Головачов Артем Миколайович. Розробка металургійних основ ресурсозберігаючих технологій одержання композитних злитків швидкорізальної сталі : Дис... канд. наук: 05.16.02 - 2008.
Анотація до роботи:
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.
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 1455С, що на 13С 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.
Публікації автора:
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.
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.
У роботах, наведених в авторефераті і спільних публікаціях, авторові належить обґрунтування [1] доцільності використання технології «рідкий сандвіч» і методика оцінки її економічної ефективності на підставі результатів промислового випробування; аналіз результатів дослідження структури и карбідів в складі металу, одержаного з композитного злитка за схемою «рідкий сандвіч» [2]; аналіз [3] сучасних теорій виникнення концентраційного переохолодження при твердінні сплавів, схема впливу накопичення домішок на температуру ліквідус, висновок про закономірне утворення на міжфазній межі розплаву з пониженим ліквідусом; гіпотеза [4, 7, 9,] про можливість використання технології рідкий сандвіч для одержання ефективних композиційних швидкорізальних сталей, постановка і проведення промислового експерименту і результати дослідження структури і властивостей металу; постановка задачі, принципи, формули і алгоритм розрахунку, наповнення бази даних для прогнозування ходу твердіння, складу і властивостей внутрішнього шару литих композитних злитків [5]; обґрунтування [8, 10] можливості використання методу ЕШП ЖМ для одержання великогабаритного інструменту зі швидкорізальної сталі, методика проведення експерименту і дослідження якості металу; результати дослідження деформуємості відмінної за хімічним складом вставки при прокатці і волочінні композитного злитка [6].
