МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

СКРИПНИК Сергій Вадимович

УДК 669.187.56

РОЗРОБЛЕННЯ ЛИВАРНИХ РЕСУРСОЗБЕРІГАЛЬНИХ

ТЕХНОЛОГІЙ ТА УСТАТКУВАННЯ ДЛЯ ВИРОБНИЦТВА

ФАСОННИХ ВЕЛИКОГАБАРИТНИХ ЗАГОТОВОК

Спеціальність 05.16.04 – Ливарне виробництво

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

К И Ї В – 2005

Дисертацією є рукопис.

Дисертація виконана на кафедрі “Фізико-хімічні основи технології металів” Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник | член-кореспондент НАН України,

доктор технічних наук, професор

Чернега Дмитро Федорович,

Національний технічний університет України

„Київський політехнічний інститут”

завідувач кафедри

„Фізико – хімічні основи технології металів”

Офіційні опоненти: | Член-кореспондент НАН України

доктор технічних наук, професор

Жадкевич Михайло Львович,

Інститут електрозварювання ім. Є. О. Патона

НАН України, заступник директора

Кандидат технічних наук, доцент

Федоров Григорій Єгорович,

Національний технічний університет України

„Київський політехнічний інститут”, доцент кафедри

Провідна установа: |

Національна металургійна академія України,

кафедра „Ливарне виробництво”, м. Дніпропетровськ

Захист дисертації відбудеться 19 вересня 5 року о 14.30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К . . при Національному технічному університеті України „Київський політехнічний інститут” (03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37, ІФФ, корпус , аудиторія , тел.) –76–19).

З дисертацією можна ознайомитися в науково – технічній бібліотеці Національного технічного університету України „Київський політехнічний інститут” за адресою: , м. Київ, проспект Перемоги, .

Автореферат розісланий серпня  2005 року.

ВЧЕНИЙ СЕКРЕТАР

спеціалізованої вченої ради К . . ,

кандидат технічних наук, доцент |

Л. М. Сиропоршнєв

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Існуюча в Україні структура промислового виробництва характеризується високою питомою вагою ресурсо- та енергоємних технологій. Значні масштаби використання ресурсів та енергетично-сировинна спеціалізація економіки України сприяли щорічному утворенню великих об'ємів металовідходів. З метою вирішення цієї проблеми Кабінет Міністрів України розробив та затвердив “Програму використання відходів виробництва та споживання на період до 2005 року” (постанова № від 28. .  р.), в якій основне місце належить розробленню та впровадженню у виробництво перспективних ресурсозберігаючих та безвідходних технологій.

Основними джерелами утворення металовідходів в Україні є підприємства гірничорудного, хімічного, металургійного і машинобудівного комплексів. Традиційні технології, які пов’язані із деформуванням вихідних заготовок та механічною обробкою є малоефективними із-за великих втрат металу.

Більш економічним є виробництво заготовок за ливарними технологіями. Литтям одержують заготовки практично будь-якої складності. Виробництво литих заготовок значно дешевше ніж виробництво поковках та штампувань. Проте коефіцієнт використання металуКІМ) під час виробництва виливків традиційними способами не перевищує 65а припуски на механічну обробку іноді сягають 50 – їхньої маси. До того ж, якість виливків, особливо великогабаритних, не завжди відповідає сучасним вимогам. В зв'язку з цим зростає потреба в виробництві якісних суцільних і порожнистих виливків і злитків за допомогою ресурсозберігаючих технологій. Перспективним шляхом підвищення економічності та якості виливків є використання електрошлакового кокільного (ЕКЛ) і відцентрового електрошлакового лиття (ВЕШЛ), які дозволяють використовувати металобрухт у вигляді стружки та спрацьованих або відбракованих деталей машин і технологічного оснащення. Важливою і актуальною перевагою способів ЕКЛ і ВЕШЛ є та, що вихід придатного досягає 80 – а якість металу знаходиться на рівні металу в поковках.

Не менш перспективними напрямками розвитку металозберігаючих технологій є виготовлення і відновлення великогабаритних деталей машин за допомогою електрошлакового зварювання та наплавлення. При цьому можуть бути утилізовані всі види металобрухту – від стружки до багатотонних деталей.

Таким чином, задачу розроблення ресурсозберігаючих технологій виготовлення високоякісних металевих заготовок слід вважати актуальною.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота по темі дисертації виконувалась у рамках загального наукового напрямку кафедри “Фізико-хімічні основи технології металів” Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”, а також згідно постанови № від 28. 06. 1997 р. Кабінету Міністрів України “Програма використання відходів виробництва та споживання на період до 2005 року”.

Мета дослідження полягала в розробці комплексу фізико-металургійних, технологічних і конструктивних рішень виготовлення литих заготовок для деталей підвищеної надійності; електрошлакової плавки відходів конструкційних, інструментальних, жаростійких матеріалів для виготовлення фасонних виливків високої якості; виборі складу економічного і активного флюсу; створенні нового технологічного устаткування для реалізації ливарних ресурсозберігаючих технологій.

Для досягнення поставленої мети в роботі були вирішені наступні задачі:

- проаналізувати існуючі схеми переплавлення відходів високолегованих сталей і сплавів, а також сучасні методи виготовлення литих заготовок;

- вивчити процес твердіння литих електрошлакових заготовок у формі з рухомим дорном;

- вивчити технологічні параметри виробництва відцентрових електрошлакових великогабаритних фасонних заготовок;

- дослідити якість і властивості металу литих великогабаритних заготовок.

Об'єктами дослідження в дисертаційній роботі були:

- процес електрошлакового тигельного переплавлення металевих відходів;

- процес виготовлення литих великогабаритних фасонних заготовок;

- процес виробництва і відновлення великотоннажних деталей ковальсько-пресового устаткування.

Предметами дослідження в роботі були:

- технологічні схеми переплавлення металевих відходів;

- технологічні параметри виготовлення литих великогабаритних фасонних заготовок з конструкційних, штампових сталей, жароміцних сплавів, а також сплавів на основі міді;

- якість литого металу;

- механічні властивості литого і деформованого металу великогабаритних заготовок із сталей і сплавів різного хімічного складу.

Методи дослідження: Визначення температури металу і шлаку проводилося платино-родієвими термопарами ПР /6 з переносним потенціометром ПП – та пірометром ПІРОМАТ . При дослідженні складу, структури і властивостей металу використовували спектральний і хімічний аналізи, оптичну мікроскопію, стандартні методи механічних випробувань при кімнатній температурі та при 823 К. Дослідження дендритної мікронеоднорідності проводили методом мікрорентгеноспектрального аналізу на аналізаторі СХ – з енергетичною дисперсією фірми “CAMECA”Франція). Вміст кисню в металі досліджували за допомогою газоаналізатору RO – , а вміст азоту – на аналізаторі TN фірми “LEKO” (США). Дослідження хімічного складу залишкових елементів в міді та сплавах на її основі проводили спектральним методом на спектрометрі ЕМАС–200 Д. Оцінку стійкості штампів, одержаних з металу електрошлакової виплавки проводили безпосередньо в промислових умовах.

Наукова новизна досліджень і одержаних результатів полягає в наступному:

- вперше розроблено комплекс ресурсозберігаючих технологій виготовлення великогабаритних електрошлакових заготовок складного перетину з різноманітного металобрухту;

- вперше визначені технологічні параметри одержання литих великогабаритних електрошлакових заготовок суцільного і порожнистого перетину із складною конфігурацією внутрішньої і зовнішньої поверхонь із металобрухту високолегованих чорних і кольорових сплавів;

- показано, що металургійна якість і механічні властивості великогабаритних фасонних заготовок ЕКЛ із сталей Х12М та 6Х6В3МФС масою до 0,5 т знаходяться на рівні штампів з деформованого металу такого ж складу відкритої дугової виплавки;

- встановлено, що коефіцієнт дендритної ліквації в сталі 18ХГНМФР в умовах відцентрового електрошлакового лиття залежить від швидкості обертання форми. При швидкості обертання форми 60 об/хв середнє значення коефіцієнту становить 1,05, в той час як збільшення швидкості до 500 об/хв. приводить до збільшення коефіцієнту до 1,37;

- показано, що коефіцієнти дендритної ліквації легуючих елементів в сталі 15Х12Н2МВФАБ (ЕП Ш) змінюються пропорційно збільшенню розмірів дендритів. Підвищення коефіцієнтів дендритної ліквації по висоті зливка ЕШП становить: КМо – від 1,96 до 2,9; КV – від 1,56 до 2,0; КW - від 1,79 до 2,53; КCr - від 1,18 до 1,22;

- доведено, що стійкість литих штампів, виготовлених із сталей 4Х4ВМФС та 4Х5В2ФС масою 0,6 – ,0 т для гарячого об'ємного штампування лопаток турбін рівноцінна або перевищує стійкість кованих штампів.

Практичне значення одержаних результатів. За результатами проведених досліджень розроблені технології виготовлення великогабаритних фасонних виливків кокільним і відцентровим електрошлаковим литтям масою до 0,5 т із конструкційних сталей, технології отримання суцільних і порожнистих злитків ЕШП масою до 2,5 т із інструментальних і жаростійких сталей. Розроблені технології відновлення важких штампів і деталей ковальсько-пресового устаткування. Показана можливість раціонального використання майже усіх видів металобрухту. Впровадження у виробництво розроблених технологій дозволило зменшити витрати, а в деяких випадках і взагалі відмовитися від закупівлі нового металу. Запропоновані технології виготовлення великогабаритних фасонних виливків дозволяють зменшити вартість і спростити структуру виробництва.

Поряд із технологіями, розроблено спеціалізоване устаткування для здійснення переплаву. На підприємствах ВАТ “Ковельсільмаш”(м. Ковель, Україна), РУП “Ковальський завод важких штампувань” і РУПП “Білоруський автомобільний завод” (м. Жодіно, Білорусь), ВАТ “Кулебакський металургійний завод” (м. Кулебаки, Росія) було створено дільниці електрошлакового лиття, які працюють по розробленим технологіям. На державному підприємстві “Науково-виробничий комплекс газотурбобудування “Зоря”-“Машпроект” (м. Миколаїв, Україна) та ВАТ “Кулебакський металургійний завод” (м. Кулебаки, Росія) зараз створюються такі дільниці.

Особистий внесок автора. Здобувач брав безпосередню участь в розробленні і апробації методик, проведенні експериментів і систематизації одержаних результатів з впровадження ливарних ресурсозберігаючих технологій. Ним розроблені технологічні і конструктивні схеми устаткування і технологічна оснастка. За участю автора спроектовані і змонтовані дільниці електрошлакових технологій на наведених вище підприємствах. Внесок дисертанта в одержані експериментальних даних, опублікованих у співавторстві становить 60 – 

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на міжнародних конференціях: “Виробництво сталі в ХХІ столітті. Прогноз, процеси, технології, екологія.” (м. Київ, 15 –  травня 2000 р.), “Спеціальна металургія: вчора, сьогодні, завтра” (м. Київ, 8 – жовтня 2002 р.), а також на розширених наукових семінарах кафедри „Фізико – хімічні основи технології металів” НТУУ „КПІ”.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 9 робіт, у тому числі 7 статей у фахових наукових виданнях, перелік яких затверджений ВАК України і 2 роботи в працях міжнародних конференцій.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, висновків, списку цитованої літератури і додатків. Загальний об’єм дисертації складає 160 сторінок, основний текстовий матеріал викладений на 100 сторінках. Дисертація містить 45 рисунків і 15 таблиць. Список використаних джерел складає 142 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі наведено обґрунтування актуальності роботи, мету та задачі, які належало вирішити для досягнення цілей роботи. Викладено найбільш вагомі нові результати і представлено практичну цінність. Приведено також дані про апробацію роботи і структуру дисертації.

У першому розділі представлено інформацію щодо існуючих шляхів розробки та вдосконалення ливарних ресурсозберігаючих технологій виготовлення великогабаритних заготовок складної конфігурації.

Показано, що спеціальні способи лиття в стаціонарний і обертовий кокіль сприяють суттєвому зниженню трудових затрат і металоємності одержуваних стальних виливків. Але, виготовлення великогабаритних виливків складної конфігурації литтям у кокіль є складною задачею через особливості ливарних властивостей сплаву. Висока температура заливання, усадка під час кристалізації, низька рідкотекучість металу, підвищена схильність до утворення гарячих тріщин ускладнюють виробництво виливків. Під час лиття в обертовий кокіль усадка меншою мірою впливає на якість виливка, але мають місце інші недоліки, як то розвиток зустрічного фронту кристалізації при твердінні виливків, підвищене забруднення металу з боку внутрішньої поверхні, утворення дефектної зони з підвищеним вмістом неметалевих вкраплин і газів на відстані до 15-20 мм від внутрішньої поверхні виливка. Багатьох недоліків можна уникнути за рахунок використання технологій кокільного і відцентрового електрошлакового лиття. В обох випадках створюються умови для спрямованого відведення тепла і тверднення виливків у результаті обігрівання їх вільної поверхні. Використання металу з пониженим вмістом неметалевих включень і газів, в свою чергу, є ефективним способом боротьби із схильністю виливків до утворення тріщин. Проте електрошлаковими методами раніше виготовляли виливки порівняно невеликих розмірів і простої конфігурації. Для вирішення задачі виробництва великогабаритних електрошлакових виливків складної геометрії необхідно було провести дослідження процесу електрошлакового тигельного плавлення металевих відходів, технології отримання литих великогабаритних фасонних виливків і порожнистих злитків, а також розробити відповідне устаткування та оснастку.

Іншим напрямком ресурсозберігаючих технологій є відновлення дорогого штампового інструменту і великотоннажних деталей ковальсько-пресового устаткування із застосуванням електрошлакового процесу.

Виходячи з великих потенційних можливостей електрошлакового процесу, є доцільним розробити нові ресурсозберігаючі технології виготовлення та відновлення великотоннажних деталей, а також обладнання для їх реалізації. Це дозволить вирішувати питання заміни спрацьованих деталей дорогого ковальсько-пресового устаткування з мінімальними затратами.

Другий розділ вміщує аналіз конструкцій існуючих електрошлакових тигельних печей.

Показано, що сучасні печі не завжди мають достатню надійність і задовільні експлуатаційні характеристики. На основі проведених досліджень запропоновані нові технології, які базуються на біфілярній схемі електрошлакового переплаву різних видів відходів металу, включаючи переплав невитратними електродами відходів металу, завантажених безпосередньо на дно тигля. У випадку переплаву порівняно великих кускових відходів металу їх попередньо з'єднують (зварюють) в витратні електроди, а потім встановлюють на верхній каретці печі за біфілярною схемою. Блок невитратних електродів встановлюється на нижній каретці електрошлакової печі і за допомогою зрівняльного проводу підключається до середньої точки вторинної намотки трансформатору (рис. ). У тигельних печах типу ЕТПБ-0,5 і ЕТПБ-2,5, запропонованих в дисертації, вдалося замінити водоохолоджуваний подовий електрод і створити безпечні умови експлуатації печі протягом усієї тривалості експлуатації тигля, що попереджує прорив рідкого металу.

Проведений аналіз теплового балансу ЕШТП дозволяє зробити висновок про те, що енергетична ефективність ЕШТП за біфілярною схемою живлення складає 55-65Використання таких економічних і надійних плавильних агрегатів відкрило шлях до розроблення способу і технології виготовлення великогабаритних порожнистих заготовок, які часто використовують в машинобудуванні.

При одержанні кокільних заготовок із змушеним формуванням внутрішньої поверхні дуже важливо визначити момент початку витягу пересувного жорсткого дорну з металевої форми в процесі кристалізації і охолодження виливка. Цей момент було визначено за допомогою математичного моделювання. Напругу m у перетині стінки оболонки товщиною ? оцінювали за умови її рівноваги:

m =R/д, (1)

де Р – сила, що діє на стінку оболонки у напрямку її осі, R – радіус оболонки.

Для того, щоб коринка твердого металу витримувала гідростатичний тиск, необхідно виконання умови:

m в, (2)

де в – межа міцності матеріалу; m – напруга в матеріалі.

Необхідна товщина затверділої коринки ? визначається за формулою:

дR/r, (3)

де r - радіальні напружини.

Максимальна напруга виникає біля низу затверділої частини виливка, для якої:

P = gh, (4)

Час утворення кірки заданої товщини можна визначити із графіка, який представлено на рисунку 2. Відповідно до наведених залежностей можна припустити, що через 40-50 с з моменту початку процесу тверднення кірка

витримає навантаження гідростатичного тиску рідкого металу. В модельних розрахунках приймали наступні значення: щільність металу – ,8 кг/дм?; максимальний радіус оболонки –  мм; межа міцності (в) сталей Х12М і Х12Ф становить ?  МПа. Отримані дані дозволили прогнозувати момент початку руху дорну, що відображено в технологічних параметрах (таблиця ).

Дослідження механічних властивостей металу виливків ЕКЛ показало (таблиця ), що значення в, відносних подовження () і звуження) були вищими, ніж встановлені для металу після прокатки відповідно до ГОСТ 1050-74. За ударною в'язкістю метал ЕКЛ значно перевищує вимоги німецького індустріального стандарту

Таблиця 1

Основні технологічні параметри виготовлення порожнистих заготівок ЕКЛ.

Марка

сталі |

Розміри заготовок, мм | Товщина шлаку на поверхні, мм | Час | Маса виливка, т

діаметр | товщина стінки | висота | Заливання, с | Початку виймання дорну, с | Твердіння, хв.

зовнішній | внутрішній

Сталь  | 600 | 340 | 130 | 100 | 50 | 25 | 45 | 20 | 0,10

Х12М | 380 | 80 | 150 | 70 | 70 | 20 | 40 | 15 | 0,06

6Х6В3МФС | 700 | 330 | 185 | 80 | 70 | 30 | 50 | 20 | 0,20

При виготовленні виливків ЕКЛ невеликої маси було розроблено технологію виробництва великогабаритних заготовок із складною внутрішньою поверхнею. Такі виливки були виготовлені для ВАТ “КамАЗ” (м. Набережні Човни, Росія). Випробовування штампів холодного деформування показали стійкість не нижчу ніж штампів з деформованого металу відкритої виплавки аналогічного хімічного складу.

В третьому розділі розглянуто спосіб виготовлення великогабаритних заготовок з металобрухту різного виду з використанням відцентрового електрошлакового лиття (ВЕШЛ). Нарівні із ресурсозберігаючою технологією виготовлення виливків ЕКЛ не менш перспективною є технологія виробництва з використанням ВЕШЛ великогабаритних виливків різного призначення, в тому числі для зубчастих коліс

Таблиця 

Механічні властивості литого фланця із сталі 20 після нормалізації

Частина виливка ЕКЛ | ув,

МПа | ут,

МПа | д,

% | Ш,

% | KCV,

Дж\см? | Ступиця | 459 | 265 | 28 | 59 | 100,6

Фланець | 486 | 287 | 26,5 | 56 | 83,0

DIN стандарт | =410 | =250 | =23 | - | =31,0

ГОСТ 1050-74 | =400,0 | =240,0 | =18,0 | >48 | -

підвищеної надійності для кар’єрних самоскидів. Відпрацьовування технологічних параметрів ВЕШЛ дозволило виготовити дослідну партію виливків заготовок зубчастих коліс з конструкційних сталей діаметром понад 700 мм. Технологічні параметри виготовлення заготовок зубчастих коліс представлені в таблиці .

Аналіз структури металу великогабаритних фасонних виливків діаметром 960 мм і масою 0,32 т із сталі 18ХГНМФР з товщиною стінки 90 мм свідчить про направлений і послідовний характер кристалізації. Структура включає три зони: дрібних разорієнтованих, стовбчастих та великих рівновісних кристалів. Дефекти металургійного характеру відсутні.

Таблиця 

Основні технологічні параметри виготовлення сталевих заготовок ВЕШЛ

Марка сталі | Розмір заготовок, мм | Частота обертання форми, хв.-1 | Час | Коефіцієнт гравітації | Товщина шлаку на внутрішній поверхні, мм | Маса заготовки, т

діаметр

зовнішній | внутрішній | товщина стінки | висота | початкова | кінцева | заливки, с | твердіння, хв

40Х | 650 | 390 | 130 | 120 | 60 | 480 | 30 | 25 | 103 | 70 | 0,2

35Л | 720 | 350 | 185 | 270 | 60 | 520 | 60 | 35 | 135 | 80 | 0,5

18ХГНМФР | 960 | 780 | 90 | 160 | 30 | 300 | 65 | 30 | 142 | 80 | 0,32

Методом мікрорентгеноспектрального аналізу було визначено хімічний склад, а також розподіл легуючих елементів вздовж осей дендритів першого порядку, а також у міждендритних ділянках в порожнистій відцентровій виливці масою 0,32 т із сталі 18ХГНМФР з товщиною стінки 90 мм. Як показник, що характеризує ступінь хімічної неоднорідності було прийнято коефіцієнт ліквації К, який визначається як відношення вмісту елементу в міжосьовій ділянці См до вмісту його в осі дендриту Со, тобто К См/Со. Одержані результати для виливків ВЕШЛ порівнювали із даними для початкового металу (Кпочат).

Було досліджено хімічну неоднорідність по висоті і перерізу виливка. Встановлено рівномірний розподіл легуючих елементів у виливку в цілому, не зважаючи на те, що до складу сталі 18ХГНМФР входять елементи різної щільності.

Біля зовнішньої поверхні коефіцієнти ліквації мають наступні значення:

? низ виливка: КSi=1,06; KMo=1,96; KCr=1,07; KMn=1,09; KV=0,91; KNi=1,02.

? верх виливка: КSi=1,18; KMo=1,32; KCr=1,17; KMn=1,39; KV=0,85; KNi=1,22.

Біля внутрішньої поверхні коефіцієнти ліквації мають наступні значення:

? низ виливка: КSi=0,89; KMo=0,90; KCr=0,92; KMn=0,97; KV=0,90; KNi=0,94.

? верх виливка: КSi=1,15; KMo=2,20; KCr=1,62; KMn=1,34; KV=1,8; KNi=1,25.

Значення коефіцієнтів дендритної ліквації в напрямку від периферії до центру зменшуються в нижній частині та збільшуються в верхній частині виливка із сталі 18ХГНМФР.

Вивчення механічних властивостей металу виливків ВЕШЛ показало, що вищі, ніж обумовлені ТУ значення для поковок із сталей відповідних марок (таблиця ). Особливо високі значення має ударна в'язкість. Високі якість поверхні і механічні властивості металу виливків, виготовлених ЕКЛ і ВЕШЛ дозволяють виготовляти цими способами великогабаритні литі заготовки (замість поковок і штампувань) з порівняно невеликими припусками на механічне оброблення (3-4 мм).

Таблиця 

Механічні властивості сталі 40Х виливків ВЕШЛ, після термічного оброблення (відпал 1133+10 К, гартування   К, олива, відпуск   К, олива)

в порівнянні з деформованим металом

Спосіб виготовлення,

вимоги ТУ або ГОСТ | ув,

МПа | ут,

МПа | д,

% | Ш,

% | КСU,

Дж/смІ | Виливок ВЕШЛ | 790-845

830 | 650-690

680 | 15,9-17,0

16,4 | 52,8-57,3

54 | 110-130

112

ТУ на поковки | =700 | =550 | =15 | =45 | =60

Примітка:   

в чисельнику наведені максимальні і мінімальні значення, а у знаменнику-середні.

Випробування на контактну витривалість виливків на стендах із замкнутим контуром показало, що зубчасті колеса з литої сталі мають переваги в порівнянні з деформованими. Це виражено у відмінності (на 15рівнів навантаження, на яких досягнуто приблизно однакової кількості циклів зміни напружин до вибраного критерію припинення випробувань.

Одержані результати показують, що технологія ВЕШЛ є перспективною для виробництва високонапружених зубчастих коліс. Для реалізації означеної технології на Республіканському унітарному промисловому підприємстві (РУПП) “Білоруський автомобільний завод” був створений новітній промисловий комплекс ВЕШЛ. У комплексі застосовано низку оригінальних вузлів і механізмів:

швидкозмінні приставки з блоками витратних і невитратних електродів, тигель ємністю до 1,2 т, кантувач, трансформатор ЕОМН-2000/10 потужністю 1000 кВА, що має 25 ступенів напруги. Модернізовано відцентрову машину з вертикальною віссю обертання.

На тому ж підприємстві було проведено дослідження можливості виготовлення великогабаритних бронзових і мідних порожнистих виливків масою до 1,2 т. з дрібних спрацьованих деталей і стружки, забрудненої мастильно-охолоджувальними рідинами (МОР) методом ВЕШЛ. Переплав відходів бронзи марки Бр05Ц5С5 здійснювали в електрошлаковій тигельній печі з блоком графітових електродів. Ємність футерованого тигля складала 0,2 м3, а діаметр плавильного простору - 0,55 м. Невитратні (графітові) електроди діаметром 100 мм підключали за біфілярною схемою живлення. Коефіцієнт заповнення плавильної ємності складав 0,20. В окремому агрегаті попередньо розплавляли флюсову суміш: 50% флюсу марки АНФ  і 50% - АН-348В загальною масою 60 кг (таблиця ). Заливання такої кількості шлаку забезпечило 50 мм глибину шлакової ванни в робочому тиглі-ковші. Параметри процесу наведено на рисунку .

Таблиця 

Хімічний склад застосованого флюсу, мас.

SiO2 | CaF2 | CaO | MnO | Al2O3 | MgO

26 | 22 | 19 | 15 | 12 | 6

Після розплавлення бронзи масою 1,2 т тигель-ківш поміщали на кантувач, встановлений біля відцентрової машини і заливали шлакометалеву суміш в форму при її обертанні. Відлиті втулки (O740 Ш550 ?м, H  мм) мали щільну макроструктуру і, незважаючи на забруднення МОР вихідної стружки, якісну поверхню. Після механічної обробки втулки було використано як підшипники для кам’яних дробарок.

Вагоме практичне значення мають технології виготовлення порожнистих мідних заготовок з підвищеними вимогами щодо якості для кристалізаторів ЕШП. Було

проведено дослідження технології виготовлення таких виливків з використанням як шихти мідної стружки. Переплав стружки здійснювали в печі типу ЭТПБ-0,5 під флюсом АНФ-29. Виготовлені виливки ВЕШЛ (O650 Ш500 ?м, Н=660 мм) мали щільну макроструктуру і якісну поверхню. Використання графітових футеровки і електродів забезпечили глибоке розкислення металу під час плавлення. Дослідження складу литої міді показали, що виливок ВЕШЛ містить мінімальну кількість шкідливих домішок (таблиця ).

Таблиця 6

Вміст домішок в литій електрошлаковій міді, % мас.

Метал | Sb | Sn | Zn | S | [O]

ГОСТ 613-79 | 0,002 | 0,002 | 0,003 | 0,004 | 0,010

Виливок

ВЕШЛ |

0.002 |

- |

0,002 |

0,001 |

0,0015

Одержані за такою технологією виливки було використано як внутрішні стінки кристалізаторів, які експлуатуються на РУП "Ковальський завод важких штампувань" вже протягом декількох років.

У четвертому розділі представлено результати досліджень по розробці технології виготовлення суцільних і порожнистих злитків із жароміцних сталей марок 15Х12Н2МВФАБ (ЕП ), 13Х11Н2В2МФ (ЕІ ) та інструментальних сталей марок 4Х4ВМФС (ДІ ) і 4Х5В2ФС (ЕІ ) ЕШП з використанням металевих відходів відповідних сталей.

Найбільш перспективною для виробництва заготовок для деталей дисків газових турбін виявилась технологія одержання порожнистих злитків ЕШП. Вона дає можливість відмовитися від операцій осаджування і прошивання.

Досліджено можливість виплавки і використання в турбобудуванні порожнистих злитків ЕШП сталі ЕП . Дослідні плавки проводили на промисловій біфілярній електрошлаковій печі ЕШП ,5 з використанням короткого рухомого кристалізатора. Для цієї мети відлили витратні електроди квадратного перерізу 100100 мм і довжиною 1000 мм.

При виготовленні порожнистих злитків (O / Ш190?=1200 мм) в рухомому кристалізаторі використовували вісім витратних електродів, які розташовували по периметру зазору між кристалізатором і дорном. Сталь ЕП 517 плавили під флюсом АНФ-32. Для виплавки порожнистого злитка масою 2,5т було використано 32 електроди. Хімічний склад, визначений в трьох зонах по висоті злитка, відповідає вимогам ТУ 14-1-2902-80. Одержані злитки піддавали первинній термічній обробці.

Дослідження структури порожнистих зливків ЕШП проводили на подовжніх і поперечних темплетах, вирізаних з верхньої, середньої і нижньої частин злитка. Макроструктура злитка щільна, плямиста ліквація відсутня. Дефектів металургійного характеру на всіх досліджених темплетах не виявлено. Середній розмір зерна сталі після відпалу складає 1 –  мм.

Методом мікроспектрального аналізу визначали хімічний склад дендритів, а також вміст легуючих елементів ділянках як для вихідного металу (електроду) так і металу злитка ЕШП. Встановлено підвищення хімічної неоднорідності злитка ЕШП сталі ЕП 517 по висоті. Було визначено величини коефіцієнту ліквації різних елементів: КMo підвищився від 1,96 (дона частина) до 2,90 (головна частина) (КMo поч=1,32); КV – від 1,56 до 2,00 (КV поч.=0,77); КW - від 1,79 до 2,53 (КW поч.=2,42); Ксr – від 1,18 до 1,22 (КCr поч.=1,02). Одночасно, ступінь ліквації по перерізу злитка виявилась не істотною. Це пояснюється тісним зв'язком коефіцієнта ліквації і макроструктури, яка в нижній частині характеризується меншими розмірами дендритів, ніж в верхній. При дослідженні дендритної неоднорідності полого злитка сталі ЕП 517 виявлена негативна ліквація нікелю як в початковому металі КNi поч.=0,55, так і в злитку ЕШП КNi= 0,57-0,73. Характеристику дендритної неоднорідності злитка із сталі ЕП можна доповнити тим, що у ряді випадків спостерігається або відсутність частини межі між зернами первинної структури чистого електрошлакового металу, або вони мають дуже малу протяжність. У цих випадках коефіцієнти ліквації легувальних елементів рівні 1.

Незначна хімічна неоднорідність обумовлена низьким вмістом вуглецю в сталі ЕП (0,18%). Це не призвело до значної ліквації карбідоутворюючих елементів: Мо, V, W, Cr. Можна вважати, що вміст вуглецю на нижній межі цієї сталі (0,13забезпечує ще нижчий ступінь ліквації і дозволяє збільшити діаметр і товщину стінки порожнистого злитка із збереженням високої якості металу.

Таким чином, порожнистий злиток з жароміцної сталі має переваги перед суцільним злитком. Це пов’язано із теплофізичними умовами формування структури металу під час переплаву. При ЕШП порожнистого злитка глибина металевої ванни і її об’єм у декілька разів менші, ніж глибина ванни і об’єм суцільного злитка такого ж діаметра. Слід додати, що гранична ступінь деформації цієї сталі може бути підвищена за рахунок того, що порожнистий злиток ЕШП має більш дисперсну макроструктуру. В ряді випадках якість порожнистих злитків була такою, що їх можна було використовувати для виробництва деталей газових турбін без деформування.

Дослідження мікроструктури металу порожнистого злитку показало, що структура злитка у верхній, середній і нижній зонах однорідна, складається з сорбіту і  – фериту, що відокремився на слабко виражених межах аустенітних зерен. Після термічної обробки структура сталі включає сорбіт, орієнтований по голках мартенситу і порівняно великі скупчення  – феритурисунок ). Подальше деформування призводить до подрібнення скупчень  – фериту (рис.  в). Такі структурні зміни приводять до підвищення механічних властивостей жароміцної сталі.

Оцінку наявності неметалевих включень в сталі ЕП 517 у верхній, середній і нижній частинах порожнистого злитка здійснювали за ГОСТ 1778-70 методом Ш (таблиця ). Одержані результатів свідчать про більш високу чистоту металу ЕШП в порівнянні з металом вихідного електроду, одержаного електродуговою плавкою (ЕД).

Таблиця 7

Оцінка наявності неметалевих включень в порожнистому зливку сталі

ЕП 517 ЕШП (610/190 мм, маса 2,5 т)

технологія виробництва | місце відбирання проб в злитку та електроді | Оксиди | Силікати | сульфіди | Нітриди та карбонітриди

рядкові | точкові | крихкі | пластинчасті | нездеформо-вані | рядкові | точечні | алюміній

ЕД+

ЕШП | Верхня частина | 0 | 2 | 1 | 0 | 3 | 1 | 1 | 0 | 1

Середня частина | 0 | 1 | 1 | 2 | 3 | 1 | 1 | 1 | 1

Нижня частина | 0 | 1 | 1 | 1 | 2 | 0 | 0 | 1 | 1

Середній бал | 0 | 1,3 | 1 | 1 | 2,3 | 0,6 | 0,6 | 0,6 | 1

ЕД | Електрод, середній бал | 4,0 | 2,0 | - | - | 4,0 | 1,5 | - | - | -

Слід також відзначити зменшення рівня браку дисків і лопаток компресорів газотурбінних двигунів із сталі ЕП 517 після ЕШП, що пов’язано із зменшенням вмісту рядкових неметалевих включень.

Механічні властивості порожнистих злитків ЕШП (610/190 мм, маса 2,5 т) з жароміцної сталі ЕП 517 наведені в таблиці . Аналіз результатів механічних випробувань показує, що властивості металу однорідні в об’ємі злитка. Більш високий рівень властивостей має метал після деформування. Підвищення ізотропності механічних властивостей грає суттєву роль в формуванні комплексу споживчих характеристик жароміцної сталі типу ЕП , яка використовується для виготовлення високонавантажених деталей (лопатки і диски газотурбінних двигунів), що працюють при температурах до 823 К. Випробування на тривалу міцність показало, що метал витримує навантаження в 1,5 і більше разів, ніж передбачено ТУ. Частина зразків була знята з випробовувань після 1,5 кратного перевищення необхідного за ТУ часу випробувань. Високі характеристики міцності і пластичності металу було досягнуто за рахунок правильного підбору технологічних параметрів переплаву. Таким чином, на прикладі сталі ЕП і ЕІ показано, що вдосконалення

Таблиця 

Механічні властивості жароміцної сталі 15Х12Н2МВФАБ (ЭП ) в злитку (610/190 мм, маса 2,5 т) та деформованому кільці після гарячого деформування і термічного оброблення (нормалізація Т=1403+10°К, повітря; відпуск Т=1033+15°К, повітря; гартування Т=1393 °К, олива; відпуск Т=953+15°К, олива)

Місце відбирання зразків |

Напрям вирізування зразків | Механічні випробування при Т=293 К | Тривала міцність

ув,

МПа | у0,2 ,

МПа | д, % |

Ш, % | KCU,

ДЖ/см2 | d відбитку,

мм |

НВ | Твип., К |

у,

МПа |

ф ,

год | ,

% |

Ш, %

Головна частина зливка | Радіальне

Тангенц.

Подовжнє | 1160

1150

1160 | 1020

1030

1030 | 8

10

9 | 31

28

34 | 28

30

30 | 3,3

3,3

3,3 | 341

341

341 | 823

823

823 | 450

450

450 | 100

100

100

Донна

частина зливка | Радіальне

Тангенц.

Подовжнє | 1160

1170

1180 | 1030

1030

980 | 11

11

11 | 32

34

38 | 40

36

41 | 3,3

3,3

3,3 | 341

341

341 | 823

823

823 | 450

450

450 | 133

136

130 | 9,5

7

8,6 | 56

45

49

Деформовані

кільця |

Тангенц.

Тангенц.

Тангенц.

Тангенц. | 1160

1165

1180

1150 |

1020

970

1045

1000 | 16

16

12

18 | 45,5

45,5

48,5

47 | 55

55

53

63 | 3,4 | 321 |

823

823 | знятий

знятий |

158

150

Вимоги ТУ для деформованого металу |

Тангенц. |

=1050 |

=800 |

=10 |

=45 |

=50 |

3,3-3,5 |

302  

341 |

823 |

450 |

100

ЕШП дозволяє одержувати заготівки із жароміцних сталей з високою якістю і рівнем споживчих характеристик.

У п'ятому розділі наведено технологічні особливості вертикального електрошлакового наплавлення (зварювання) і електрошлакового заплавлення порожнин у великотоннажних деталях ковальсько-пресового виробництва.

Багато деталей ковальсько-пресового устаткування працюють в умовах високих ударних навантажень в результаті чого в них часто виникають тріщини. Появу таких тріщин ініціюють дефекти металургійного характеру і механічні концентратори напружин.

Відновлення таких деталей, як ковальські баби, підштампові плити, шаботи є складною технічною задачею. Їх виготовляють із середньолегованих сталей марок 34ХНЗМ, 40ХН2МА, що важко зварюються і схильні до утворення холодних і гарячих тріщин. Слід додати, що ці деталі відрізняються великою товщиною і твердістю.

За допомогою фізичного моделювання було встановлено оптимальні технологічні параметри процесу електрошлакового вертикального зварювання і наплавлення ковальських баб масою до 10 т. Для забезпечення провару основного металу по обох окрайках шов починали із спеціальної футерованої магнезитовою цеглою приставної кишені при підвищеній напрузі на шлаковій ванні. Ці заході в сукупності з попереднім нагріванням до 723 – К основного металу і заливанням перегрітого шлаку в плавильну зону забезпечили швидку стабілізацію електрошлакового процесу і повне проплавлення крайок основного металу. Важливу роль при цьому відіграє правильний вибір флюсу. З комплексу таких властивостей, як електропровідність, в'язкість, тепловиділяюча здатність найбільш оптимальним є флюс АНФ-6. Вміст у флюсі великої кількості (до 70 %) фтористого кальцію, який хімічно взаємодіє з матеріалом магнезитової футеровки, не є визначальним чинником через короткочасність процесу зварювання. Розміри зварювального зазору обумовлювалися, з одного боку, раціональною витратою електродного металу, а з іншого - геометричними параметрами витратних електродів, поверхнею окрайок, що зварюються і необхідними зазорами між ними. Експериментально встановлено монтажні зазори між окрайками основного металу й електродами складають 18...22 мм внизу (рисунок ) з розширенням до верху на 5…7 мм для компенсації кутової деформації. Оптимальний режим електрошлакового зварювання електродами великого перерізу конструкційних сталей товщиною 500-1000 мм: швидкість зварювання Vc=0,12-0,15 м/г; напруга зварювання Uc = 45-50 B; сила зварювального струму Ic = 8-9 кA (рисунок 6); глибина шлакової ванни hs = 45-60мм; щільність струму I = 0,18-0,25 А/мм?; коефіцієнт заповнення плавильної зони Кз = 0,45-0,55.

Важливим технологічним прийомом, що поліпшує якість зварного з'єднання, є введення макрохолодильників (наприклад, стружки) у плавильну зону. Макрохолодильники знімають перегрівання металевої ванни, стримують негативний

вплив високої температури процесу на якість зони термічного впливу, впливають на орієнтування зростання кристалів шва.

В основний період електрошлакового зварювання (наплавлення) ковальської баби частка стружки, що вводилась, складає 15% від електродного металу.

Найбільш ефективно використовувати введення макрохолодильників в прикінцевий період зварювання деталей великої товщини з конструкційної сталі, коли глибина металевої ванни hм і її ширина bм досягають максимальних значень. Параметр hм/bм впливає на співвідношення швидкостей горизонтального і вертикального тверднення. Було встановлено, що це співвідношення повинне бути таким, щоб усунути можливість утворення усадочної раковини, яка може бути причиною появи тріщин у конструкційній сталі. Тому в прикінцевий період електрошлакового зварювання необхідне електрошлакове підживлення металевої ванни макрохолодильниками у вигляді товстої стружки в кількості 20 % від маси металевої ванни. Макрохолодильники сприяють збільшенню вертикальної швидкості кристалізації. Одночасно проводиться електрошлакове обігрівання шлакової ванни невитратними електродами після попереднього вилучення витратних електродів.

Ще більш жорсткі вимоги пред'являються до якості шва при заплавленні тріщин і інших дефектів у таких товстих великогабаритних деталях, як підштампові плити. Так само, як при зварюванні (наплавленні) ковальських баб, виникає потреба у нижній і верхній футерованих кишенях та рідкому старті електрошлакового процесу. Щоб уникнути виникнення гарячих тріщин потрібно ще більш низька швидкість наплавлення металу.

При зварювані, наплавленні і заплавленні важких великогабаритних деталей, щоб уникнути виникнення холодних тріщин, виникає необхідність у попередньому нагріванні їх до високих температур (723 –  К). За час проведення основних і допоміжних технологічних операцій температура в звареному шві та зоні термічного впливу не повинна падати нижче точки мартенситного перетворення (рисунок ). Тому температуру контролювали пірометром у проміжках часу від попереднього нагрівання до гарячого всаду заготовки в термічну піч.

Комплекс представлених заходів дозволив розробити технологію відновлення багатотонних деталей товщиною 500-1000 мм і повернути їх у виробничий цикл. Працездатність їх після відповідного термічного оброблення виявилася на рівні аналогічних деталей виготовлених з деформованого металу відкритої виплавки.

ВИСНОВКИ

Дисертацію присвячено розробці комплексу фізико-металургійних, технологічних і конструктивних рішень, спрямованих на виготовлення литих заготовок для деталей підвищеної надійності. На основі результатів комплексного дослідження технологічних параметрів ливарних технологій одержання заготівок і якості металу електрошлакової плавки зроблені наступні висновки:

1. Розроблена ливарна ресурсозберігальна технологія виробництва з відходів металу великогабаритних електрошлакових відцентрових виливків масою до 1т профільного і фасонного перерізу з конструкційних сталей марок 40Х, 35Л, 18ХГНМФР, а також міді і її сплавів.

2. Розроблена нова ливарна ресурсозберігальна технологія виготовлення з відходів металу фасонних електрошлакових кокільних виливків масою до 0,5 т з конструкційних і штампових сталей марок 20, Х12М, 6Х6В3МФС із застосуванням жорсткого висувного дорна. Механічні властивості і стійкість штампів холодного деформування, виготовлених з литих електрошлакових заготовок, знаходяться на рівні властивостей і стійкості штампів з деформованого металу.

3. Встановлено за допомогою математичного моделювання і експериментально підтверджено час початку витягування твердого дорна з металевої форми в процесі тверднення виливків ЕКЛ під шаром шлаку.

4. Розроблена технологія виготовлення суцільних і порожнистих електрошлакових злитків масою до 2,5т з відходів металу жароміцних і штампових сталей. Досліджена якість порожнистих злитків ЕШП з жароміцної сталі 15Х12Н2МВФАБ (ЕП-517Ш). Результати механічних випробувань зразків при Т=293 К і випробувань на тривалу міцність при Т=823 К та твердість показали, що характеристики литого металу ЕШП в подовжньому, тангенціальному і радіальному напрямах мають однакові і стабільні значення, які знаходяться на рівні деформованого металу відкритої виплавки. Ступінь деформації 40-50% забезпечує рівень характеристик пластичності, ударної в'язкості електрошлакової сталі ЕП-517, перевищуючи ці показники для деформованої сталі відкритої виплавки на 20-25 %.

5. Розроблені технології виготовлення штампових заготовок ЕШП і відновлення штампів масою до 1т. методом електрошлакового наплавлення з використанням витратних литих, зварних, кованих електродів і металевої стружки. Стійкість електрошлакових штампів знаходиться на рівні або перевищує стійкість штампів з деформованого металу відкритої виплавки.

6. Розроблена ресурсозберігаюча технологія виготовлення і відновлення деталей ковальсько-пресового устаткування і оснащення масою до 10т з конструкційних сталей.

7. На прикладі сталі ЕП показано, що хімічна неоднорідність сталі ЕШП збільшується по висоті зливка, про що свідчить підвищення значень коефіцієнту ліквації легуючих елементів. Так коефіцієнт ліквації молібдену КMo підвищився від 1,96 (дона частина) до 2,90 (головна частина); КV – від 1,56 до 2,00 (КV поч.=0,77); КW  від 1,79 до 2,53 (КW поч.=2,42); Ксr – від 1,18 до 1,22 (КCr поч.=1,02). Утворення такої хімічної неоднорідності пояснюється тим, що середній розмір дендритів в нижній частині зливка менший ніж в головній частині.

8. Досліджені теплофізичні параметри електрошлакового тигельного плавлення в печі місткістю до 1,2 т. металу. Встановлені закономірності зміни теплового потоку від шлакової ванни до шихти і футеровки. Визначені раціональні параметри введення теплової енергії в шлакову ванну. Розрахований тепловий баланс електрошлакової тигельної плавки. Показано, що при оптимальному веденні