Разработка технологических мероприятий направленных на повышение выхода годного быстрорежущих марок стали, на примере марок Р6М5, Р18. Рекомендации по уменьшению карбидной неоднородности быстрорежущих марок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

ФГАОУ «Южно-Уральский Государственный Университет» (НИУ)

Филиал ФГАОУ ВО «ЮУрГУ» (НИУ) в г. Златоусте

Факультет Техники и технологии

Кафедра «Техника и технологии производства материалов»

Отчет о научно-исследовательской работе на тему: «Разработка технологических мероприятий направленных на повышение выхода годного быстрорежущих марок стали, на примере марок Р6М5, Р18. Рекомендации по уменьшению карбидной неоднородности быстрорежущих марок»

Выполнил: студент группы ФТТ-130

П.А. Холомякин

Поверил: профессор д.т.н

И.В. Чуманов

Златоуст, 2022

Оглавление

Реферат

Введение

1. Экспериментальная часть

2. Исследование качества металла

Заключение

Библиографический список

Реферат

нагрев металл деформация температурный

Отчет по исследовательской работе содержит 20 страниц, 3 таблицы, 10 рисунков.

Ключевые слова: слиток, нагрев, подогрев, специальный высокотемпературный нагрев, температура, ковка, передел, выход годного, пластичность, макроструктура, ультразвуковой контроль.

Учтены температурно-временные параметры высокотемпературного нагрева с целью повышения равномерности прогрева слитков, полноты сфероидизации карбидной фазы и подготовки структурного состояния металла после высокотемпературного нагрева (1120 - 1240?) к деформации. Это достигается термообработкой слитков по режиму: нагрев до 1220+20?, выдержка не менее 4,5 часов. Увеличение продолжительности выдержки при температуре 1140? с 2,5 до 4,5 часов обусловлено необходимостью завершения кристаллизации той части эвтектики, которая могла расплавиться при нагреве до 1220-1240? и получения плотной макроструктуры.

Одним из эффективных способов предупреждения внутренних трещин в осевой зоне является ковка сорта из исходной заготовки с минимальным припуском по размеру (на 5-7 мм больше диаметра круга) и ковкой «на четыре угла».

Применение опытной технологии нагрева слитков и ковки заготовки на сорт круглого профиля позволяет значительно уменьшить брак по внутренним дефектам, выявляемых при ультразвуковом контроле.

Введение

Быстрорежущие стали марок Р6М5, Р6М5К5, Р18 и другие разливаются в прямоугольные слитки размером 315х380 мм массой около 0,75 тн.

Деформация слитков на сорт кр. 100 мм и более производится путем ковки на молотах. Слитки подвергаются специальному высокотемпературному нагреву в методических трехзонных печах.

При проведении ультрозвукового контроля сортовых прутков на отдельных участках или по всей длине штанг наблюдается нарушение сплошности металла (ковочные трещины). Отбраковка поУЗК за 2021 год составила около 47%.

Слитки быстрорежущих марок стали электродуговой выплавки имеют неоднородную структуру и участки с пониженными температурами плавления эвтектики.

Для уменьшения химической и структурной неоднородности литой стали применили специальный высокотемпературный нагрев слитков перед горячей деформацией. В процессе такого нагрева происходит сфероидизация карбидов, что приводит к улучшению пластичности быстрорежущей стали при последующей деформации.

Наиболее полную структуру имеют слитки электрошлакового переплава, характеризующиеся незначительной ликвацией, что обеспечивает получение сортового металла с плотной бездефектной макроструктурой. В связи с этим опробовали ковку слитков ЭШП для получения крупного профиля размером кр. 100 мм.

Ковка круглого сорта в профильных бойках на «два угла» не всегда позволяет получить металл, свободный от внутренних дефектов, более благоприятные условия создает ковка на «четыре угла».

При ковке круглого сорта по схеме квадрат круг в профильных бойках на «четыре угла» в центральной части заготовки реализуется одноименная схема сжатия при минимальных значениях интенсивности деформации сдвига.

Такая схема напряженного деформирования позволяет вести процесс ковки при больших единичных обжатиях с получением качественного металла.

Целью настоящей работы является разработка новой технологии нагрева слитков под ковку, для улучшения пластичности металла. Разработка технологии ковки слитков, заготовки и сорта для увеличения выхода годного. [1-3]

1. Экспериментальная часть

Для улучшения первичной структуры и деформируемости металла используются различные методы, предусматривающие регулирование процесса кристаллизации, изменение развеса и параметров слитка, схемы деформации и др.

Наиболее рациональным признано применение специальных режимов нагрева, обеспечивающих подготовку температурного состояния металла перед горячей деформацией путем сфероидизации эвтектических карбидов. Новая технология включает специальный высокотемпературный нагрев слитков до температуры ниже средней температуры нагрева солидуса легкоплавких участков с выдержкой, охлаждение до технологической температуры с выдержкой при ней.

Низковольфрамовые и вольфрамомолибденовые стали кристаллизуются с образованием веерообразной эвтектики, представленной карбидом М2С, высоковольфрамовые (типа стали Р18) - с образованием скелетообразной эвтектики (карбид М6С).

Рис. 1 Характер распределения эвтектики в стали Р6М5

Применительно к этим сталям эффективность специальной высокотемпературной обработки снижается, т.к. для сфероидизации карбидов в осевой зоне необходима более высокая температура, при которой периферийная зона слитков (с карбидом М2С) оплавиться.

С целью усовершенствования режимов высокотемпературного нагрева слитков перед ковкой и повышения ее эффективности для исследуемых марок стали микроструктурно-закалочным методом и методом высокотемпературной металлографии были уточнены температуры сфероидизации карбидной фазы.

Разработка опытного режима нагрева слитков под горячую деформацию (ковку) осуществлялось в трехзонной методической печи.

Печь оборудована приборами автоматического регулирования температуры в томильной и сварочной зонах, а также контрольно-измерительными приборами для регистрации температуры отходящих газов.

Проведено теплотехническое обследование печи. Для контроля температуры слитков в печь был посажен опытный слиток с высверленными отверстиями на глубину 190 мм и установленными в них термопарами. Опытный слиток нагревался с партией слитков марки Р6М5.

К концу нагрева в методической зоне (выдержка 10 часов) перепад температур по сечению слитка составлял 80?. После выдержки в течение 2-х часов в сварочной зоне температура центра слитка стала 1230?. Слиток выдерживался при этой температуре в течение 3-х часов. Через полтора часа пребывания в томильной зоне температура слитка понизилась до 1170?. После выдержки при этой температуре в течение 2,5 часов слитки выдавались в ковку.

Продолжительность нагрева опытного слитка в методической печи составила 19 часов, при технологически установленной продолжительности 20-22 часа.

С целью выбора оптимальных температурно-временных условий для сфероидизации карбидной фазы были проведены опыты по нагреву трех плавок марки Р6М5 со следующими особенностями: температуру хвостовой части печи держали 450?, температуру томильной зоны 1160? - постоянно, а температуру в сварочной зоне по таблице 1 выдержкой по 3-6 часов на каждом варианте.

Посадку слитков производили в таком порядке, чтобы все три плавки находились в каждой зоне при одинаковых условиях, при этом по каждому условию нагревалось по два слитка от плавки.

Таблица 1

Анализ режимов специального высокотемпературного нагрева показал, что при температуре сварочной зоны 1180? на всех трех плавках произошла частичная сфероидизация только на поверхности.

При температуре 1200? с выдержкой (6 часов) частичная сфероидизация выявлена в области Ѕ R.

При нагреве до 1240? с выдержкой 3-6 часов произошла полная сфероидизация с поверхности, а в зоне Ѕ R и центре - частичная.

Нагрев слитков по 1 и 2 вариантам положительных результатов не дал. При нагреве по 3-му варианту наблюдалось повышение пластичности металла, значительно сократилось количество вырубок, что привело в сквозному увеличению выхода годного.

При металлографическом исследовании передельной заготовки после различных вариантов нагрева выявлены некоторые особенности изменения морфологии эвтектик разного строения при высоких температурах нагрева.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что оптимальной и предельной температурой нагрева для быстрорежущих сталей является температура 1240?.

Полная сфероидизация эвтектических карбидов при нагреве до температуры 1240? также выявляется в стали Р6М5К5 по всему сечению слитка и в зоне Ѕ R - в слитке стали Р18. Однако и неполный эффект сфероидизации в стали Р18 является вполне достаточным заметного повышения технологической пластичности. Это подтверждается визуальным наблюдением за ковкой металла и данными лабораторных испытаний на пластичность. Высокотемпературный непрерывный нагрев литой стали, приводящий к раздроблению и сфероидизации эвтектики, способствует повышению пластичности стали Р6М5, особенно в интервале практически применяемых температур ковки (1100 - 1200?).

Ударная вязкость образцов стали Р6М5 после высокотемпературного нагрева, определенная в интервале температур 1120 - 1210?, на 30-40% выше, чем после обычного.

Результаты исследования качества металла по макро- и микроструктуре, технологической пластичности и выходу годного свидетельствуют о явном преимуществе высокотемпературного нагрева.

Отличительной особенностью разработанной технологии является непрерывность нагрева, обеспечивающего введение в металл значительного количества теплоты, что, в свою очередь, позволяет реализовать скорости нагрева, более соответствующие теплофизическим свойствам металла, чем общепринятые.

Интенсивный нагрев поверхности металла способствует улучшению условий теплопередачи, увеличению скорости нагрева по всему сечению слитков и уменьшению общей продолжительности нагрева.

Непрерывный нагрев в области высоких температур с максимальным перепадом по сечению в начале выдержки обеспечивает минимальный перепад температур в конце выдержки и не приводит к образованию термических трещин. Благодаря кратковременному нагреву, которому подвергаются участки с менее развитой ликвацией и более высокой температурой плавления. Ухудшение макро- и микроструктуры при этом не наблюдается.

Макроструктура стали марок Р6М5 и Р6М5К5 в кв. 170 мм при высокотемпературном нагреве плотная.

Рис. 2 Макроструктура стали Р6М5К5 кв. 170 мм после высокотемпературного нагрева

Рис. 3 Макроструктура стали Р6М5 кв. 170 мм после высокотемпературного нагрева

В рамках данного исследования, с целью уменьшения брака при ковке, определялось влияние типа бойков на развитие внутренних дефектов при ковке. С этой целью плавки при ковке делили пополам (слитки подвергались специальному высокотемпературному нагреву).

Одну половину слитков каждой плавки ковали на плоских бойках, другую половину плавки - в комбинированных (верхний-плоский, нижний-волнистый), заготовку кв. 170 подвергали 100% анализу УЗК. Ковки исходной заготовки осуществлялись на 3-х тн. Молоте. Нагрев заготовки кв. 170 мм. производили в методической 3-х зонной печи 3-х тонного молота до температуры 1160+20?.

Рис. 4 Макроструктура стали марки Р6М5 кв. 170 мм. 1А

Рис. 5 Макроструктура стали марки Р6М5 кв. 170 мм. 2А

Исходную заготовку для сорта ковали с минимальными припусками (на 5-7 мм больше диаметра сортового круга). Металл подвергли 100% УЗК. Нагрев заготовок перед ковкой осуществляли в методической печи 3-х тонного молота до температуры 1160+20?.

Ковку сорта производили «на четыре угла», с последующей 100% разбраковкой УЗК.

Результат разбраковки при ультразвуковом контроле представлен в табл. 2. Полученные данные указывают на явное преимущество новой схемы ковки.

Таблица 2

Результаты ультразвукового контроля опытных плавок

С целью полного предупреждения образования внутренних дефектов опробовали новую схему ковки на слитках ЭШП. По опытной технологии проковали три плавки стали марки Р6М5К5-ш.

При ультразвуковом контроле заготовок и сорта дефектов не обнаружено.

На основании положительных результатов передела опытных плавок провели массовое промышленное опробование: 39 плавок стали Р6М5-ш, Р6М5К5-ш, Р18-ш. Готовый сорт подвергли 100% УЗК. Результаты представлены в таблице 3.

Таблица 3

Результаты УЗК крупного сорта (свыше 100 мм) опытно-промышленных плавок

Из данных таблицы 3 видно, металл электрошлакового переплава практически не имеет отбраковки. Крупный сорт круглого сечения свыше 100 мм необходимо ковать из слитков ЭШП, так как этот металл имеет более однородную и плотную макроструктуру. [8]

2. Исследование качества опытного металла

От дефектных штанг металла открытой выплавки и электрошлакового переплава, отмеченных при ультразвуковом контроле отбирали пробы (рис. 6, 7, 8, 9, 10).

Рис. 6 Макроструктура марки Р6М5 кр. 130 мм, 1А

Рис. 7 Микроструктура Р6М5 кр. 130 мм, 1А

Рис 8 Макроструктура стали Р6М5-ш кр. 130 мм

Рис. 9 Макроструктура стали марки Р6М5-ш кв. 135 мм, 3А

Рис. 10 Микроструктура стали марки Р6М5-ш кр. 130 мм, 3Б

В результате исследования макро и микро структуры дефектных участков установлено:

1. В металле ОДП внутренние дефекты представляют собой ковочные трещины, обусловленные:

1.1 наличием усадки или подусадочной рыхлости;

1.2 нарушением технологии ковки (ромбичность исходной заготовки, большие припуски заготовки под окончательный профиль).

2. В металле ЭШП образование внутренних дефектов обусловлено перегревом металла при нагреве на ковку и в процессе ковки.

В микроструктуре металл в зоне дефекта перегрет, карбидная фаза деформирована (рис. 2.5.) [7]

Заключение

В рамках данного исследования уточнены температурно-временные параметры специального высокотемпературного нагрева слитков перед ковкой, что позволило улучшить качество и однородность прогрева металла и уменьшить вероятность образования внутренних дефектов.

Применение специального высокотемпературного нагрева слитков быстрорежущей стали перед ковкой в трехзонной печи позволило:

- снизить уровень отбраковки сортового металла при ультразвуковом контроле на 24,6%;

- увеличить выход годного на 15 % стали марок Р18, Р6М5, Р6М5К5, Р18-ш, Р6М5-ш, Р6М5К5-ш;

- повысить производительность молота на 20% в смену.

Ковка слитков в комбинированных бойках (верхний - плоский. нижний - волнистый), уменьшение припуска исходной заготовки до 5 - 7 мм, ковка исходной заготовки в профильных бойках на «четыре угла» создают благоприятные условия деформирования металла и уменьшают брак по ковочным трещинам в крупном сорте.

Производство кованого сорта размером 100мм и более из слитков ЭШП обеспечивает получение плотной макроструктуры и, при соблюдении технологии ковки, исключает образование ковочных трещин. [8]

Библиографический список

1. Барчуков, Дмитрий Анатольевич. Повышение работоспособности быстрорежущих сталей за счет совершенствования их структурного состояния: диссертация... кандидата технических наук: 05.16.01 / Барчуков Дмитрий Анатольевич; [Место защиты: Юго-Зап. гос. ун-т]. Тверь, 2013. 154 с.

2. В.С. Золоторевский Механические свойства металлов М.: Металлургия, 1983 г., 352 ст

3. Гвоздев А. Е. Производство заготовок быстрорежущего инструмента в условиях сверхпластичности. М.: Машиностроение, 1972.

4. И. И. Новиков Теория термической обработки металлов, М.: Металлургия, 1974 г., 397 ст.

5. Корягин С.И., Пименов И.В., Худяков В.К. Способы обработки материалов: Учебное пособие / Калинингр. ун-т. Калининград, 2000. 448 с.

6. М. И. Гольдштейн Специальные стали, М.: Металлургия, 1985 г., 401 ст.

7. НИР КТ-2496-80 «Разработка технологии СВТО быстрорежущих и инструментальных марок сталей в трехзонной печи».

8. НИР К-2762-82 «Разработка технологии производства кованного сорта крупных профилей быстрорежущих марок сталей».

Размещено на Allbest.ru