Розробка металургійних основ ресурсозберігаючих технологій одержання композитних злитків швидкорізальної сталі

22

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна металургійна академія України

УДК 669.14.018.252.3-412:669.045:621.746.6

05.16.02 - Металургія чорних і кольорових металів та спеціальних сплавів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Розробка металургійних основ ресурсозберігаючих технологій одержання композитних злитків швидкорізальної сталі

Головачов Артем Миколайович

Дніпропетровськ - 2008

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Стовпченко Ганна Петрівна, професор кафедри покриттів, композиційних матеріалів і захисту металів Національної металургійної академії України, м. Дніпропетровськ.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук Саєнко Володимир Якович, старший науковий співробітник, провідний науковий співробітник відділу фізико-металургійних проблем електрошлакових технологій Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, м. Київ;

- доктор технічних наук, професор Білоусов Вячеслав Володимирович, професор кафедри фізики нерівноважних процесів, метрології та екології Донецького національного університету, м. Донецьк.

Захист відбудеться: "26" 02.2008 р. в 12.30 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 при Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

С дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

Автореферат розіслано "19" 01.2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук, професор Л.В. Камкіна.

Аннотация

Головачев А.Н. Разработка металлургических основ ресурсосберегающих технологий получения композитных слитков быстрорежущей стали. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.02 - Металлургия черных и цветных металлов и специальных сплавов. Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2007.

Диссертация посвящена теоретическому обоснованию металлургических способов получения композитных слитков быстрорежущей стали и экспериментальной проверке эффективности технологий "жидкий сэндвич" (ЖС) и электрошлаковой наплавки жидким металлом (ЭШН ЖМ) для изготовления металлорежущего инструмента.

В работе проанализированы условия формирования и кристаллизации композитных слитков быстрорежущей стали и установлены параметры технологии, определяющие их качество. Термодинамически оценена стабильность карбидов и рассчитаны равновесные составы фаз в стали Р6М5 и при сниженном содержании легирующих в центральном объеме слитка ЖС.

На основе современных представлений о снижении температуры ликвидус при обогащении расплава вторым компонентом, теоретически показана возможность ее увеличения применением долива более горячей, но менее легированной сталью.

Создана методика и компьютерная программа, позволяющая прогнозировать состав, температуру ликвидус и механические свойства стали, в том числе получаемой смешением двух расплавов в центральной части слитка ЖС.

Сформулирована постановка двухэтапной математической модели формирования композитного слитка в форме сопряженной задачи гидродинамики и теплопереноса. Выполнен численный эксперимент по оптимизации параметров разливки для слитка ЖС, что позволило установить оптимальное время выдержки его долива, температурный интервал заливки стали Р6М5 и массовую скорость доливки.

Выполнено опытно-промышленное опробование технологии разливки композитного слитка ЖС Р6М5+40Х и комплекс испытаний структуры и свойств полученного металла, показавший полное соответствие требованием ГОСТ 19265-73. Результатами исследования тонкой структуры, анализами состава карбидов и дифференциально-термическим анализом подтверждено предсказанное термодинамическим расчетом отсутствие отличий в фазовом составе и характере поведения при нагреве и охлаждении стали наружного (Р6М5) и внутреннего (Р6М5+40Х) слоев.

Производственные испытания инструмента из композитной стали показали полное соответствие нормам резания, принятым для стали Р6М5.

Обоснована и подтверждена экспериментально целесообразность применения метода ЭШН ЖМ для изготовления крупногабаритного инструмента. За счет наличия двух поверхностей охлаждения обеспечивается быстрая кристаллизация быстрорежущей стали с образованием направленных структур и мелким зерном, что позволяет существенно уменьшить или исключить деформацию.

Разработанные технологии получения композитных слитков быстрорежущей стали обеспечивают экономию легирующих и конкурентоспособность изготовляемого инструмента.

Ключевые слова: слиток, быстрорежущая сталь, кристаллизация расплава, ликвация, температура ликвидус, изложница, кристаллизатор, электрошлаковая наплавка, композит, легирующие, структура, карбиды, зерно.

Анотація

Головачов А.М. Розробка металургійних основ ресурсозберігаючих технологій одержання композитних злитків швидкорізальної сталі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеню кандидата технічних наук по спеціальності 05.16.02 - Металургія чорних і кольорових металів та спеціальних сплавів. Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2007.

Дисертація присвячена теоретичному обґрунтуванню металургійних способів отримання композитних злитків швидкорізальної сталі і експериментальній перевірці ефективності технологій "рідкий сандвіч" (РС) і електрошлакового наплавлення рідким металом (ЕШН РМ) для виготовлення металоріжучого інструменту. Термодинамічно оцінена стабільність карбідів і розраховані рівноважні склади фаз в сталі Р6М5 і при пониженому вмісті легуючих в центральному об'ємі злитка РС. На основі сучасних уявлень про зниження температури ліквідус при збагаченні розплаву другим компонентом, теоретично показана можливість її збільшення застосуванням долива більш гарячою, але менш легованою сталлю. Створена методика і комп'ютерна програма, що дозволяє прогнозувати склад, температуру ліквідус і механічні властивості сталі. За допомогою двохетапної математичної моделі проведений чисельний експеримент по оптимізації параметрів розливання композитного злитка РС. Технологія розливання композитного злитка РС Р6М5+40Х опробована в промислових умовах. Комплекс випробувань структури і властивостей одержаного металу показав повну відповідність вимогою ГОСТ 19265. Виробничі випробування інструменту з композитної сталі показали повну відповідність нормам різання, прийнятим для сталі Р6М5. Показано, що при ЕШН РМ за рахунок наявності двох поверхонь охолоджування утворюється дрібне зерно, що дозволяє виключити деформацію при виготовленні великогабаритного інструменту. Розроблені технології отримання композитних злитків швидкорізальної сталі забезпечують економію легуючих і конкурентоспроможності інструменту, що виготовляється.

Ключеві слова: розливання, виливниця, злиток, композит, швидкорізальна сталь, кристалізація розплаву, ліквація, температура ліквідус, електрошлакове наплавлення, економія легуючих, структура, карбіди, розмір зерна.

Summary

Golovachov А.М. Development of Metallurgical Fundamentals of Resource-saving Technologies of Composite Ingots making from High Speed Steel. - Manuscript.

Dissertation for the Degree of Candidate of Engineering Sciences, Speciality 05.16.02 - Metallurgy of Ferrous and Non-ferrous metals and special alloys - National metallurgical academy of Ukraine, Dnipropetrovsk, 2007.

Dissertation is devoted to theoretical basics of metallurgical methods on making the composite ingots of high speed steel and experimental estimation of effectiveness of both "Liquid Sandwich" (LS) and Electro Slag Surfacing by Liquid Metal (ESS LM) technologies for production of metal cutting tools. Stability of carbides and the equilibrium compositions of phases in steel W6Mo5 (M2) and in steel with reduced content of alloying elements, which formed in central volume of LS ingot, have been thermodynamically evaluated. On basis of recent theories of lowering of liquidus temperature at enriching of the alloy by the second component it was shown the theoretical possibility to increase it by use of addition of much hot but less alloyed alloy. There were methodic and software created that allows us to forecast the composition, liquidus temperature and mechanical properties of steel. Due to two-step mathematic model the numeral experiment was done for optimization of parameters of LS composite ingot casting. Technology of pouring of LS composite ingot W6Мo5+42Cr4 (5140) was tested in industry. Number of tests of structure and properties of produced metal showed complete correspondence to GOST 19265 requirements. Industrial tests of tools from composite steel shown full correspondence to norms of cutting accepted for steel W6Мo5. It is shown that there is a small grain created with ESS LM due to the fact that there are two cooling surfaces that allows us to exclude deformation when producing of large dimension tools. The developed technologies of manufacture of composite high-speed steel ingots allow to save alloying elements and the competitiveness of produced tools.

Key words: pouring, mold, ingot, composite, high speed steel, melt crystallization, liquation, liquidus temperature, electroslag surfacing, alloying economy, structure, carbides, grain size.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. Сьогодні рівень розвитку металургії країни (разом з питомим випуском сталі) визначається часткою виробництва високоякісних легованих сталей (корозійностійких, жароміцних, конструкційних і т.п.) і високотехнологічних і економічних профілів (максимально наближених до розміру і форми готового виробу). Активно ведеться розробка нових ефективних сталей і металургійних технологій їх виробництва (отримання тонкого листу, стрічки та ін.), а також створення композитних матеріалів, для забезпечення зростаючих вимог до металопродукції у всіх галузях промисловості. Металургія - одна з найбільш ресурсо- і енерговитратних галузей і, отже, одночасно з вирішенням задач поліпшення споживчих властивостей металопродукції нагальним є економне використання ресурсів, зокрема дефіцитних легуючих елементів, а також зниження кількості технологічних операцій.

У машинобудуванні і металообробці високі службові властивості і економічність інструменту (які визначаються видом сталі і технологією її виготовлення), на ряду зі зменшенням трудомісткості його виготовлення, дозволяють забезпечити конкурентоспроможність деталей. Широко поширені в практиці різання метала швидкорізальні інструментальні сталі містять велику кількість легуючих елементів (у найпоширенішій марці Р6М5 їх частка складає 16-18,5%). Виділення дрібнодисперсних карбідів вольфраму, молібдену, ванадію і хрому дає швидкорізальній сталі поєднання високої твердості (64-65 HRC), теплостійкості (873-923 К), міцності (ув изг~3000-3500 МПа) і ударної в'язкості (КСU~0,3-0,4 МДж/м²). Комплекс цих властивостей забезпечує притаманні сучасним технологіям металообробки швидкості різання, проте великий вміст легуючих зумовлює високу вартість сталі.

Аналіз сортаменту і існуючих металургійних способів виробництва швидкорізальних сталей показує перспективність використання композитної, в т.ч. біметалевої швидкорізальної сталі замість традиційної монолітної. Це зумовлено тим, що найчастіше продуктивно використовується тільки робочий шар ріжучого інструменту і виготовляти весь виріб з високолегованої сталі не економічно. Створення композитних злитків з шарами, що мають різний хімічний склад і властивості, є вельми раціональним способом виробництва нових сталей, оскільки дозволяє виробляти композитний (біметалевий) прокат на діючому технологічному обладнанні металургійних підприємств. Тому, запропоновано випробувати металургійні технології виробництва композитних злитків швидкорізальної сталі, що відливають за схемами "рідкий сандвіч" (РС) і електрошлакового наплавлення рідким металом (ЕШН РМ).

Досліджені металургійні способи отримання композитних злитків швидкорізальних сталей є високопродуктивними, забезпечують істотну економію легуючих елементів і заданий рівень властивостей інструменту, що гарантує конкурентоспроможність його і робить актуальною тему даної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами і напрямами. Тема роботи відповідає пріоритетному напрямку розвитку науки і техніки України "Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі" і планам НДР Національної металургійної академії України "Дослідження режимів розкислення сталі Св-08 у напівспокійному варіанті для підвищення технологічності виробництва" (ДР№0103U003776), "Розробка і засвоєння економічних режимів розкислення сталі з метою стабілізації якості металопрокату і підвищення експлуатаційної надійності коліс" (ДР№0104U004962), "Розробка і дослідження технології виробництва експериментальної промислової партії економнолегованої багатошарової швидкорізальної сталі" (ІНТМ-ДСС №750Д(01).

Об'єкт дослідження - виробництво композитних злитків з швидкорізальної сталі по схемі "рідкий сандвіч" та електрошлаковим наплавленням рідким металом.

Предмет дослідження - вплив технологічних параметрів (РС - швидкість розливання, температура і співвідношення мас основного і доливаного розплавів; ЕШН РМ - сила струму, напруга, швидкість витягування) на металургійну якість злитків і властивості продукції, закономірності фазо- і структуроутворення при формуванні і твердненні злитків композитної швидкорізальної сталі.

Мета дослідження. Створення економічних металургійних технологій виробництва композитних злитків швидкорізальних сталей на основі моделювання фізико-хімічних процесів формування злитків і встановлення зв'язку між параметрами розливання і якістю металопродукції.

Для досягнення поставленої мети в роботі поставлені наступні задачі:

Проаналізувати умови формування і кристалізації композитних злитків з швидкорізальної сталі за двома запропонованими способами і визначити параметри, що визначають їх якість.

На основі термодинамічного аналізу оцінити стабільність карбідних фаз при характерних температурах (кристалізація і експлуатація) в системі сталей Р6М5 і при зменшеному вмісті легуючих (Р6М5+40Х).

На основі сучасних уявлень про зниження температури ліквідус при збагаченні розплаву другим компонентом теоретично проаналізувати хід кристалізації при зміні складу серцевини злитка.

Створити методику і комп'ютерну програму для розрахунку складу внутрішнього шару композиту, що одержують за технологією РС і прогнозування властивостей металопродукції.

Сформулювати постановку задачі і граничні умови для математичного моделювання процесу формування і тверднення композитного злитка РС.

Виконати обчислювальний експеримент з використанням математичної двохетапної моделі у вигляді зв'язаної задачі гідродинаміки і теплопереносу стосовно умов формування злитка РС для оптимізації параметрів його розливання.

Випробувати технологію отримання композитних злитків швидкорізальної сталі методами РС в умовах ВАТ "Електрометалургійний завод "Днепроспецсталь" ім. О.М. Кузьміна".

Виконати комплекс досліджень структури (макро- і мікроструктура, морфологія карбідів) композитної швидкорізальної сталі, одержаної за технологією РС і оцінити характер фазових перетворень в її шарах.

Виконати виробничі випробування стійкості інструменту, одержаного з композитної швидкорізальної сталі.

Експериментально випробувати технологію ЕШН РМ швидкорізальної сталі на заготівку з конструкційної і дослідити її якість (макро- і мікроструктуру, карбіди, розмір зерна).

Оцінити економічну ефективність технологічних процесів виробництва швидкорізальної композитної сталі по методу РС і наплавленням методом ЕШН РМ.

Методи досліджень. У роботі використані сучасні розрахункові і експериментальні методи досліджень. Термодинамічні розрахунки фазової стабільності карбідів і рівноважного складу в системах сталей Р6М5 і Р6М5+40Х виконані з використанням програмного продукту Outokumpu HSC Chemistry версії 5.1. Для оптимізації процесу розливання і тверднення сталевих злитків виконані чисельні експерименти з використанням математичної моделі, яка розроблена Дніпродзержинським державним технічним університетом. Металографічні дослідження якості металу проведені за стандартними методиками, котрі забезпечують співставність одержаних результатів. Оцінку балу зерна і карбідної неоднорідності виконували по ГОСТ 19265. Процеси, що проходять в структурі сталі при охолоджуванні і нагріві, досліджували методом диференціально-термічного аналізу на лабораторній установці. Визначення розподілу карбідів різного складу виконане методом диференційованого травлення. Всі експериментальні визначення виконані з використанням повірених приладів. Дослідження тонкої структури металу і аналіз складу карбідів виконані по методикам і на устаткуванні незалежних організацій (Силезьська політехніка (Польща), Пекінський університет науки і технологій (КНР)).

Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:

- висунена і підтверджена експериментальною перевіркою для сталі Р6М5 гіпотеза про можливість отримання композитних швидкорізальних сталей методами РС і ЕШН РМ;

- термодинамічним аналізом стабільності карбідів в системі "С-Fe-легуючий елемент" і порівнянням рівноважного складу сталей Р6М5 і менш легованої (Р6М5+40Х), що утворюється при доливанні сталі 40Х в об'єм рідкої сталі Р6М5, в широкому діапазоні температур (900 - 1700 К) показана ідентичність складу фаз і характеру зміни їх співвідношення, що дає можливість проводити подальшу переробку злитків за діючою технологією;

- вперше в розвиток уявлень про лікваційне зниження температури ліквідус в ході нерівноважної кристалізації сплавів показана можливість її збільшення в центральному об'ємі злитка швидкорізальної сталі Р6М5 шляхом доливання її більш гарячою, але менш легованою сталлю 40Х. Розрахункова різниця між фактичною температурою і температурою ліквідус нової сталі змішаного складу буде становити 2-4 градуси, в результаті чого композитний злиток затвердіє раніше;

- вперше обчислювальним експериментом на двохетапній математичній моделі (в формі зв`язаної задачі гідродинаміки і теплопереносу) формування двошарового злитка досліджено вплив технологічних параметрів його розливання з доливанням після часткової кристалізації (температура розплавів, тривалість витримки першого розплаву, масова швидкість розливання другого) на взаємопов'язані процеси перемішування розплавів і тверднення. Встановлені оптимальні параметри умов розливання для одержання якісного композитного злитка сталі Р6М5 (масою 3,6 т, висотою 2,3 м) при об`ємі сталі, що доливають 16%: час витримки до доливання 8 хв., температура розливання Р6М5 1793 - 1853 К, масова швидкість доливання сталі 40Х - 19,3 кг/с;

- вперше показано, що при формуванні композитного злитка швидкорізальної сталі методом ЕШН РМ наявність двох фронтів кристалізації забезпечує одержання в литому шарі дрібного зерна (бал 8-9), що робить злиток придатним без деформації для виготовлення великогабаритного інструменту.

Практичне значення одержаних результатів:

- закономірності, що відмічені при аналізі термодинаміки формування фаз, і особливості нерівноважної кристалізації сплавів, можуть бути використані для прогнозування процесів формування литих композитів інших типів (злитків корозійностійких, жаростійких сталей, тощо);

- розроблена програма, що містить базу даних складів і фізико-механічних властивостей швидкорізальних (ГОСТ 19265) і розповсюджених конструкційних і інструментальних сталей, дозволяє прогнозувати склад, температуру ліквідус і механічні властивості сталі, яка є результатом змішування двох інших в різних співвідношеннях. Програмний продукт використовується в учбовому процесі в НМетАУ при підготовці студентів спеціальності "Електрометалургія" і "Композиційні і порошкові матеріали, покриття";

- встановлений зв'язок між технологічними параметрами розливання сталі за технологією РС і металургійною якістю композитного злитка дозволяє оптимізувати процес його одержання, в тому числі при зміні маси злитка і складу сталей, що використовуються;

- розроблена тимчасова технологічна інструкція по виробництву композитної швидкорізальної сталі за технологію РС Р6М5-ДСБ. За результатами дослідно-промислового випробування технологія РС одержання двошарової композитної швидкорізальної сталі рекомендована ВАТ Дніпроспецсталь ім. О.М. Кузьміна до впровадження;

- промисловими випробуваннями інструменту (мітчики, свердла, машинні розвертки), виготовленого з композитного злитка, відлитого за технологією РС, показано його повну відповідність нормативним вимогам, що підтверджує ефективність технології їх одержання;

- ЕШН РМ забезпечує виготовлення композитних злитків швидкорізальної сталі з діаметром, який є максимально наближеним до діаметру великогабаритного інструменту, що значно скорочує кількість технологічних операцій при його виготовленні;

- розроблені технології одержання композитних злитків швидкорізальної сталі методом РС і ЭШН РМ забезпечують економію легуючих елементів на 10-13% и 20-50% відповідно.

Документи, що підтверджують використання результатів роботи наведені в додатках до дисертації.

Особистий внесок претендента. Дисертація є самостійною роботою автора, яка заснована на результатах досліджень опублікованих раніше. Основні ідеї роботи, постановка задач, обґрунтування запропонованого нового підходу і основних допущень, теоретичні викладення, методика і реалізація чисельного дослідження процесу формування двошарового злитка на математичній моделі, аналіз одержаних результатів і формулювання висновків за результатами проведених досліджень належать автору. Автор не використовував в роботі ідей і розробок, що належать співавторам спільно опублікованих робіт.

Апробація результатів роботи: Основні положення і результати досліджень, узагальнені в дисертації, були доповідені, обговорені і одержали позитивну оцінку на Міжнародних і регіональних конференціях і семінарах: 45 Міжнародний науковий семінар по моделюванню і оптимізації композитів "Комп'ютерне матеріалознавство і забезпечення якості" (м. Одеса, Україна, 2006 р.), 7 Міжнародна наукова конференція "Nove Technologie i osiagniecia w metalurgii I inzynierii materialowej" (м. Ченстохова, Польща, 2006 р.), 4 Московська Міжнародна конференція „Теорія і практика технології виробництва виробів з композиційних матеріалів і нових металевих сплавів" (м. Москва, Росія, 2005 р.), Молодіжні науково-практичні форуми "Інтерпайп-2005", "Інтерпайп-2006" і "Інтерпайп-2007", Міжнародна конференція "Modern technologies and modelling of manufacturing processes of wires and wires products" (м. Закопане, Польща, березень, 2005 р.), Міжнародні симпозіуми Хорватської металургійної спілки SHMD'2004 і SHMD'2006, 2 Міжнародна науково-технічна конференція "Молода академія 2005" (м. Дніпропетровськ, Україна, 2005 р.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 3 статтях в спеціалізованих наукових журналах, 10 матеріалах і тезах доповідей науково-технічних конференцій. Список опублікованих праць наведений в авторефераті.

Структура дисертації. Робота складається з введення, п'яти розділів, висновків і трьох додатків. Основний зміст викладений на 137 сторінках машинописного тексту, в тому числі 54 малюнків, 19 таблиць, список використаних джерел з 221 найменувань, 3 додатки.

На захист виносяться:

встановлену закономірність впливу параметрів технології розливання швидкорізальної сталі Р6М5 і доливання її конструкційною сталлю 40Х (температура сталей, тривалість витримки до доливання і його масова швидкість) на взаємопов'язані процеси тверднення і перемішування розплавів для оптимізації параметрів технології розливання і структури композитного злитка;

гіпотеза про можливість подолання лікваційного зниження температури початку кристалізації (ліквідус) в ході нерівноважної кристалізації сплавів, що максимально виявляється в центральному об'ємі злитка, доливанням його прибуткової частини більш гарячою, але менш легованою сталлю;

новий підхід і програмне забезпечення для розрахунку температури ліквідус і прогнозу механічних властивостей по хімічному складу сталі, зокрема, який утворюється змішуванням двох відомих марок в об'ємі злитка, що є частково закристалізованим, за технологією РС.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, дана оцінка сучасного стану питання, сформульована мета роботи і визначені основні завдання дослідження, описаний об'єкт, предмет і методи дослідження, наведена наукова новизна і практична цінність одержаних результатів.

У першому розділі проведений аналіз даних сучасних наукових джерел, щодо впливу основних легуючих елементів на структуру (величину зерна, кількість, характер розподілу і морфологію карбідів) і механічні властивості швидкорізальної сталі. Розглянуто послідовність формування структури литої швидкорізальної сталі в процесі кристалізації, від якої залежіть формування її фізико-механічних властивостей. Зі зробленого огляду витікає, що цілеспрямований вплив на структуроутворення при кристалізації (перш за все модифікуванням і зміною умов охолодження) дозволяє забезпечити структуру швидкорізальної сталі, яка сприяє підвищенню працездатності інструменту.

Проаналізовані існуючі технології отримання швидкорізальних сталей, найпоширенішими з яких є суто металургійні способи (виплавка злитків) і способи порошкової металургії. Встановлено, що перспективними напрямками економії легуючих є одержання композитів з формуванням їх з рідкого/твердорідкого стану. Проаналізовано сучасні способи одержання композитних матеріалів, зокрема у виробництві швидкорізальних сталей.

На підставі проведеного аналітичного огляду встановлено, що до актуальних сучасних напрямків вдосконалення всіх видів технології виробництва швидкорізальної сталі слід віднести методи, що дозволяють забезпечити дисперсну структуру і рівномірний розподіл карбідів в швидкорізальної сталі, в т. ч. шляхом направленої кристалізації і дисперсного зміцнення матриці зі заданим градієнтом властивостей, а також максимальне наближення заготівки до розміру готового інструменту і здешевлення виробництва. Намічені шляхи пошуку раціональних технологічних рішень для виробництва композитних швидкорізальних сталей, які і стали задачами даного дослідження.

У другому розділі теоретично проаналізовані процеси структуро і фазо утворення при кристалізації швидкорізальної сталі. Виконаний аналіз стабільності карбідів при характерних температурах (кристалізація, експлуатація) в системі сталі Р6М5 и при зменшеному вмісті легуючих, в системі сталі Р6М5+40Х. Показано, що карбіди всіх присутніх в сталі Р6М5 легуючих елементів (W, Mo, V, Cr) є стійкими сполуками при температурах різання швидкорізальною сталлю (максимум 900С). При температурі близькій до ліквідус (1700 К) термодинамічна можливість утворення карбідів ванадію, вольфраму и молібдену зберігається, в той час як карбіди хрому є нестійкими - їх розчинення в матриці при нагріві підтверджується практикою термообробки.

Виконані розрахунки рівноважного складу при змінені температури для систем з вмістом елементів, що є принадними сталі Р6М5 і сталі внутрішнього шару (при доливанні 16% маси злитка сталі 40Х) зі зниженим вмістом легуючих. Показано, що в другому випадку маса твердого розчину і кількість заліза дещо більша, а кількість всіх видів карбідів дещо менша за рахунок меншого вмісту легуючих. Однак, при цьому зміни складу і порядку виділення фаз в системі не відбувається. Аналіз розрахункових даних показує, що склад карбідів, що утворюються є однаковим, а його зміна при підвищенні температури є аналогічним для обох сталей, що є передумовою схожої поведінки сталі змішаного складу Р6М5+40Х зі сталлю Р6М5 при нагріванні і охолодженні, а також, можливо, її близьких механічних властивостей.

Виконаний теоретичний аналіз процесів лікваційного перерозподілу елементів в об'ємі сплаву, що кристалізується. Показано протиріччя відомих теорій про процес виникнення концентраційного переохолодження. Теоретично обґрунтована схема розподілу температур в процесі кристалізації.

Згідно запропонованої схеми в результаті підвищення концентрації лікватів температура кристалізації пограничного шару (д) нижча за температури ліквідус металу шару, що затвердів і рідкого об'єму злитка.

Накопичення домішки біля міжфазової межі з утворенням розплаву складу зі зниженою температурою початку кристалізації веде до необхідності створення додаткового термічного переохолодження розплаву цього складу.

Якщо ж понизити концентрацію домішки в центральному об'ємі і підвищити тим самим характеристичну температуру початку тверднення, то можна прискорити кристалізацію злитка, створивши умови для зростання рівновісних кристалів. Така можливість створюється використанням технології доливанню розплаву іншого складу відомої під назвою РС. Приклад розрахунку характерістічніх температур ліквідус (по Хау і діаграмам стану) при одержанні двошарової швидкорізальної сталі Р6М5 з доливанням внутрішнього об'єму сталлю 40Х (таблиця 1) показує, що ліквідус нової сталі, порівняно зі сталлю Р6М5, є на 13 градусів вищим.

металургійний злиток сталь

Таблиця 1

Різниця між фактичною температурою і ліквідус в центральному об'ємі злитка при доливанні

Сталь	Частка сталі, одиниць	Фактична температура, Тф, К	Температура ліквідус Тл, К	Різниця між Тф і Тл, К
Р6М5	1,0	1715	1715	0 (без врахування ліквації)
40Х	1,0	1783-1793	1763	-
Р6М5+40Х	0,77 + 0,23	1730-1732	1728	2-4

Мінімальна температура розливання сталі 40Х 1780-1800 К (Тл 1763 К +20-30 град). Середня фактична температура рідкого об'єму змішаних сталей, за правилом адитивності, дорівнюватиме 1730-1732 К.

Отже, з одного боку, відбувається підвищення фактичної температури рідкого залишку на 15-17 градусів через доливання гарячішаю сталлю. З другого боку, остання має і вищу температуру ліквідус, завдяки чому температура початку кристалізації сталі змішаного об'єму підвищується на 13°. Таким чином, різниця між ліквідусом розплаву нового складу і його фактичною температурою складе 2-4 градуси. Такий невеликий перегрів в реальних умовах кристалізації може бути знятий дуже швидко, а при значному тепловідведенні в об'ємі змішаного розплаву може виникнути і об'ємна кристалізація.

Створили методику та комп'ютерну програму "Steel mixer", що дозволяє на основі відомих залежностей розрахувати динаміку зростання твердого шару, хімічний склад змішаної сталі з урахуванням масового співвідношення початкової сталі, що не затверділа з доливанної, температури ліквідус сталі і прогнозувати основні фізико-механічні властивості для одержаної змішанням сталі шляхом порівняння з найближчою за хімічним складом.

Для оцінки достовірності обчислення програмою об'ємів шарів композиту при різному часі кристалізації до доливання, виконали порівняння з приведеною реальною товщиною зовнішнього шару в злитку виробництва ВАТ Дніпроспецсталь ім. О.М. Кузьміна. Значення товщини шару, що закристалізовувався, склав 63 -71 мм в реальному злитку, проти 62 - 64 мм розрахованих за програмою. Відносна помилка розрахунку не перевищує 7%. Погрішність обчислення хімічного складу змішаної сталі програмою порівнянню з реальними даними для того ж композитного злитку складає від 5 до 39%. З урахуванням того, що різниця між верхньою і нижньою межею вмісту елементів в сталі Р6М5 складає, наприклад, по кремнію (0,2-0,5) - 60%, можна вважати прогнозований програмою результат цілком задовільним.

В третьому розділі сформульована постановка математичної моделі двохстадійного процесу заливки виливниці і виконаний обчислювальний експеримент, в якому досліджували вплив технологічних параметрів розливання на структуру зливка РС.

Математична модель у формі зв'язаної задачі гідродинаміки і теплопереносу в процесі тверднення двошарового злитка швидкорізальної сталі базується на системі рівнянь Навье-Стокса для в'язкої нестискуваної рідини при :

,

де P - тиск,

с - густина розплаву,

нэ - ефективний коефіцієнт в'язкості, який враховує турбулентний характер руху рідини,

- вектор сили тяжіння,

= {Vr, Vz} - вектор швидкості металу) і диференційному рівнянні тепло переносу

,

де - час,

Т - температура рідкого металу,

л - коефіцієнт теплопровідності,

с - теплоємність,

Q - теплота плавлення/кристалізації.

При моделюванні впливу основних параметрів технології розливання на умови затвердіння злитка варіювали час його витримки до доливання (від 4 до 13 хв.), температури обох сталей (Р6М5: 1773 - 1913 К; 40Х: 1823 - 1923 К), масову швидкість доливання ( від 9, 7 до 29 кг/с).

На основі результатів чисельного експерименту встановлено, що:

- температура першого розплаву майже не впливає на швидкість руху потоків, але закономірно зменшує товщину затверділого шару з 45-60 мм до 30-45 мм (4 хв. витримки), з 75-90 мм до 60-75 мм (8 хв. витримки) і з 90-105 мм до 75-90 мм (12 хв. витримки), при температурах заливки 1773 К і 1873 К, відповідно;

- для отримання найбільш рівномірного по висоті злитка зовнішнього шару 60 мм завтовшки оптимальною є температура 1793- 1853 К і час витримки 8 (±1) хвилин;

- збільшення часу витримки (рис. 4) приводить до зростання товщини твердого шару (при оптимальній температурі через 8 хв. - 60-75 мм, через 12 хв. - 75-90 мм), проте, надмірне потовщення його обмежує допустимий інтервал витримки;

- в процесі доливання в рідкому об'ємі злитка виникають висхідні і низхідні потоки і вихори, що перемішують розплав. При цьому висхідні потоки знайдені поблизу затверділого шару (на відстані від стінки виливниці 60-75 мм) на верхніх горизонтах злитка для всіх розглянутих тривалостей доливання і на горизонтах 10-20% висоти злитка для двох найінтенсивніших варіантів організації процесу, що є підтвердженням повноти змішування розплавів.

Порівняння розрахункових даних з результатами вимірів товщини шарів в металі прокату злитка дослідно-промислового випробування, а також зіставлення із значеннями, розрахованими за законом квадратного кореню показує їх задовільний збіг.

У четвертому розділі наведена методика і результати дослідно-промислового випробування технології отримання композитних злитків за способом РС в умовах електрометалургійного заводу ВАТ "Дніпроспецсталь" ім. О.М. Кузьміна.

Двошаровий злиток швидкорізальної сталі виготовили відповідно до тимчасової технологічної інструкції ВТІ 143-СР-8-01, розробленої з урахуванням результатів, відображених в даній роботі.

Для отримання композитного злитка, масою 3,6 тонни, сталь Р6М5 розлили до рівня прибуткової надставки в виливницю, витримали протягом 8 хвилин для її кристалізації і долили зверху сталь 40Х. Одержана сталь була промаркована Р6М5 - ДСБ.

Встановлено, що деформація шарів (зовнішнього і внутрішнього, менш легованого) пройшла з пропорційною зміною товщин; на прокаті діаметром 14 мм товщина поверхневого шару становить 0,7-1,0 мм.

Виконано комплекс випробувань композитного металу Р6М5 - ДСБ на відповідність ГОСТ 19265-73 (таблиця 2).

Таблиця 2

Результати оцінки структури композитної швидкорізальної сталі РС по переділам

Профіль, мм.	Карбідна неоднорідність, бал	Величина зерна, номер
		Р6М5	Р6М5+40Х
? 90	4 (6)	9-10	8 (10)
? 100	4 (7)	10	8-10 (10)
? 120	4 (7)	9	8 (10)
85	6 (6)	9	8-7 (10)
105	6 (7)	9	8-7 (10)
55	-	10	10 (10)
22	-	10	10 (9)

Примітка: В дужках вказані максимально допустимі значення по ГОСТ 19265.

Твердість композитної швидкорізальної сталі по діаметру прутка не перевищує 255 НВ. Після термообробки твердість зразків композитної швидкорізальної сталі зовнішнього і внутрішнього шару мають розбіжності, що не перевищують 1-2 од. HRC. Твердість внутрішнього шару 59-61 HRC є достатньою для забезпечення ефективного процесу різання.

Ударна в'язкість композитної швидкорізальної сталі дещо вища за монолітну (до 0,5 кг м/см² проти 0,3-0,4 кг м/см²), за рахунок наявності внутрішнього більш пластичного шару. При цьому впливу зони з'єднання шарів на характер зламу не знайдено.

Красностійкість композитної швидкорізальної сталі (по витримці зразків при 620°С протягом 4 годин) була не нижча за 56 HRC у всіх шарах композиту.

Таким чином зроблено висновок, що композитна швидкорізальна сталь Р6М5 - ДСБ за всіма показниками відповідає вимогам ГОСТ 19265.

Методами традиційної металографії, а також диференційованим травленням металу, рентгеноструктурним аналізом і методами електронної мікроскопії і енергодисперсійного аналізу розглянуті особливості фазового складу і тонкої структури в зразках сталі РС. Показано, що карбідна фаза в сталі змішаного шару РС представлена складнолегованими карбідами Me6C, MeC і Me23C6, що є аналогічними до карбідів сталі Р6М5, що підтверджує висновки термодинамічних розрахунків.

Диференціально-термічним аналізом показано відсутність суттєвих відмінностей на кривих нагріву і охолодження в координатах точок фазових перетворень сталі змішаного складу, що свідчить про можливість ведення термообробки сталі РС по режимах, прийнятих для сталі Р6М5 і є непрямим підтвердженням повноти змішання сталей Р6М5 і 40Х (відсутність локальних ділянок сталі 40Х) при доливанні.

Виготовлення і випробування інструменту з композитної швидкорізальної сталі, одержаного по методу РС проводили на ЗАТ "Запорізький інструментальний завод ім. Войкова" (мітчики - конструкція по ГОСТ 3266: М 20х2,5 і М20х1,5) і ВАТ "Вінницький інструментальний завод" (машинні розгортки 16Н7, конструкція по ДСТ 1672 - 80; свердла спіральні з цільним хвостовиком діаметром 10,5 мм, конструкція по ГОСТ 10902 - 77). Всі інструменти успішно пройшли комплекс випробувань на працездатність і якість різання.

Розрахунок економічної ефективності виробництва композитної швидкорізальної сталі за технологією РС показав, що собівартість однієї тони швидкорізальної композитної сталі, за рахунок економії дорогих легуючих елементів, на 10% (3257,25 грн.) менша, ніж сталі марки Р6М5.

У п'ятому розділі приведена технологія і результати дослідно-промислового випробування отримання композитного злитка електрошлаковим наплавленням рідким металом (ЕШН РМ). Спосіб включає наплавлення під шаром шлаку швидкорізальної сталі на стрижень з конструкційної. Особливість процесу наплавлення на тверду вісь полягає у тому, що опір шлаку в горизонтальному напрямку менший (приблизно у 2 рази через різницю товщини) і, тому, основна частина струму йде по вісі, що забезпечує підплавлення її поверхні і внаслідок чого з'єднання шарів відбувається з рідкого стану.

Дослідженнями металургійної якості злитків, показано відсутність в зоні сплавлення будь яких розшарувань, залишків шлаку, неметалевих включень і оксидних плівок. З'єднання вісьової вставки і наплавленого шару на всіх досліджених злитках суцільне рівномірне з вираженою межею розділу шарів. Поверхня злитка гладка з характерним для заготівок ЕШП рельєфом, без дефектів, що утрудняють її механічну обробку.

Завдяки специфічності кристалізації композитного злитка при ЕШН РМ (висока температура сталі, високі швидкості охолоджування, наявність внутрішнього холодильника і ін.) в структурі наплавленого шару формуються два шари з напрямом зростання дендритів перпендикулярно обом співісним поверхням тепловідводу (з боку мідного кристалізатору і внутрішньої вставки), що добре ілюструється фото мікроструктури зони сплавлення шару швидкорізальної сталі (темніший), що наплавляється, із заготівкою зі сталі 40Х.

Завдяки наявності двох фронтів кристалізації одержаний метал з досить дисперсною литою структурою наплавленого шару і рівномірним розподілом і розміром карбідів. Така структура дає можливість знизити ступінь деформації заготівки, а в разі одержання 7-8 балу зерна - виключити її повністю. На поточних злитках використанням термообробки вдалося роздробити зерно до 8-9 балу, причому найбільше подрібнення зерна спостерігається в зовнішньому шарі заготівки, який при виготовленні великогабаритних протяжок або черв'ячних фрез буде робочим шаром інструменту.

Важливим є те, що розміри заготівки, що виплавляється, і товщина робочого шару можуть бути максимально наближені до необхідних в готовому виробі - діаметр композитної заготівки, що виплавляється, слід вибирати по діаметру інструменту, що виготовляється, - фрез, протяжок, розгорток і ін. з припуском на шліфувальні роботи.

Економічно ефективним є як виробництво композитних злитків ЕШН РМ (прибуток 6 782 грн./т), так і використання споживачем інструменту з них (зниження затрат на 3978 грн./т).

Висновки

1. В результаті виконаних в роботі досліджень вирішена важлива науково-прикладна задача - розроблені, теоретично обґрунтовані металургійні основи і експериментально перевірені ресурсозберігаючі технології одержання композитних злитків швидкорізальної сталі.

Аналіз сучасних технологій виробництва швидкорізальних сталей, їх властивостей, а також способів отримання композитних литих матеріалів показав, що перспективними є методи, які дозволяють: подрібнити структуру швидкорізальної сталі шляхом застосування направленої і прискореної кристалізації; максимально наблизити розмір злитка або заготівки до розміру інструменту, що виготовляється; понизити витрату легуючих елементів при збереженні високої працездатності інструменту.

2. Термодинамічним аналізом діаграм фазової стабільності встановлено, що при максимальній короткочасній температурі експлуатації інструменту (900 К) при парціальному тиску заліза (logPFe=-5) стабільність карбідів зберігається в інтервалі парціального тиску (logPFe): W 0-22, Mo 0-17, V і Cr 0-7(-8). При температурах близьких до температури ліквідус (1700 К) і logPFe=-5 інтервал стабільності карбідів (logPFe) звужується: W 0-20, Mo 0-12, V 0-11, Cr 0-5. Мінімальна стійкість карбідів хрому підтверджується практикою їх розчинення при високотемпературній термічній обробці. Розрахунком рівноважного складу сталей марок Р6М5 і змішаної у широкому діапазоні температур показана відсутність відмінностей у складі фаз і температурної залежності зміни їх співвідношення.

3. На основі аналізу існуючих уявлень про лікваційне зниження температур початку затвердіння (ліквідус) в ході нерівноважної кристалізації сплавів запропонований спосіб збільшення температури ліквідус в центральному об'ємі злитка швидкорізальної сталі Р6М5 шляхом доливання його гарячішаю, але менш легованою сталлю 40Х. При розбавленні рідкого об'єму злитка Р6М5 (77% суми розплавів) доливанням металу в об'ємі прибуткової надставки (23%) температура ліквідус підвищується до 1455°С, що на 13°С вище за ліквідус сталі Р5М5 (1442°С). Різниця між ліквідусом розплаву нового складу і його фактичною температурою складе 2-4 градуси.

4. Розроблена методика оцінки і програмне забезпечення для визначення температури ліквідус і прогнозу механічних властивостей по хімічному складу сталі, зокрема, що утворюється змішанням двох відомих марок в об'ємі злитка, яки є частково закристалізований. Максимальна помилка прогнозу температури ліквідус сталі Р6М5 проти величини по діаграмі стану - до 25 градусів при максимальному вмісті вуглецю і легуючих елементів. Для сталі Р18 - 3-10 градусів. Відносна помилка розрахунку товщини шару, що закристалізувався, за програмою розрахунку не перевищує 7% (62-64 мм проти 63 -71 мм в реальному злитку). Погрішність визначення хімічного складу змішаної сталі складає 539 %, що знаходиться у межах марочного вмісту.

5. З використанням математичної моделі у формі зв'язаної задачі гідродинаміки і теплопереносу формування двошарового злитка чисельно досліджено вплив технологічних параметрів розливання злитка сталі Р6М5 і доливання його сталлю 40Х (температура сталей, тривалість витримки перед доливанням і його масова швидкість) на хід затвердіння і характер потоків. Встановлені оптимальні параметри технології розливання композитного злитка сталі Р6М5 (маса 3,6 т, висота 2,3 м) при об'ємі сталі 40Х, що долили, 16%: час витримки до доливання 8 хвилин, температура заливки Р6М5 1793 - 1853 К, масова швидкість доливання сталі 40Х - 19,3 кг/с.

6. На електрометалургійному заводі ВАТ "Дніпроспецсталь" ім. О.М. Кузьміна одержали злиток двошарової швидкорізальної сталі масою 3,6 тони шляхом доливання сталі 40Х у виливницю заздалегідь наповнену сталлю Р6М5 по роз'єм прибуткової надставки. Розроблена тимчасова технологічна інструкція ВТІ 143-СР-8-01 "Тимчасова технологічна інструкція по виробництву злитків масою 3,6 тонни багатошарової швидкорізальної сталі Р6М5". Переробку композитного злитка на всіх стадіях здійснили за технологією для сталі Р6М5 із загальним витратним коефіцієнтом при переробці ? 120 мм на 55 мм 1,280; на мілкосортних станах - 1,038. Підусадкова рихлість, міхури, включення, розшарування і тріщини відсутні як в зоні з'єднання шарів, так і в цілому по перетину злитка. Деформація пройшла із задовільним збереженням відношення лінійних розмірів шарів.

7. Металографічними дослідженнями металу на різних стадіях переробки композитного злитка показано відповідність розміру зерна і балу неоднорідності карбідів вимогам стандартів до сталі Р6М5. Методами електронної мікроскопії і енергодисперсійного аналізу особливостей фазового складу і тонкої структури металу, а також методом диференційованого травлення визначений склад карбідів в сталі змішаного шару (складнолеговані карбіди Me6C, MeC і Me23C6), показано, що він є аналогічним тому, що виявляється в сталі Р6М5, що підтверджує висновки термодинамічних розрахунків. Твердість зовнішнього шару Р6М5 складає не менше 62 HRC, внутрішнього - 59-61 HRC, що є достатнім для забезпечення ефективного процесу різання. Ударна в'язкість композитної швидкорізальної сталі на 0,5 кг м/см² вища, ніж Р6М5 (0,3-0,4 кг м/см²) за рахунок більшої пластичності внутрішнього шару, що сприяє поліпшенню стійкості інструменту.

8. На ЗАТ "Запорізький інструментальний завод ім. Войкова" і ВАТ "Вінницький інструментальний завод" з двошарової швидкорізальної сталі виготовлені мітчики, свердла спіральні і розгортки машинні. Всі інструменти успішно пройшли виробничі випробування на відповідність нормам різання.

9. Показана доцільність застосування методу ЕШН РМ для виготовлення композитної литої заготівки швидкорізальної сталі, придатної для виготовлення великогабаритного інструменту без деформації або з мінімальною деформацією. Забезпечений бал литого зерна 8-9 за рахунок швидкої кристалізації, при нормі його для деформованого металу крупних перетинів 9 балів. Товщина шару робочого шару, що наплавляється, регулюється в широких межах (20-50% об'єму композиту), що дозволяє максимально наблизити розміри заготівки, що виплавляється, до діаметру фрез, протяжок, розгорток і ін.

10. Розроблені технології отримання композитних злитків швидкорізальної сталі методом "рідкий сандвіч" і ЕШН РМ забезпечують економію легуючих на 10-13% і 20-50%, відповідно, що забезпечує конкурентоспроможність композитного інструменту.

Основні публікації за темою дисертації

1. Кондратенко О.В., Головачев А.Н., Горобец И.О., Кондратенко В.М., Стовпченко А.П. Экономические преимущества производства и особенности получения композитной быстрорежущей стали // Теория и практика металлургии - №2-3. - 2007. - С. 24-27.

2. Лейбензон В.А., Головачев А.М., Кондратенко В.М., Стовпченко А.П. Кнохин В.Г. Ресурсосберегающая технология производства высоколегированных сталей // Теория и практика металлургии - №1/2. - 2005. - С. 33-36.

3. Головачев А.Н., Стовпченко А.П. Влияние состава стали и его изменения в ходе кристаллизации на температуру ликвидус // Новини науки Придніпров'я. - №5. - 2006. - С. 64-69.

4. Головачев А.Н., Лейбензон В.А., Кондратенко В.М., Стовпченко А.П. Экономичная композитная быстрорежущая сталь // Металознавство та термічна обробка металів. - №2. - 2005. - С. 63-66.

5. Головачев А.Н., Стовпченко И.В., Стовпченко А.П. Компьютерная методика прогнозирования хода затвердевания, состава и свойств внутреннего слоя литых композитных материалов // Компьютерное материаловедение и обеспечение качества. Одесса, 28-29 апреля, 2006 г. - Одесса, 2006. - С. 151-152.

6. Stovpchenko G., Proydak Yu., Kamkina L., Golovachov A. Research of ferroalloys deformation in metallic matrix at rolling and drawing of composite wire // Hutnik. - №2-2005. - P. 126-128. ISSN 1230-3534.

7. Leibenson V.A., Golovacov A.M., Stovpchenko G.P., Kondratenko V.M., Knochin V.G. Technology of maufacture of Multylayer Composite Rapid steel // Metallurgija. - 2004. - Vol. 43, №3. - p. 207.

8. Журавель В.М., Головачев А.Н., Жуков В.В., Медовар Л.Б., Стовпченко А.П. Исследование возможности получения биметаллической быстрорежущей стали методом ЭШН ЖМ // Nove Technologie i osiagniecia w metalurgii I inzynierii materialowej: 7 Международная научная конференция. Ченстохова, 2 июня, 2006 г. - Ченстохова, 2006. - С. 606-609.

9. Головачев А.Н., Лейбензон В.А., Кондратенко В.М., Стовпченко А.П. Экономичная композитная быстрорежущая сталь // Теория и практика технологии производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов: 4 Московская Международная конференция. Москва, 26-29 апреля, 2005 г. - Москва, 2005. - С. 731-734.

10. Golovachov A.M., Zukov V.V., Juravel V.M., Stovpchenko G.P., Medovar L.B., Fedorovsky B.B. Composite High Speed Steel In As Cast Conditions// Metalurgija.- 2006.- Vol. 45, №3. - p. 229-230.

Размещено на Allbest.ru