ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАТЕРІАЛОЗНАВСТВА
ім. І.М. Францевича
ШПАК ПАВЛО ОЛЕКСАНДРОВИЧ
УДК 669.187.526.002.6
ОСОБЛИВОСТІ СТРУКТУРОУТВОРЕННЯ Й ВЛАСТИВОСТЕЙ ШВИДКОРІЗАЛЬНОЇ СТАЛІ ТА ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ТЕХНОЛОГІЇ ЇЇ ЕЛЕКТРОННО-ПРОМЕНЕВОГО ПЕРЕПЛАВУ
Спеціальність 05.02.01 – матеріалознавство
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ - 2006
Дисертацією є рукопис
Робота виконана на науково-виробничому підприємстві “ГЕКОНТ”
Науковий керівник: доктор технічних наук, с.н.с. Гречанюк Микола Іванович, НВП “ГЕКОНТ”, Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Афтанділянц Євгеній Григорович, Національний аграрний університет
доктор технічних наук, с.н.с. Тур Олександр Олексійович, Фізико-технологічний інститут металів і сплавів НАН України
Провідна установа: відділ перспективних технологій високих тисків, дисперсних матеріалів та спікання кераміки Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАНУ
Захист відбудеться 13 березня 2006 р. о 14 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.207.03 Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України за адресою: 03142, м. Київ-142, вул. Кржижанівського, 3
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України за адресою: 03142 Київ-142, вул. Кржижанівського, 3
Автореферат розіслано 25 січня 2006 року
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Д26.207.03
доктор технічних наук _______________________ Р.В. Мінакова
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Розвиток багатьох галузей промисловості, надійність та продуктивність роботи устаткування металообробки, якість виготовленої продукції машинобудування, а з ними й економіки нашої держави - в значній мірі залежать від якості використовуваного різального інструменту. Його вдосконалення проводиться у трьох напрямках: оптимізація хімічних складів існуючих, та розробка нових інструментальних сталей і сплавів; розробка та впровадження нових перспективних технологічних процесів отримання інструментальних матеріалів й виготовлення інструменту з них; розробка та використання нових способів обробки різальних поверхонь.
Створення недорогого якісного та конкурентноздатного різального інструменту є надзвичайно-важливою проблемою для України, особливо, якщо враховувати відсутність в державі вихідної сировини для отримання легуючих елементів: вольфраму, кобальту й ванадію. Насьогодні найширшого розповсюдження в промисловості набуло використання різального інструменту, виготовленого із швидкорізальної сталі. Тому, особливої актуальності набувають створення та впровадження у промисловість технологій переробки відходів інструментального виробництва й відпрацьованого інструменту, які є в значних кількостях на підприємствах у промисловості.
Вивченню особливостей кристалізації, фазових та структурних перетворень, впливу термічної обробки, способів отримання й властивостей швидкорізальних сталей присвячено велику кількість наукових праць. Серед них роботи радянських, українських вчених та дослідників з-за кордону: О.П. Гуляєва, Л.О. Позняка, Є.П. Калінушкіна, С.Є. Кондратюка, О.С. Чауса, І. Артингера, H. Goldshtein, J. Wood та ін. Аналіз літературних даних свідчить про зростаючий інтерес та перспективність використання переплавних процесів спеціальної електрометалургії (зокрема, вакуумних) для виробництва інструментальних сталей. Особлива увага приділяється зменшенню собівартості, трудо- та енерговитрат, несприятливого екологічного навантаження на оточуюче середовище виробництва, підвищення якості матеріалів, що використовуються для виготовлення інструменту. В цьому сенсі значні перспективи має промислове використання способу електронно-променевого переплаву для виробництва якісних інструментальних сталей.
Водночас, вирішення проблеми підвищення рівня технологічних та експлуатаційних властивостей різального інструменту, що виготовляється із швидкорізальних сталей неможливо без розробки та впровадження надійних та дієвих методів впливу на структуру й властивості металу ще на стадії приготування розплаву та наступної кристалізації його у зливки. Тому комплексне вивчення процесів плавлення, рафінування, кристалізації, формування зливків, термічної обробки на структуру і властивості матеріалу, їх оптимізація дозволяє розробляти й впроваджувати нові ефективні технології виплавки швидкорізальних сталей та виготовлення якісного різального інструменту.
Отже, створення нових ресурсозберігаючих, екологічно-чистих технологій отримання й переплаву швидкорізальних сталей та виготовлення якісного різального інструменту є насьогодні актуальним завданням.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дана робота безпосередньо пов’язана з виконанням державного плану науково-дослідних робіт за науковою темою, що розроблялася в НВП “ГЕКОНТ” за завданням Міністерства освіти та науки України за №8/12-2001 від 3 квітня 2001 р., тема 6.01.3: “Модернізація промислового устаткування та розроблення електронно-променевої технології утилізації відходів швидкорізальної сталі”. В ході виконання вищезгаданої роботи здобувач брав активну безпосередню участь у розробці плану й методик досліджень, теоретичному обґрунтуванні, технічній підготовці та проведенні експериментів, опрацюванні й узагальненні їх результатів, розробці технології, упорядкуванні та оформленні звітної документації, будучи відповідальним виконавцем.
Мета роботи й задачі дослідження.
Метою даної роботи є розвязання науково-технологічної задачі з розробки ефективної ресурсозберігаючої технології електронно-променевого переплаву швидкорізальної сталі та її термічної обробки.
Об’єктом дослідження є процеси взаємодії переплавлюваного металу з електронним променем, кристалізації та формування структури зливків швидкорізальної сталі при електронно-променевому переплаві й наступній термічній обробці.
Предметом дослідження є вивчення особливостей формування структури й властивостей швидкорізальних сталей, визначення раціональних технологічних параметрів проведення їх електронно-променевого переплаву та режимів термічної обробки, що забезпечують оптимальний хімічний і фазовий склад, структуру, необхідні фізико-механічні, експлуатаційні та технологічні властивості.
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:
- дослідити вплив параметрів кристалізації розплаву, формування й охолодження зливків на стійкість до утворення тріщин, фазовий склад та структуру зливків швидкорізальної сталі електронно-променевого переплаву;
- встановити взаємозвязок між технологічними параметрами проведення електронно-променевого переплаву швидкорізальної сталі та хімічним складом отриманих зливків, мінімізувати втрати легуючих компонентів й загальні втрати металу при переплаві;
- дослідити вплив параметрів термічної обробки на структуру, фізико-механічні та технологічні властивості зливків швидкорізальної сталі електронно-променевого переплаву;
- на основі отриманих результатів досліджень розробити ефективну ресурсозберігаючу технологію електронно-променевого переплаву швидкорізальної сталі.
Наукова новизна. В процесі вирішення поставлених задач дослідження було отримано такі результати, що мають наукову новизну:
1. На основі теоретичних принципів структуроутворення легованих сталей евтектичного типу і отриманих результатів експериментальних досліджень розроблено науково-технологічні засади та обґрунтовано ефективність використання електронно-променевого переплаву для виготовлення високоякісних зливків швидкорізальної сталі.
2. В результаті проведеного комплексного системного дослідження процесів тверднення, фазових перетворень та структуроутворення показано, що при кристалізації зливків швидкорізальної сталі Р6М5 в умовах прискореного (10-102 Сс-1) охолодження при електронно-променевому переплаві з проміжною ємністю (ЕППЄ), на відміну від зливків, отриманих іншими способами (традиційним (ДСП), ЕШП, ПДП), формуються евтектики лише двох типів: переважною (55-65 %об.) є пластинчаста, на основі метастабільного карбіду М2С, решта – скелетна, на основі карбіду М6С; - евтектоїд в кінцевій структурі сталі відсутній.
3. Експериментально визначено критичні точки й температурні інтервали фазових перетворень швидкорізальної сталі Р6М5 електронно-променевого переплаву. Встановлено, що при затвердінні зливків ЕППЄ в умовах прискореного тепловідводу початок перитектичної кристалізації швидкорізальної сталі зміщується на 20-30 С в бік зменшення температури, з поступовим переходом від трифазного L+ до чотирифазного L++K перитектичного перетворення. При цьому, його перебіг відбувається з високою швидкістю в розширеному на 20-30 С температурному інтервалі й завершується повністю до початку евтектичної реакції L+K.
4. Встановлено, що зміщення температурних інтервалів фазових перетворень та структурні зміни, що відбуваються на стадії первинної кристалізації сталі Р6М5 при ЕППЄ призводять до подрібнення структури її металевої основи (бал аустенітного зерна № 10-11), рівномірного розподілу евтектичних карбідів та зміни механізму руйнування з переходом від грубого міжзеренного - до змішаного, з розвиненими поверхнями зламу з одночасним збільшенням ступеня пластичної деформації, яка передує руйнуванню.
Практичне значення одержаних результатів. Отримані в ході виконання роботи основні науково-експериментальні результати було використано при розробці ефективних ресурсозберігаючих технологічних процесів отримання якісних товарних заготовок швидкорізальної сталі та утилізації промислових відходів інструментального виробництва.
Проведені у ВАТ “Вінницький інструментальний завод” випробування швидкорізальної сталі Р6М5, отриманої шляхом електронно-променевого переплаву заводського скрапу, показали, що отриманий матеріал має підвищену в’язкість, зносостійкість та добру шліфованість, твердість сталі після гартування й відпуску складає 65-66 HRC.
Розроблену маловідходну ресурсозберігаючу промислову технологію і обладнання для електронно-променевого переплаву швидкорізальної сталі й термічної обробки отриманих зливків освоєно та впроваджено на НВП “ГЕКОНТ” (м. Вінниця).
Особистий внесок здобувача: аналіз літературних даних, визначення мети та постановка завдання й задач дослідження, виплавка дослідних зливків, виготовлення зразків, їх термічна обробка, проведення високотемпературного диференціального термічного й рентгенофазового аналізу, металографічних, дюрометричних та фрактографічних досліджень, визначення механічних властивостей, математичне моделювання теплофізичних параметрів тверднення циліндричних зливків швидкорізальної сталі Р6М5 при ЕППЄ, розрахунок техніко-економічних показників та ефективності використання електронно-променевого переплаву, підготовка публікацій за темою дисертації - виконані дисертантом самостійно.
Співавторами, разом з якими були опубліковані наукові праці, надавалась консультативна та практична допомога з реалізації дисертаційних досліджень. У розробці й програмній реалізації алгоритму розрахунків за математичною моделлю брав участь к.т.н. Лєсной О.Б..
Апробація результатів роботи. Основні наукові положення й результати проведених досліджень були повідомлені й обговорені на 6 міжнародних науково-технічних конференціях: “Производство стали в XXI веке. Прогноз, процессы, технологии, экология” (Київ-Дніпроперовськ, НТУУ “КПІ”, 15–19 травня 2000 р.); II-й міжнародній науково-промисловій конференції “Материалы и инструменты - новое в традиционном” (ІНМ НАНУ, Славське, 25 лютого - 1 березня 2002 р.); The 5-th International Symposium of Croatian Metallurgical Society “Materials and Metallurgy” SHMD’2002, Sibenik, Croatia (June 23-27, 2002); The 7-th International Conference on Electron Beam Technologies (EBT 2003), Varna, Bulgaria (1-6 June, 2003); The International Conference “Advanced materials and technologies” Universitatea “Dunarea de Jos” din Galati, Romania, (20-22 November, 2003); Conferinta nationala “Turnatoria de la rigoarea tehnicii la arta” (Artcast 2004), Universitatea “Dunarea de Jos” Galati, Romania, (14-15 Mai, 2004).
Публікації. Основні положення дисертації опубліковано в 4 статтях у провідних фахових наукових журналах, 6 тезах та матеріалах конференцій, отримано 2 патенти України на винахід.
Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, джерел використаної літератури та додатків. Загальний обсяг роботи складає 150 сторінок, в тому числі 44 рисунки, 20 таблиць, 113 використаних джерел літератури та 5 додатків.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі показано сучасний стан наукової проблеми, актуальність і доцільність розвитку даного напрямку досліджень. Обґрунтовані наукова новизна та практична корисність отриманих у роботі результатів.
Перший розділ містить огляд літературних даних та інших доступних джерел інформації й складається з чотирьох пунктів, де розглянуто й проаналізовано властивості, вимоги і області використання швидкорізальних сталей; особливості їх кристалізації; новітні та традиційні способи отримання і переплаву, їх переваги та недоліки; особливості й перспективи використання електронно-променевого переплаву швидкорізальної сталі.
Проведений аналіз літературних даних вказує на існування широких можливостей керування процесами тверднення сталі під час електронно-променевого переплаву з проміжною ємністю за рахунок відсутності жорсткого взаємозв’язку між швидкостями проведення переплаву та формуванням зливків - доводить можливість отримання їх з мінімальною протяжністю рідкометалевої ванни й двофазної твердо-рідкої зони при формуванні, або ж і зовсім без неї. Це відкриває перспективи ефективного керування процесами тверднення та структуроутворення швидкорізальної сталі під час її електронно-променевого переплаву з формуванням зливків із високою гомогенністю структури та хімічного складу по всьому їх перерізу.
На основі проведеного дослідження літературних джерел обґрунтовано доцільність та особливості використання електронно-променевого переплаву швидкорізальної сталі для отримання якісних заготовок з оптимальними параметрами структури та їх фізико-механічних властивостей для інструментального виробництва.
Другий розділ містить відомості про використані матеріали, обладнання та технічні особливості отримання зразків, а також методи досліджень, які використовувались в ході виконання дисертаційної роботи.
Як об’єкт досліджень, в якості модельного сплаву використовували зливки швидкорізальної сталі, що відповідали за своїм хімічним складом марці Р6М5 (ГОСТ 19265-73). Досліджувані зливки було отримано способом електронно-променевого переплаву з проміжною ємністю (ЕППЄ) промислових відходів інструментального виробництва. Для порівняльного аналізу властивостей використовували зразки із каліброваної сталі (кругу) марки Р6М5 ГОСТ 7417-75 виробництва ВАТ “Дніпроспецсталь” (м. Запоріжжя), а також зливки цієї ж сталі, отриманої шляхом електрошлакового переплаву (ЕШП).
Для виготовлення дослідних зливків використовували дослідно-промислову електронно-променеву плавильну установку, створену на базі технологічної вакуумної камери установки УЭ -174.
Визначення хімічного складу отриманих зливків та розподіл хімічних елементів по їх структурних складових проводили методом кількісного мікрорентгеноспектрального аналізу інтенсивності К- серій характеристичного рентгенівського спектру елементів, за допомогою приставки-аналізатора до растрового електронного мікроскопу РЭМ-200М.
Мікроструктуру отриманих зливків швидорізальної сталі електронно-променевого переплаву вивчали на зразках після травління та без нього, за допомогою лабораторного оптичного мікроскопу фірми “Leica” DMLM, оснащеного цифровою фотокамерою “Leica” DC 150 при збільшеннях, відповідно: 100, 200, 500 та х1200. Для металографічних досліджень виготовлялись мікрошліфи із зразків, вирізаних вздовж та поперек осі з головної, середньої та донної частин отриманих зливків.
При вивченні мікроструктури та отримання фрактографічних зображень поверхонь зразків після їх руйнування використовували растровий електронний мікроскоп РЭМ-200М. Тонку структуру зразків досліджували методом просвічуючої електронної мікроскопії за допомогою електронного мікроскопу JSM-840 фірми “JEOL” на простих вуглецевих репліках від полірованих та протравлених поверхонь зразків.
Фазовий склад та структуру отриманих зливків вивчали за допомогою рентгенівського дифрактометра “Rigaku”, обладнаного блоком автоматичної реєстрацієї дифракційної картини, використовуючи характеристичне відфільтроване випромінювання кобальтового аноду.
Визначення критичних точок та температурних інтервалів фазових перетворень проводили методом високотемпературного диференціального термічного аналізу (ВДТА) на дослідній установці відділу фазових перетворень Інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАНУ при швидкості нагрівання dt/d 80 С/хв. (1,33 Сс-1) із використанням в якості еталону чистого нікеля.
Кількість залишкового аустеніту в досліджуваних зразках визначали магнітним методом за допомогою магнітного аустенометру МАК-2 М за калібрувальним еталоном із загартованої та відпущеної швидкорізальної сталі Р6М5.
Механічні властивості отриманої сталі визначали:
- визначення мікротвердості структурних складових проводили за допомогою мікротвердоміру ПМТ-3 за стандартною методикою при навантаженні на індентор 50 г, згідно до ГОСТ 9450-60;
- визначення твердості за Роквелом (HRC) отриманих зливків проводили за стандартною методикою, згідно до ГОСТ 9013-59, за шкалою С із загальним навантаженням 1500 Н (150 кгс);
- випробування на красностійкість (теплостійкість) проводили згідно до ГОСТ 19265-73 за результатами вимірювання твердості сталі після додаткового відпуску зразків при 620 С протягом 4 год.
- визначення ударної в’язкості проводили методом випробувань на ударний згин згідно до ГОСТ 9454-78 на поздовжніх та поперечних зразках з концентратором виду U та без надрізу, вирізаних з головної, середньої та донної частин зливків на стандартному маятниковому копрі з потенціальною енергією маятника 150 Дж та швидкістю в момент удару 5 м/с в Інституті проблем міцності ім. Писаренко НАН України;
Службові та експлуатаційні властивості досліджуваної сталі (випробування на стійкість та зношування) вивчали при випробуванні різального інструменту, виготовленого із неї (по 5 шт. однакового типу з отриманих зливків ЕППЄ кожної плавки) на ВАТ “Вінницький інструментальний завод” за стандартною технологією, без зміни технологічних умов та режимів, прийнятих на підприємстві при серійному виробництві аналогічного інструменту із швидкорізальної сталі традиційної плавки:
- свердла діаметром 60 мм (з привареними хвостовиками із вуглецевої сталі): швидкість подачі 0,56 мм/об., швидкість різання 27 м/хв., число обертів 140 об./хв. при свердлінні пластин з вуглецевої сталі 45 ГОСТ 1050-88 (твердість 190 НВ) товщиною 40 мм без змащування й перезаточування до затуплення різальної кромки;
- фрези дискові діаметрами 63 та 80 мм: при торцевому фрезеруванні без охолодження пластин із тієї ж сталі при швидкості подачі 0,06 та 0,08 мм/зуб, швидкість обертів 200 та 160 об./хв.
В якості критерію затуплення інструменту приймали глибину його поверхні зносу 0,4 мм.
Третій розділ дисертації присвячено вивченню впливу електронно-променевого переплаву на хімічний та фазовий склад швидкорізальної сталі, визначенню її фізико-механічних властивостей. Особливу увагу приділено процесам тверднення й формування структури швидкорізальної сталі під час електронно-променевого переплаву з проміжною ємністю, взаємодії розплаву з вакуумним середовищем та впливові концентрованих високоенергетичних пучків (електронних променів) на фазо- та структуроутворення в сталі.
Порівняльний аналіз отриманих диференціальних кривих нагрівання й охолодження зразків із швидкорізальної сталі Р6М5 традиційної плавки та електронно-променевого переплаву (рис. 1, 2), отриманих методом високотемпературного диференціального термічного аналізу (ВДТА), показав якісну відповідність процесів кристалізації та фазових перетворень в сталі після переплаву до відомих і описаних у літературі.
Тверднення розплаву при його охолодженні починається з виділення із нього кристалів - фериту (L). Далі, із зниженням температури відбувається трифазне (L+), а потім і чотирифазне (L++К) перитектичні перетворення. Завершується кристалізація евтектичним твердненням рідкої фази, що залишилась (L+К).
Але, разом з тим, відзначаються також відмінності кінетики перебігу фазових перетворень в сталях ЕППЄ та традиційної плавки (ДСП). Так, початок трифазного перитектичного перетворення в сталі електронно-променевого переплаву зміщується на 20-30 С в бік зниження температури в порівнянні зі сталлю традиційної плавки. Але, в температурному інтервалі 1330-1230 С, при подальшому охолодженні, збільшення абсолютного значення максимуму диференціальної кривої для зразку із сталі ЕППЄ та зміщення його відносно аналогічного максимуму для сталі традиційної плавки на 20-30 С в бік підвищення температури свідчить про розширення температурного інтервалу перекристалізації та затримку в часі початку евтектичного перетворення. При цьому, збільшення кількості тепла, що виділяється при перитектичному перетворенні (L++К) та підвищення швидкості росту первинних осей дендритів аустеніту в результаті переохолодження й евтектичного розпаду залишкового розплаву - призводять до його концентраційної неоднорідності. Внаслідок цього відбувається виділення аустеніту безпосередньо із розплаву (L) та виділення тугоплавких карбідів (МС та М2С) з утворенням евтектики на базі метастабільного карбіду М2С (L+К). Наявність рідини на фронті перитектичного перетворення полегшує дифузійні процеси, що й пояснює велику швидкість перебігу перитектичного перетворення, його повну завершеність та утворення більш легованого аустеніту. При цьому, температурні інтервали кристалізації швидкорізальної сталі Р6М5 ЕППЄ та традиційної плавки - однакові (1430-1235 С).
Відповідно до прийнятої схеми структуроутворення, скупчення карбідів всередині дендритів первинного твердого розчину та карбіди, що утворюють ланцюжки є продуктами чотирифазної перитектичної реакції, а скупчення карбідів (аустенітно-карбідні агрегати) – є перитектичними центрами. При цьому, перитектичне перетворення завершується повністю ще до початку евтектичного, а неоднорідність аустеніту проявляється у розподілі вторинних карбідів в структурі швидкорізальної сталі при охолодженні по завершенні кристалізації. Навколо евтектичних колоній та перитектичних центрів розташовані термодинамічно-стабільні карбіди М6С, утворюючи скелетну евтектику, а решту об’єму карбідного зерна займають метастабільні карбіди М2С, утворюючи пластинчасту евтектику (рис. 3).
Головною особливістю евтектичної кристалізації швидкорізальних сталей, в яких відбувається перитектичне перетворення є те, що утворення в них евтектики зумовлено не лише низьким ступенем завершеності перекристалізації в умовах кінечних швидкостей охолодження через обмеження дифузійних процесів в аустеніті, а й досягненням розплавом евтектичного складу в часі швидше, ніж прореагує увесь - ферит. Підвищення швидкості охолодження зливків швидкорізальної сталі при ЕППЄ призводить до повного завершення перитектичної реакції. Це пояснюється розширенням температурного інтервалу перекристалізації внаслідок значного переохолодження рідини евтектичного складу в умовах прискореного тепловідводу. При цьому відбувається утворення перитектичного аустеніту, який має близький до - фериту хімічний склад, що зменшує концентрацію феритостабілізуючих елементів в розплаві й затримує його евтектичне тверднення, а в структурі швидкорізальних сталей утворюються два типи евтектик на основі карбідів М6С та М2С, які мають різну термодинамічну стабільність. При цьому, особливості первинної структури литої сталі наслідуються й після повної термічної обробки та мають вирішальний вплив на формування властивостей швидкорізальної сталі. Зокрема, ЕППЄ з прискореним охолодженням зливків при їх кристалізації в мідному водоохолоджуваному кристалізаторі є досить ефективним способом поліпшення структури та властивостей литої швидкорізальної сталі. При цьому, відсутність жорсткого дендритного каркасу в пластинчастої евтектики, на відміну від скелетної, сприяє підживленню міждендритного простору за рахунок рідкої фази з розплаву в інтервалі кристалізації та компенсуванню усадкових напружень, що значно зменшує вірогідність утворення кристалізаційних тріщин. Зменшення абсолютних значень піків диференціальних кривих охолодження для сталі ЕППЄ, в порівнянні з традиційною дозволяє стверджувати про подрібнення карбідів, що виділяються з розплаву, збільшення кількості зародків кристалізації та утворення, згодом, дрібних рівноосних зерен аустеніту.
Для визначення теплофізичних умов тверднення циліндричних зливків швидкорізальної сталі при ЕППЄ було використано математичну модель, запропоновану Д.А. Козлітіним. При цьому приймалось, що рідкий метал зливається з проміжної ємності до кристалізатора порціями, а зливок періодично витягується донизу за допомогою водоохолоджуваного піддону. Вільна поверхня рідкої металевої ванни зливка в кристалізаторі обігрівається скануючим за заданою розгорткою електронним променем. В даній моделі в якості контрольованих технологічних параметрів прийнято: потужність скануючого електронного променя; періодичність зливання розплаву з проміжної ємності до кристалізатора; висота порції металу, що зливається. Основою розрахунків за математичною моделлю є числовий розв’язок диференційного рівняння теплопроводності в циліндричній системі координат, записаного для випадку осьової симетрії температурного поля (задача Стефана):
.
Для спрощення розрахунків за моделлю приймалось, що теплове поле у зливкові, що кристалізується - осесиметричне. Зважаючи на порівняно невеликий діаметр (70, 100 та 130 мм) зливків швидкорізальної сталі, для яких розраховувались температурні поля та малу глибину рідкої ванни розплаву під час їх формування при ЕППЄ й спрощення розрахунків за математичною моделлю - гідродинамічні ефекти тепломасопереносу в рідкій фазі не враховували. Форма та глибина ванни розплаву та двофазної (твердо-рідкої) зони при формуванні зливків ЕППЄ визначаються геометричним місцем ізотерм ліквідусу та солідусу.
Рівняння розв’язувалось у двовимірній області [0<r<R, 0<z<H(t)], t>0. Поточна висота зливка H(t) збільшувалась дискретно, відповідно до технологічних параметрів порційного зливання розплавленого металу із заданою величиною перегрівання над температурою ліквідусу з проміжної ємності до поверхні рідкої ванни в кристалізаторі. В початковий момент часу t=0 для розрахунків приймалося, що існує деякий початковий об’єм рідкого металу висотою H(0) з однорідним температурним полем T(r,z,0)=T0 - квазістаціонарні умови.
Для проведення розрахунків за використаною моделлю були прийняті такі теплофізичні характеристики швидкорізальної сталі Р6М5:
- температура ліквідусу, С 1430
- температура солідусу, С 1235
- середня теплопровідність, Вт/(мС) 25,5
- середня питома теплоємкість, Дж/(кгС) 752
- середня густина, кг/м3 8050
Змінювані технологічні параметри варіювались при розрахунках у таких межах: потужність електронного променя (P)– 10...50х103 Вт; діаметр зливка (2R)– 0,07, 0,1 та 0,13 м.
Для числового моделювання теплофізичних умов формування циліндричних зливків швидкорізальної сталі Р6М5 при ЕППЄ приймали такий розподіл теплової потужності по поверхні дзеркала рідкої ванни розплаву в кристалізаторі, за якого електронний промінь сканує поверхню по кругу із збільшенням питомої теплової потужності біля стінки кристалізатора. Такий прийом використовується при ЕППЄ на практиці для запобігання утворенню “надривів” та інших поверхневих дефектів при формуванні та витягуванні зливка в циліндричному кристалізаторі ковзання. За визначеними методом ВДТА критичними температурами фазових перетворень при кристалізації та охолодженні швидкорізальної сталі Р6М5 ЕППЄ:
L 1430 C
L+ L++ 1360 C
L++ L+++MxC 1290 C
L+++MxC +MxC 1235 C,
за наведеною математичною моделлю було розраховано температурні поля для циліндричних зливків діаметрами 70, 100 та 130 мм для різних моментів технологічного процесу (зливання порції розплаву з проміжної ємності, в періоді між зливаннями, під час охолодження й виведення усадкової раковини, тощо) за різних значень струму (потужності) електронного променя.
Аналіз розрахованих полів ізотерм (рис. 4), отриманих в результаті моделювання при варіюванні змінних параметрів розрахунку, дозволяє визначати оптимальні технологічні параметри для виплавляння якісних зливків швидкорізальної сталі, контролювати величину й форму рідкої ванни розплаву, твердо-рідкої зони (фронту кристалізації) та оцінювати геометрію зон фазових перетворень у зливках, що формуються.
Адекватність розглянутої моделі та результатів проведених розрахунків задовільно підтверджуються експериментальними даними й порівнянням з результатами, отриманими іншими дослідниками для випадку електронно-променевого переплаву з проміжною ємністю. Так, при виплавці зливків швидкорізальної сталі Р6М5 рідка ванна перегрітого розплаву в кристалізаторі є досить мілкою (до 4 мм) й пласкою; твердо-рідка двофазна зона має напівсферичну форму, а її глибина, в залежності від діаметра й потужності електронного обігрівання складає 8-30 мм, що є характерним для ЕППЄ.
Макроструктура досліджуваних циліндричних зливків швидкорізальної сталі Р6М5 ЕППЄ характеризується однорідною й щільною будовою без дефектів лікваційного та усадкового характеру. В макроструктурі поздовжніх перерізів зливків розрізняються головні осі дендритів, що направлені нормально до фронту кристалізації й зорієнтовані під кутом 30-40 до осі.
Мікроструктура литої швидкорізальної сталі Р6М5 ЕППЄ складається з мартенситу (бал зерна № 9-10), залишкового аустеніту, карбідної сітки (бал карбідної неоднорідності № 6-7 за шкалою 2, згідно до ГОСТ 19265-73) по границях зерен (пластинчаста та скелетна евтектики) й дисперсних карбідів, рівномірно розподілених по всьому перерізу зливків. При цьому, карбідна сітка – розірвана (дискретна), має тонку ажурну будову, її товщина – 2-7 мкм, величина первинних карбідів – 3-5 мкм (рис. 5).
Аналіз хімічного складу твердого розчину та ледебуритної евтектики (табл. 1) свідчить про порівняно-високу легованість аустеніту (мартенситу) литої швидкорізальної сталі Р6М5 ЕППЄ завдяки високій швидкості охолодження сталі в мідному водоохолоджуваному кристалізаторі ковзання при переплаві.
Таблиця 1
Хімічний склад литої сталі Р6М5
Об’єкт | Вміст, %мас. | Примітки:
досліджень: | W | Mo | Cr | V | Mn
- твердий розчин
- ледебурит | 4,3
7,3 | 3,24
6,7 | 2,8
5,4 | 2,12
4,9 | 0,3
0,7 | ЕППЄ
ЕППЄ
- твердий розчин | 3,6 | 2,64 | 4,3 | 2,04 | 0,6 | литво в кокіль
На дифрактограмах зразків литої сталі Р6М5 ЕППЄ (рис. 6) окрім ліній - твердого розчину (мартенситу) відзначаються піки порівняної інтенсивності, як від стабільного карбіду М6С (скелетна евтектика дендритної морфології), так і від метастабільних М2С (пластинчаста евтектика), а також піки з малою інтенсивністю від карбідів МС (VC). Присутні також піки малої інтенсивності від високохромистих карбідів М23С6 та М3С2. Це пояснюється підвищеною концентрацією ванадію в хімічному складі швидкорізальної сталі Р6М5 ЕППЄ внаслідок вибіркового випаровування легуючих елементів у вакуумі, порівняно невеликим ступенем перегрівання розплаву, а також високою швидкістю охолодження зливків при переплаві.
Загальна кількість карбідів в структурі литої швидкорізальної сталі Р6М5 електронно-променевого переплаву складає 18-22 %об. Кількість залишкового аустеніту в литій швидкорізальній сталі Р6М5 ЕППЄ є порівняно невеликою й складає 10-12 %об. Кількість неметалевих включень після переплаву зменшилась у 2-4 рази (табл. 2), а ті, що залишились - мають сприятливу округлу форму, дисперсні й рівномірно-розподілені по об’єму зливка без скупчень.
Таблиця 2
Вміст неметалевих включень в сталі Р6М5
Об’єкт досліджень: | Вміст включень 10-3, % (об.)
глинозем | глобулін | сульфіди | всього
скрап
після ЕППЄ | 4,65
1,4 | 0,43
0,25 | 21,06
4,56 | 26,14
6,21
Після переплаву отримані зливки піддавали ізотермічному гомогенізуючому відпалу за схемою: аустенізація - нагрівання до температури 880-900 С й витримка протягом 3 годин (евтектоїдне перетворення); охолодження до 760-780 С з ізотермічною витримкою протягом 6 год (дифузійне перетворення); повільне охолодження з піччю до 400 С. Мікроструктура швидкорізальної сталі Р6М5 електронно-променевого переплаву після відпалу складається з сорбітоподібного перліту (бал зерна № 9-10 ГОСТ 19265-73), розірваної карбідної сітки по границях зерен й рівномірно-розподілених карбідів. Твердість швидкорізальної сталі Р6М5 ЕППЄ після відпалу - дещо підвищена (250-270 НВ), що пояснюється високою вихідною легованістю твердого розчину литої сталі ЕППЄ, а також можливим частковим дифузійним розчиненням карбідів при температурі аустенізації під час відпалу.
Результати досліджень впливу фінішної термічної обробки (гартування з відпуском) на твердість та красностійкість швидкорізальної сталі Р6М5 електронно-променевого переплаву наведено в табл. 3-5. При цьому, найвищих значень твердості та красностійкості вона набуває після гартування з температур 1200-1220 С та трикратного відпуску в соляній ванні при температурі 550-560 С.
Рентгенофазовий аналіз загартованої та відпущеної сталі свідчить, що при нагріванні для гартування до температури вище 1120 С у вихідному метастабільному карбіді М2С відбувається фазове перетворення. Із підвищенням температури він розпадається на термодинамічно більш стабільні карбіди М6С та MC. Також, дифракційна картина, отримана від зразків після гартування з відпуском показала звуження відносної кутової ширини дифракційних ліній мартенситу та збільшення їх інтенсивності, що свідчить про зменшення внутрішніх напружень в твердому розчині та кубічну будову мартенситу після двократного відпуску загартованої швидкорізальної сталі Р6М5 ЕППЄ.
Таблиця 3
Твердість сталі Р6М5 ЕППЄ після гартування й відпуску
Температура нагрівання для гартування, С | Твердість, HRC | після гартування: | після відпуску: | першого | другоготретього | 1180
1200
1220
1240 | 61…61,5
59…60,5
58…59,5
58…60 | 61…63
62…63
62…63
62…63 | 62…64
63…64
63…65
62…65 | 62,5…64
63…65
63…65,5
63…65 |
Аналіз мікроструктури та характеру поверхонь руйнування зразків із швидкорізальної сталі електронно-променевого переплаву (рис. 7) виявив деякі її особливості. Зокрема, на фрактограмах зразків литої сталі Р6М5 ЕППЄ відзначається змішаний крихко-в’язкий характер руйнування (транскристалітне та інтеркристалітне сколювання + “чашковий” злам).
Після ізотермічного відпалу в структурі сталі відзначається зменшення вмісту карбідної фази, до 16-20 %об. Руйнування зразків після відпуску також відбувалось за змішаним механізмом із зменшенням кількості фасеток сколювання та збільшенням долі в’язкої складової руйнування.
Таблиця 4
Красностійкість сталі Р6М5 ЕППЄ після гартування й відпуску
Температура нагрівання для гартування, С | Твердість після додаткового відпуску при 620 С протягом 4 год., HRC | після гартування: | після відпуску: | першого | другоготретього | 1180
1200
1220
1240 | 58
59
60
60,5 | 58
59
60
60 | 59
60
61
61 | 60
61
61,5
61 | Таблиця 5
Красностійкість сталі Р6М5 ЕППЄ в залежності від середовища охолодження при гартуванні
Середовище охолодження: | KNO3+30% NaOH
(400-420 C) | олива | вода | повітря
красностійкість, HRC61…62 | 61…61,5 | 60…61,5 | 58,5…59
Мікроструктура загартованої та відпущеної швидкорізальної сталі Р6М5 ЕППЄ складається з відпущеного мартенситу, залишкового аустеніту (3-5 %об.) та карбідів. Основним є М6С, також присутні М3С2 й МC із загальним об’ємною долею 8-12 % карбідної складової. Загальний вміст карбідної фази складає 16-22 %об. Руйнування загартованих й відпущених зразків також відбувалось за змішаним механізмом дисперсного квазісколу з незначною часткою в’язкого “чашкового” зламу. Результати порівняльних механічних випробувань швидкорізальної сталі Р6М5 наведено в табл. 6.
Таблиця 6
Механічні властивості швидкорізальної сталі Р6М5
Зразок: | Взг, МПа | KC, МДж/м2HRC | Примітки: | - литий
- відпалений
- гартування й відпуск
- відпал, гартування й відпуск | 1510-1690
2070-2210
2370-2620
2810-3070 | 0,1-0,15
0,16-0,185
0,04-0,08
0,06-0,105 | 52-54
24-26
63-64
64-66 | ЕППЄ
ЕППЄ
ЕППЄ
ЕППЄ
- литво в кокіль
- повна термообробка | 1350-1700
2600-2850 | 007-0,105
0,07-0,1 | 52-55
63-65 | традиційна
традиційна
- повна термообробка | 3000-3850 | 0,05-0,1 | 63-66порошкова |
Четвертий розділ дисертації присвячено розробці промислової технології електронно- променевого переплаву швидкорізальної сталі. За основу було взято результати проведення дослідних плавок та математичного моделювання впливу контрольованих технологічних параметрів проведення електронно-променевого переплаву на кристалізацію й формування зливків. При цьому, найважливішими було визначено такі критерії ефективності переплаву:
- отримання високоякісних гомогенних зливків заданого хімічного складу, з мінімальною мікро- та макроліквацією й без ливарних дефектів;
- мінімізація загальних втрат металу випаровуванням у вакуумі, особливо, дорогих й дефіцитних легуючих елементів;
- конкурентні техніко-економічні та екологічні параметри проведення технологічного процесу.
При відпрацюванні технології ЕППЄ швидкорізальної сталі було встановлено, що із збільшенням масової швидкості проведення переплаву - зменшуються трудоємність процесу, загальні втрати металу випаровуванням у вакуумі та питомі витрати електроенергії. Результати відпрацювання технологічних параметрів проведення електронно-променевого переплаву швидкорізальної сталі Р6М5 наведено в табл. 7.
Результати порівняльних промислових випробувань показали, що стійкість інструменту, виготовленого із швидкорізальної сталі Р6М5 ЕППЄ в 1,2-1,4 рази вища за стійкість аналогічного інструменту, виготовленого із швидкорізальної сталі (поковок, прокату) традиційної плавки.
Таблиця 7
Технологічні параметри електронно-променевого переплаву швидкорізальної сталі Р6М5
№
зливка | Діаметр зливка, мм | Швидкість плавки, мм/хв.
(висота порції зливання металу, мм) | Струм електронних променів, А | Загальна потуж-ність
W, кВт | Питомі витрати електро-енергії, кВтгод/кг | Загальні втрати металу q, %
оплав. | пром. ємність | крист.
1
2
3
4 | 70
70
100
130 | 4,2 (7)
3,7 (6)
3,7 (5)
3,7 (5) | 1-1,2
0,7-1
1-1,3
1,2-1,5 | 0,6-0,8
0,4-0,6
0,7-0,9
1-1,2 | 0,5-0,7
0,3-0,5
0,7-0,9
0,8-1 | 50-54
40-42
59-62
71-74 | 2,2
2,54
2,1
1,8 | 1,76
2,4
2,1
2,3
Хімічний склад отриманих зливків швидкорізальної сталі Р6М5 електронно-променевого переплаву наведено в табл. 8.
Проведені розрахунки техніко-економічних показників свідчать про конкурентні переваги електронно-променевого переплаву швидкорізальної сталі: зменшення технологічних операцій по переділу, питомих трудо- та енерговитрат (1,8-2,54 кВт/годкг), собівартості виготовлення товарних заготовок до 23-29 грн/кг (без ПДВ), збільшення наскрізного виходу годного металу й підтверджують доцільність впровадження запропонованої технології, особливо, за умови використання в якості шихтових матеріалів відсортованих відходів інструментального виробництва та відпрацьованого інструменту для їх утилізації.
Таблиця 8
Хімічний склад швидкорізальної сталі Р6М5 ЕППЄ
Об’єкт дослідження: | Вміст елементів, %мас.:
C | Mn | Si | Cr | W | V | Mo | Cu | S | P | [O] | [N]
Р6М5
ГОСТ19265-73 | 0,82-0,9 | 0,2-0,5 | 0,2-0,5 | 3,8-4,4 | 5,5-6,5 | 1,7-2,1 | 4,8-5,3 | ?0,25 | ?0,025 | ?0,03
cкрап (серед.) | 0,85 | 0,34 | 0,31 | 4,2 | 5,9 | 1,8 | 4,86 | 0,24 | 0,018 | 0,021 | 0,023 | 0,009
зливок (низ) | 0,88 | 0,31 | 0,3 | 3,84 | 6,1 | 1,86 | 4,9 | 0,17 | 0,009 | 0,017 | 0,015 | 0,006
зливок (серед.) | 0,89 | 0,3 | 0,29 | 3,85 | 6,1 | 1,9 | 5,1 | 0,17 | 0,009 | 0,018 | 0,017 | 0,005
зливок (верх.) | 0,91 | 0, 28 | 0,28 | 3,82 | 6,2 | 2 | 5,1 | 0,19 | 0,011 | 0,019 | 0,018 | 0,004
Для практичної реалізації та впровадження у виробництво розробленої промислової технології ЕППЄ швидкорізальної сталі було проведено модернізацію плавильної електронно-променевої установки із збільшенням її продуктивності до 200 т товарних зливків на рік. Розроблено технічний проект й повний комплект технічної документації на створення нової промислової плавильної електронно-променевої установки.
ВИСНОВКИ
В результаті проведеного комплексного дослідження методами: високотемпературного диференціального термічного аналізу, метаталографії, растрової електронної мікроскопії, математичного моделювання, дифрактометричного рентгенофазового, фрактографічного та дюрометричниго аналізів; визначення механічних технологічних і експлуатаційних властивостей швидкорізальної сталі електронно-променевого переплаву – вперше встановлені закономірності формування її структури та властивостей при ЕППЄ. Розроблено науково-технологічні засади електронно-променевого переплаву швидкорізальної сталі. Отримані результати роботи дозволяють зробити такі головні висновки:
1. Встановлено, що процес затвердівання й кристалізації швидкорізальної сталі Р6М5 при ЕППЄ є багатостадійним та відбувається в розширеному на 20-30 С температурному інтервалі перитектичного перетворення, внаслідок значного переохолодження розплаву евтектичного складу в умовах прискореного (10-102 Сс-1) тепловідводу. При цьому, в сталі послідовно відбуваються такі фазові перетворення: L, L+, L++K, L+K, з утворенням двох типів евтектик: переважною (55-60 %об.) - є пластинчаста, на основі метастабільного карбіду М2С, решта – скелетна, на основі М6С; - евтектоїд в кінцевій структурі сталі – відсутній.
2. Запропонована й реалізована математична модель розрахунку теплофізичних параметрів затвердівання зливків швидкорізальної сталі при ЕППЄ дозволяє оцінювати геометрію характерних зон фазових перетворень та визначати технологічні параметри проведення процесу, за яких досягається мінімальна глибина ванни перегрітого розплаву та двофазної твердо-рідкої зони в зливкові, що формується. При цьому, мінімізується вірогідність утворення кристалізаційних тріщин, зменшуються загальні втрати металу випаровуванням та питомі витрати електроенергії, що, в цілому, підвищує ефективність технологічного процесу електронно-променевого переплаву швидкорізальної сталі.
3. Встановлено, що прискорене охолодження швидкорізальної сталі в мідному водоохолоджуваному кристалізаторі ковзання при ЕППЄ, фазові перетворення та структурні зміни, що відбуваються на стадії первинної кристалізації розплаву мають вирішальний вплив на формування властивостей, призводять до подрібнення структури її металевої основи (бал аустенітного зерна № 10-11), рівномірного розподілу евтектичних карбідів (бал карбідної неоднорідності № 5-6). При цьому, змінюється механізм руйнування сталі, з переходом від грубого міжзеренного, до змішаного, переважно внутрішньозеренного, з розвиненими поверхнями зламу, що свідчить про збільшення ступеня пластичної деформації, яка передує руйнуванню.
4. Вивчено вплив ЕППЄ на рафінування швидкорізальної сталі від неметалевих включень. Встановлено, що їх кількість в сталі Р6М5 зменшується при переплаві в 3-4 рази, а залишкові включення подрібнюються (1-3 мкм), мають сприятливу округлу форму й рівномірно розподілені по всьому об’єму зливка.
5. Швидкорізальна сталь Р6М5, отримана шляхом електронно-променевого переплаву промислових відходів інструментального виробництва, має підвищені ударну в’язкість (0,1-0,15 МДж/м2), зносостійкість та шліфованість, твердість її після гартування й відпуску складає 64-65 HRC. Стійкість інструменту, виготовленого із сталі Р6М5 ЕППЄ в 1,2-1,4 рази вища від стійкості аналогічного інструменту, виготовленого з тієї ж сталі традиційної плавки.
6. Встановлено, що із підвищенням швидкості проведення переплаву, зменшуються трудоємність процесу, загальні втрати металу випаровуванням у вакуумі та питомі витрати електроенергії.
7. Розроблено й впроваджено у виробництво ресурсозберігаючу технологію електронно-променевого переплаву швидкорізальної сталі.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ
1. Гречанюк Н.И., Шпак П.А., Афанасьев И.Б. Электронно-лучевая плавка – перспективный метод получения слитков быстрорежущей стали высокого качества // Проблемы
