Исследование и совершенствование процессов электрошлакового кокильного литья для повышения эксплуатационных свойств отливок из инструментальной стали

Повышение качества выпускаемой продукции, а также возможность вовлечения во вторичную переработку инструментальных сталей на предприятиях по производству изделий с использованием кузнечнопрессового оборудования может быть реализовано за счет применения литейных технологий. Стойкость прессового и штампового
инструментов определяется химическим составом, стабильностью структуры и свойствами материала в процессе эксплуатации. Получение отливок с высоким комплексом эксплуатационных свойств, которые в дальнейшем, возможно, использовать для изготовления инструмента является одной из важных задач литейного производства. Однако применение литых инструментов ограниченно из-за пониженных механических свойств и прежде всего ударной вязкости по сравнению с горячедеформированными сталями. Основными причинами снижения механических свойств является: неоднородная структура, наличие грубых неметаллических включений и значительная ликвация литого металла.
Применение электрошлакового кокильного литья (ЭКЛ), созданного в Институте электросварки им. Е.О. Патона, позволяет получать литые изделия с достаточно высоким комплексом физико-механических свойств. Технология ЭКЛ является не только ресурсосберегающей, но и обеспечивающей
эффективное рафинирование переплавляемого металла и возможность
реализации направленной кристаллизации отливок. Использование различных способов воздействия в технологическом процессе, таких как модифицирование, управление температурным полем при охлаждении является существенным резервом в повышении эксплуатационных свойств отливок, позволяющим снизить отрицательное влияние неметаллических
4
включений, уменьшить ликвацию, получить заданную структуру и ее
дисперсность.
Степень разработанности темы. Исследованию природы
неметаллических включений, их морфологии, размеров, расположения в металле посвящены работы авторов: В.И. Явойского, С.И. Губенко, К.В. Григорович, М.А Штремель, К. Нарита и др.
Существенный вклад в разработку теории и технологии получения
отливок с высокими показателями прочности, надежности и долговечности в
условиях значительного термосилового воздействия при электрошлаковом литье внесли Б.Е. Патон, Б.И. Медовар, Е.Н. Еремин и др.
В то же время вышедшие из строя инструменты, отходы проката являются значительными потерями на предприятиях и вовлечение их во вторичную переработку перспективно и экономически выгодно. Однако при использовании традиционных технологий для переработки отходов наблюдаются дефекты: значительная ликвация, неоднородная структура, транскристаллитная кристаллизация и др.
Перспективным направлением в решении данной проблемы является применение модифицирования и регулирование теплоотвода для управления структурой и свойствами литого электрошлакового металла, позволяющие получать отливки с повышенными показателями эксплуатационных свойств. Однако влияние такого воздействия при использовании мишметалла применительно к отливкам инструментальных сталей мало изучено.
Цель работы – повышение свойств отливок из инструментальной стали за счет совершенствования технологических процессов электрошлакового кокильного литья, применения редкоземельных металлов для модифицирования и рафинирования литого металла.
5

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Исследовать механизм модифицирования и рафинирования стали 4Х5МФС, полученной ЭКЛ, редкоземельными металлами в составе мишметалла, вводимыми в расплав.
2. Оценить степень влияния размеров и количественного соотношения неметаллических включений на механические свойства отливок из
инструментальной стали.
3. Установить влияние параметров технологии ЭКЛ на структуру и механические свойства отливок исследуемой стали на основе компьютерной модели процесса охлаждения кокиля с металлом.
4. Усовершенствовать процесс получения отливок из стали 4Х5МФС, методом электрошлакового литья, с требуемыми структурами и физико- механическими свойствами.
5. Провести опытно-промышленные испытания отливок.
Научная новизна работы:
1. Показана эффективность применения редкоземельных металлов в составе мишметалла в количестве 0,15–0,2 мас. % для повышения качества инструментальной стали после предварительного глубокого раскисления алюминием, что способствовало последующей дополнительной дефосфорации и десульфурации металла в среднем на 30 %, снижения общего количества неметаллических включений в 3 раза, изменения их
природы, глобулизации, размерного соотношения и распределения.
2. Установлено, что редкоземельные элементы, не связанные с кислородом и серой, при затвердевании отливок из стали 4Х5МФС локализуются на поверхности растущей твердой фазы, что приводит к измельчению структуры и повышению прочности в 1,2 раза, ударной
вязкости в 1,5 раза
6

3. Определены температурные поля отливок при кристаллизации на основании результатов компьютерного моделирования, что позволило дополнительно повысить механические свойства на 10 % за счет применения кокиля с управляемым теплоотводом.
4. Установлена взаимосвязь между механическими свойствами легированной стали, общим содержанием и размерами неметаллических включений.
Практическая значимость работы:
1. Предложено технологическое решение по увеличению эксплуатационных свойств отливок из стали 4Х5МФС за счет введения в расплав редкоземельных металлов в составе мишметалла (Заявка на изобретение No 2019109629 от 01.04.2019).
2. Усовершенствован процесс электрошлакового кокильного литья для получения отливок из легированной стали с заданными структурами и повышенными механическими свойствами за счет формирования направленного теплоотвода в процессе кристаллизации.
3. Разработано программное обеспечение и предложены практические рекомендации по определению влияния неметаллических включений на механические свойства получаемой отливки (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ No 2017615806).
4. Получены отливки по предложенной технологии, из которых были изготовлены матрицы для прессования, прошедшие промышленные
испытания на ООО «КраМЗ» (приложение А).
5. Результаты проведенных исследований внедрены в учебный
процесс в ФГАОУВО «Сибирский федеральный университет» и используются при обучении магистрантов по направлению подготовки 22.04.01 «Материаловедение и технологии обработки материалов»,
7

образовательной программы 22.04.01.04 «Синтез и литье новых металлических материалов» (приложение Б).
Методология и методы исследования основаны на большом объеме экспериментальных данных образцов литого металла, полученного электрошлаковым кокильным литьем и обработанных с использованием методов математической и компьютерной статистики, а также апробированных и аттестованных методик. Результаты прогнозов, сделанных в работе, подтверждены при определении механических свойств и промышленных испытаний.
Положения, выносимые на защиту:
1. Анализ термодинамического расчета десульфурации, дефосфорации легированной стали в результате ее двухстадийной обработки при электрошлаковом кокильном литье.
2. Результаты экспериментальных исследований влияния редкоземельных металлов при введении их в легированную сталь на морфологию неметаллических включений, на структуру и свойства.
3. Результаты компьютерного моделирования, позволяющие оценить метод управления конфигурацией тепловых процессов при электрошлаковом кокильном литье.
4. Способы усовершенствования технологического процесса направленные на улучшение структуры и повышение свойств отливок из инструментальной стали, полученной электрошлаковым кокильным литьем.
Соответствие диссертационной работы паспорту специальности 15.16.04 – «Литейное производство». Содержание работы выполнено в соответствии со следующими разделами паспорта специальности:
Формула специальности: теория и технология производства литых заготовок и изделий из металлических сплавов и других материалов;
8

изучение процессов, происходящих в расплавах во время их плавки, заливки в литейную форму, кристаллизации и последующего охлаждения в форме.
Области исследований: п. 1. Исследование физических, физико- химических, теплофизических, технологических и служебных свойств материалов как объектов и средств реализаций литейных технологий; п. 6. Разработка методов моделирования процессов заливки, затвердевания и охлаждения литых заготовок; п. 11. Ресурсосбережение в литейном производстве; п. 12. Исследование проблем качества литья.
Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 15 научных трудах, из них: в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК – 5, в сборниках материалов научных трудов и научных конференций – 8, патентах Российской Федерациинаизобретения–2.