на 220 Н/мм2, при 600С - на 350 Н/мм2. Новая сталь типа 5ХНМВФ имеет более высокую теплостойкость, чем сталь 5ХНМ. Ударная вязкость стали 5ХНМВФ практически не изменяется и составляет около 30 Дж/см2 при всех температурах испытания. Предложенная в работе [41] технология заготовок для штампового инструмента за счет дополнительного легирования позволяет повысить стойкость штампов в два раза.
В работе [181] для ввода легирующих элементов при переплаве к расходуемому электроду приваривали электрод-спутник коробчатого сечения, разделенный перегородками на полости, содержащие легирующие измельченные добавки. В качестве легирующих добавок использовали силикокальций СК25, феррованадий ВД-1 и азотированный марганец МрН1. Такая технология позволяет гарантировать химический состав металла слитков при высоком усвоении легирующих элементов. Однако необходимость изготовления переплавляемых электродов-спутников усложняет конструкцию и снижает производительность процесса переплавки. Поэтому применение такой технологии экономически оправдано только при получении крупнотоннажных слитков ЭШП и крупных штампов.
Дальнейшее повышение качества электрошлакового металла можно обеспечить модифицированием стали в процессе ЭШП [53, 61, 169, 182, 183, 185]. Модификаторы равномерно распределяются в слитке, металл приобретает более дисперсную, плотную структуру без увеличения пористости, а прочность и вязкость стали повышаются, анизотропия свойств уменьшается [169]. Присадка модификаторов на шлак стабилизирует его рафинирующую способность [183]. По данным [53, 61] введение в сталь ЭШП 0,003% Са и 0,039% Се обеспечивает повышение стойкости штампового инструмента в 1,4-1,7 раза. В работе [108] наибольший эффект от модифицирования достигается при введении 0,1 - 0,2% Се и 0,36% смеси церия с карбидом циркония. При использовании конечного раскисления металла высокоактивными элементами (Са, РЗМ) достигается значительное снижение содержания серы и кислорода [183], в процессе ЭШП содержание серы уменьшается от 0,025 до 0,001% [186], колебание состава по объему отливки минимальны относительно обычных отливок и находятся на уровне прокатанного металла.
Однако, несмотря на эффективность влияния ЭШП на пластичность и вязкость литых штамповых сталей, главным недостатком этого метода является то, что получаемые таким методом заготовки требуют такой же механической обработки, как и деформированные кубики, а оборудование для ЭШЛ достаточно сложно и дорого. В институте электросварки им. Е.О.Патона АН УССР разработана технология, позволяющая разделить процесс электрошлакового литья на две стадии: вначале в тигельной печи электрошлаковым способом получают жидкий металл, а затем заливают его в металлическую неохлаждаемую литейную форму вместе со шлаком, использованным в процессе плавки [170, 171, 178]. Такая технология получила название ФЭЛ (фасонное электрошлаковое литье). Перспективным является использование способа ФЭЛ в сочетании со специальными способами литья, например, в кокиль [168, 178-180], это позволяет сэкономить более 3000 руб. (в ценах 1990 г.) на каждой тонне готового инструмента. Стойкость литых вставок ФЭЛ [168] в 1,5 -1,7 раза выше кованых из стали ДИ-22 (4Х4М2ВФС).
В работах [178, 183] показаны перспективы применения электрошлаковой тигельной плавки в области центробежного электрошлакового литья.
Опыт работы Николаевского южнотрубного металлургического завода [179] по производству калибров трубопрокатных станов методом электрошлакового кокильного литья (ЭКЛ) свидетельствует, что себестоимость калибров ЭКЛ в два раза меньше, чем кованых. Изношенные калибры переплавляют в электрошлаковой печи с керамическим тиглем и полученный при этом металл заливают в кокиль вместе со шлаком, получают плотную однородную структуру металла. Литая электрошлаковая сталь 60С2ХФА по механическим свойствам находится на уровне кованой стали этой же марки, полученной открытой выплавкой.
Новый метод получения высококачественных отливок - электрошлаковое кокильное литье (ЭКЛ) - в настоящее время широко применяется на промышленных предприятиях страны для производства заготовок инструмента и деталей машин из металлоотходов [180].
