автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Получение слоистых композиционных материалов систем Fe-C и Fe-C-Ni-Cr методом электрошлаковой плавки

температуры плавлений ?'*'

Введение

Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования

1.1. Промышленные методы изготовления композиционных материалов

Для изготовления клинков холодного оружия в настоящее время используется сталь стандартных марок, таких как 95X18 и 110Х18М, обладающая высокой твёрдостью и износостойкостью в условиях умеренно агрессивных сред. Особый интерес и ценность представляют клинки, имеющие на поверхности булатный узор после травления, но булат не обладает стойкостью в агрессивных средах. Булат - слоистый композиционный материал на основе железа и углерода, обладающий неравновесной структурой по слоям или волокнам с различным содержанием углерода.

В литературе имеется обширный материал по получению булата на основе современных технологий. Кроме того, много исследований посвящено получению слоистых композиционных материалов, состоящих из двух или более слоев разнородных металлов, объединяющих в себе полезные свойства каждого из них и обладающих в то же время новыми качествами, отличными от качеств исходных металлов. Использование слоистых композиций с новым комплексом ценных свойств способствует разработке более совершенных конструктивных решений при создании современных машин, приборов, аппаратов.

Однако, несмотря на высокую техническую и экономическую эффективность применения слоистых композиционных материалов, их производство существенно отстаёт от потребностей. Помимо причин организационного характера это обусловлено и недостатками существующих технологических процессов производства слоистых композиционных материалов, которые в ряде случаев не позволяют получить металл требуемого качества в необходимых объёмах и по достаточно низкой цене.

Таким образом, целесообразна разработка современного способа получения композиционных слоистых материалов, обеспечивающего изготовление металла, близкого по свойствам к стали стандартных марок 95X18 и 110Х18М, но обладающего слоистой структурой, который после соответствующей пластической деформации может приобрести структуру, характерную для булата.

В работе проведён анализ существующих способов получения булата и слоистых композиционных материалов. Разработана математическая модель поведения вводимых в процессе электрошлаковой плавки добавок (стружка чугуна, частиц феррохрома), позволяющая подобрать размер и количество присаживаемых частиц которые, проходя через слой шлака и погружаясь в металлическую ванну наплавляемого слитка, успевают расплавиться, но не успевают раствориться в расплаве. Только при выполнении этих условий возможно образование слоистой литой структуры. Предложен способ и разработана технология получения слоистых композиционных материалов систем Fe-C и Fe-C-Ni-Cr методом электрошлаковой плавки с периодическим введением различных добавок. Проведено физическое моделирование процесса пластической деформации полученного слоистого композиционного материала с целью получения на поверхности металла характерного булатного узора. По предлагаемой технологии изготовлены клинки холодного оружия, обладающие узором на поверхности металла соответствующим узору на поверхности клинков сварного булата. Изучены механические свойства полученного слоистого композиционного материала и проведено сравнение со свойствами стали стандартных марок 20X13, 95X18, 110Х18М.

Работа выполнена на кафедре общей металлургии Златоустовского филиала ЮУрГУ.

выводы

1. Проанализированы существующие методы получения слоистых композиционных материалов в том числе булата. Выявлены их преимущества и недостатки. Показана целесообразность разработки современного способа получения слоистых композиционных материалов, обеспечивающего изготовление металла требуемого качества в необходимых объёмах и по достаточно низкой цене. Наиболее подходящим для этого способом является получение слоистых композиционных материалов в процессе ЭШП с введением добавок по ходу плавки.

2. Разработана математическая модель поведения вводимых в процессе электрошлаковой плавки добавок (стружки чугуна, частиц феррохрома), которая позволила уточнить параметры технологии. Полученные результаты дают представление о кинетике плавления частиц различного размера из рассмотренных материалов в шлаковом расплаве и растворения этих частиц в ванне жидкого металла в процессе ЭШП. Установлено, что для получения слоистых композиционных материалов в процессе электрошлаковой плавки на установке А-550 необходимо использовать добавки с радиусом частиц не более 1,5 мм. Математическая модель позволяет определить интервал оптимальных размеров присаживаемых частиц различных добавок для других параметров установок ЭШП.

3. Предложена технология получения слоистых композиционных материалов систем Fe-C и Fe-C-Ni-Cr методом электрошлаковой плавки с периодическим введением добавок по ходу плавки. Образование слоистой литой структуры возможно при условии, что присаживаемые добавки за время прохождения слоя шлака и погружения в металлическую ванну наплавляемого слитка успевают расплавиться, но не успевают раствориться в расплаве. На основе предлагаемой технологии разработан способ получения многослойных слитков электрошлаковым переплавом (патент России № 2163269). Данным способом по предлагаемой технологии после соответствующей пластической деформации изготовлены клинки холодного оружия обладающие узором характерным для сварного булата, а по химическому составу близкие к стали стандартных марок 95X18 и 110Х18М.

4. Проведено физическое моделирование процесса пластической деформации полученного по предлагаемой технологии слоистого композиционного материала. За основу моделирования способов пластической деформации взяты технологические приёмы, применяемые для получения сварного булата в процессе ковки. Установлено, что после соответствующей пластической деформации возможно получение характерного узора на поверхности металла, соответствующего узору на поверхности сварного булата. Для получения такого узора необходимо проводить не только вертикальную осадку слитка слоистого композиционного материала на молоте, но и осуществлять неравномерное продавливание слоёв либо «крест на крест» либо перпендикулярно образцу.

5. Изучены механические свойства полученного по предлагаемой технологии слоистого композиционного материала и проведено их сравнение со свойствами стали стандартных марок 20X13 и 110Х18М после различной термической обработки. Установлено, что металл полученный по предлагаемой технологии, обладает лучшим комплексом механических свойств по сравнению со сталью марки 110Х18М, а стали марки 20X13 уступает лишь по значениям ударной вязкости. Высокие значения ударной вязкости полученного материала по сравнению со сталью 110Х18М обусловлены наличием слоистой структуры. Установлено, что с увеличением количества слоёв значение ударной вязкости увеличивается. Проведённые испытания слоистых композиционных материалов на износостойкость показали, что металл со слоистой структурой имеет более высокие значения износостойкости по сравнению со сталью марок 20X13 и 110Х18М и с увеличением количества слоёв значение работы износа увеличивается.

2.8. Заключение

Разработанная и используемая в дальнейшем для определения параметров технологии модель представляет собой математическое описание поведения присаживаемых частиц чугуна и феррохрома в процессе электрошлаковой плавки. Она состоит из двух дополняющих друг друга частей. В первой части моделируется процесс нагрева частицы до температуры плавления при нахождении ее в шлаковом расплаве. Вторая часть моделирует процесс диффузионного растворения жидкой частицы в металлическом расплаве.

При попадании твердой частицы в жидкий шлак между ними происходит интенсивный теплообмен и намерзание шлака на поверхность частицы, масса которой вследствие высокого температурного градиента на границе корочки и жидкого шлака значительно увеличивается за счет массы корочки. Частица, попавшая в шлаковый расплав, начинает нагреваться под намерзающей корочкой, а если температура плавления частицы меньше температуры плавления шлака, то и ее плавление будет происходить под этой корочкой.

Таким образом, по результатам математического моделирования можно сделать вывод, что для присаживания в процессе получения композиционных слоистых материалов методом электрошлаковой плавки необходимо использовать чугунную стружку и феррохром размером не более 1,5 мм.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ СЛОИСТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ СИСТЕМЫ Fe - С МЕТОДОМ

ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЙ ПЛАВКИ

Для получения слоистых композиционных материалов выбран способ электрошлаковой плавки, в процессе которого по сравнению с другими способами возможно получение металла более высокого качества, введение добавок по ходу процесса и высокая степень их усвоения в металле, а также возможность управления процессами на фронте кристаллизации. Способ получения слоистых композиционных материалов методом электрошлаковой плавки заключается в том, что в процессе переплава электрода осуществляется периодическое введение добавок одновременно с отключением подачи тока с целью фиксирования фронта кристаллизации. При подаче вводимых добавок в момент отключения тока происходит быстрая кристаллизация жидкой металлической ванны, а в результате этого возможно получение строго определённого содержания добавок в образующемся слое и чёткие границы между слоями.

3.1. Методика проведения экспериментов

В качестве расходуемого электрода использовали пруток чугуна диам. 25 мм марки Л4, прутки стали диам. 25 мм марки СтЗ и У7. Затравочные шайбы готовили из полосы мягкого железа 100x100x10. Окалину или ржавчину удаляли с торцевых поверхностей затравки зачисткой. Состояние поверхности должно обеспечивать плотное прилегание затравки к поддону для создания хорошего электрического контакта. Переплав проводили под флюсом марки АНФ-6 (0,15.0,20 кг на плавку) в кристаллизаторе диам. 50 мм. Перед использованием рабочий флюс прокаливали в окалиностойких коробках не менее пяти часов при температуре 700°С и просеивали через сито с ячейками не более 15 мм. Для разведения флюса использовали самоплавящуюся экзотермическую смесь С-2. Состав смеси С-2: 16. 18% порошка ПАМ-3, остальное молотый флюс. Расход самоплавящейся смеси 0,015.0,020 кг на слиток. В качестве добавок применяли стружку мягкого железа и чугуна марки JI4 с размером частиц согласно рекомендациям математического моделирования.

Химический состав стали марки Ст 3, мае. % С Si Mn Cr S P Cu Ni As

0,29 0,22 0,60 0,25 0,04 0,035 0,25 0,25 0,08

Химический состав чугуна марки JI4, мае. % С Si Mn Р S

4,1 2,2 0,6 0,1 0,04

Химический состав флюса АНФ-6, мае. % CaF, А1,0, CaO SiO? С FeO S Р ТЮ

2 2 3 2 2

Основа 25-31 8 2,5 0,1 0,5 0,05 0,02 0,05

Химический состав мягкого железа, мае. %

С Mn Si Р S Ni Cr Си Mo W V Ti A1 Fe

0,06 0,33 0,23 0,005 0,02 0,2 0,11 0,32 0,04 0,01 0,06 0,01 0,14 98,46

Перед началом плавки кристаллизатор и поддон очищали от шлака, корольков металла и нагара. На поддон укладывали затравочную шайба, служащую для предохранения поддона от прожигания. Под затравочную шайбу подсыпали порошок алюминия (0,03.0,04 кг на слиток), а также запальную смесь (0,015.0,020 кг) и ставили металлическую перемычку (спираль) между электродом и шайбой. Наведение шлаковой ванны проводили в течение 3.5 мин при напряжении 40.50В. Весь процесс плавки вели на ручном управлении. После наведения шлаковой ванны останавливали подачу электрода и в момент отключения тока присаживали стружку чугуна 0,02.0,04 кг, тут же включали подачу тока и электрода. Затем подачу отключали, снова присаживали стружку чугуна и так повторяли от 10 до 80 раз. После наплавления слитка установку отключали. Слиток выдерживали в кристаллизаторе 7. 10 мин. После этого производили «раздевание» слитка.

3.2. Физическое моделирование процесса пластической деформации слоистого композиционного материала

За основу моделирования способов пластической деформации взяты технологические приемы, применяемые для получения сварного булата в процессе ковки. Для моделирования процесса получения узора в процессе ковки использовали два куска пластилина разного цвета. В начале пластилин раскатывали на пластины толщиной около 3 мм, а затем из них формировали пакет толщиной 60 мм с чередованием светлых и тёмных пластин. Такая толщина пакета соответствует толщине лепёшки после вертикальной осадки на молоте слитка слоистого композиционного материала, состоящего из 20 слоёв. На рис. 12 показано моделирование процесса скручивания и неравномерного продавливания поверхности металла «крест на крест» при ковке на формирование узора.

Процесс получения узора при скручивании и продавливании «крест на крест»

Рис. 12

На рис. 13 показано моделирование процесса скручивания с последующим неравномерным по глубине поперечным продавливанием слоёв при ковке.

Процесс получения узора после скручивания поперечным продавливанием

Рис. 13

Результаты моделирования подтверждаются образцами, полученными после ковки слоистого композиционного материала на ручном молоте (рис. 14). Узор, полученный на поверхности слоистого композиционного материала после ковки соответствует узору сварного булата.

Образец слоистого металла после ковки на молоте

Рис. 14

Таким образом, в результате физического моделирования установлена возможность получения характерного булатного узора на поверхности металла после соответствующей пластической деформации. Показано, что для получения узора необходимо проводить не только вертикальную осадку слитка на молоте, но и осуществлять неравномерное продавливание слоев либо «крест на крест» либо перпендикулярно образцу.

1. Гуревич Ю.Г. Загадка булатного узора. — М.: Знание, 1985. — 192 с.

2. Богачёв И.Н. Секрет булата. — М.: Машгиз, 1957. — 90 с.

3. Гуревич Ю.Г. Тайны крылатого коня. Челябинск: Юж.-Урал. кн. изд-во, 1980.— 192 с.

4. Прокошкин Д.А. Павел Петрович Аносов — М.: Наука, 1971. — 294 с.

5. Генерал от металлургии Павел Аносов // М.Е. Главацкий, Ю.Г. Гуревич, Л.А. Дашкевич и др. — Екатеринбург: Изд-во Урал, ун-та, 1999. — 304 с.

6. А.с. №1079337 от 15.07.1982. Способ формирования булатного узора / Ю.Г. Гуревич, Ю.И. Люндовский, А.Г. Юшковский.

7. А.с. №116334 от 18.02.1995. Способ изготовления слитков булатной стали. / И.Н. Голиков, П.В. Васильев, Ю.Г. Гуревич и др.

8. Патент №2051184 от 26.05.1992. Способ изготовления булатной стали. Ю.Г. Гуревич.

9. Ю.Быков А.А., Булат С.И., Ткачёв А.В. и др. Технология производства биметаллов для сельскохозяйственного машиностроения // Сталь. — 1982. — № 8, —С. 6-9.

10. Булат С.И., Быков А.А., Дорошев Ю.Ф. и др. Новая технология производства износостойкой трёхслойной листовой стали для отвалов плугов // Чёрная металлургия. Бюл. НТИ. — 1980. — № 18. — С. 47 48.

11. Манохин А.И., Дорошев Ю.Ф., Ровенская Т.В. и др. Получение биметаллических заготовок методом непрерывной разливки // Сталь. — 1978 — №12. — С. 1087 1088.

12. И.Карпинос Д.М., Тучинский Л.И., Сапожникова А.Б. Композиционные материалы в технике. Киев.: Техника, 1985. — 152с.

13. Патон Б.Е., Стеренбоген Ю.А., Мосендз Н.А. и др. Новый процесс получения биметалла с коррозионностойким плакирующим слоем // Сталь. — 1983. — №7. —С. 16-17.

14. Астров Е.И. Плакированные многослойные металлы. — М.: Металлургия, 1965,—239 с.

15. А. с. № 555977 Поддон для полунепрерывного литья слитков /Курбатов

16. B.C., Бондарев Б.И., Напалков В.И. и др. Опубл. в Б. И., 1977. № 16, с. 29.

17. Соловьёв В.В., Соколов J1.A. Исследование кинетики кристаллизации двух контактирующих слитков // Изв. АН СССР. Металлы. — 1978. — № 4. —1. C.102.

18. Дорошев Ю.Ф., Астров Е.И., Евтеев Д.П. // Теплопроводность и конвективный теплообмен — Киев: Наукова думка, 1980, с. 90-93.

19. А. с. № 443914. Способ получения биметаллических изделий /Снежко А.А., Лузан П.П., Бердниченко В.И. и др. Опубл. в Б. И., 1974, № 35, с. 62.

20. Долинин Д.П., Петров А.К., Тулин Н.А. и др. Структура и свойства биметалла ВДП // Сталь — 1983. — № 1. — С. 44 48.

21. Исследование процессов получения и свойств биметаллических и многослойных деталей машин: Научн. тр. — Краснодар: Краснодарский политехнический институт, 1972. — 152 с.

22. Гарбуз Н.А., Сапожников С.З., Рудаков Е.А. Тепловые режимы и технологи-чекий контроль при центробежной биметаллизации // Изв. вузов. Чёрная металлургия. — 1980. — № 2. — С. 107 110.

23. Коротушенко Г.В., Чухрин Л.А., Ващенко И.П. и др. Диффузионный способ получения биметаллического литья сталь-чугун // Металловедение и термическая обработка металлов. — 1980. — № 5. — С. 58 59.

24. Марцековский С.Р., Селемин И.Д., Истомин В.Я., и др. Наплавка поршней гидроцилиндров проволокой БрКМцЗ-1 в защитных газах // Сварочное производство. — 1976. — № 1. — С. 46 47.

25. Харитонов В.Н., Анциферов Г.Д., Кашук Н.Г. Подогрев при электродуговой наплавке поршней гидроцилиндров в защитных газах // Сварочное производство. — 1981. — № 3. — С. 35.

26. Анциферов Г.Д., Самсонович Е.Н., Путилин В.Г., Филонинков A.JI. Электродуговая наплавка бронзы на сталь в потоке воздуха и в азоте // Сварочное производство. — 1982. — № 12. — С. 36 37.

27. Шехтер С.Я., Шварцер А.Я. Наплавка деталей металлургического оборудования: Справочник. — М.: Металлургия, 1981. —■ 160 с.

28. Лейбензон С.А., Трегубенко А.Ф. Производство сталей методом электрошлакового переплава. — М.: Металлургиздат, 1963. — 211 с.

29. Медовар Б.И., Артамонов B.JL, Баглан В.М. и др. // Рафинирующие переплавы. — Киев.: Наукова думка. — 1974. — С. 35 40.

30. Клюев М.М., Волков С.Е. Электрошлаковый переплав. — М.: Металлургия, 1984.— 208 с.

31. Электрошлаковые печи / Б.И. Медовар, JI.M. Ступак, Г.А. Бойко и др. — Киев.: Наукова думка, 1976. —414 с.

32. Глебов А.Г., Мошкевич Е.И. Электрошлаковый переплав. — М.: Металлургия, 1985. — 343 с.

33. Есин О.А., Гельд П.В. Физическая химия пирометаллургических процессов. — М.: Металлургия, 1966. — 703 с.

34. Чуманов В.И. Технология электрошлакового переплава: Учебное пособие. -Челябинск. — Изд. ЮУрГУ, 1999. — 243 с.

35. A.C. № 129473 от 9.11.59. Производство двухслойных листов с применением электрошлаковой сварки / Патон Б.Е., Медовар Б.И., Макар A.M. и др.

36. Новый способ сварки заготовок сверхкрупных сечений: электрошлаковая сварка неподвижным электродом с добавкой кусковых материалов (ЭШС

37. КГТМ). Патон Б.Е., Медовар Б.И, Андреев В.П. и др. // Проблемы электрошлаковой технологии — Киев: Наукова думка, 1978. — С. 40 47.

38. Японск. пат. кл. 10А31, № 1641 Способ изготовления расходуемых электродов для выплавки стали /Умэда Иоити. (Сумитому киндзоку коге кабусики кайся) Заявл. 5.09.64, Опубл. 26.01.67.

39. А.С. .№ 340303 МКИ С 21 С 5/56. Способ электрошлакового переплава металлов и сплавов. / Петухов Г.К., Спектор Р.В., Тирюков П.И., Тетюев В.А., Григорьев Л.Ф., Попов К.Н., Заявлено 12.05.69.

40. Шехтер С.Я., Резницкий A.M., Лазаренко Ю.Н., Разинский В.В. Электрошлаковая наплавка малого конуса доменной печи композиционным сплавом // Автоматическая сварка. — 1978. — №8. — С. 43 47.

41. Медовар Б.И. Влияние параметров переплава на химический состав, физические и механические свойства металла ЭШП // Электрошлаковый переплав. — Киев.: Наукова думка. 1975. — Вып.З — С. 111 - 118.

42. Тепловые процессы при электрошлаковом переплаве / Под ред. Б.И. Медовара. Киев.: Наукова думка, 1978. — 304 с.

43. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. — М.: Физматгиз, 1959. — 204 с.

44. Исследование эффективности ввода макрохолодильников в процессе электрошлакового переплава. Патон Б.Е., Медовар Б.И., Саенко В.Я. и др. // Проблемы специальной электрометаллургии. — Киев.: Наукова думка. — 1980, —Вып.13, —С. 3-9.

45. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. —М.: Наука, 1969. — 286 с.

46. Волков А.Е., Гохман Г.З., Шалимов Ал.Г. Плавление и рафинирование в перегретом шлаке некомпактных материалов // Сталь. — 1984. — №7. — С.30 -33.

47. Жучков В.И., Носков А.С., Завьялов А.Л. Растворение ферросплавов в жидком металле — Свердловск: УрО АН СССР, 1990. — 250 с.

48. Соболев В.В., Падар В.А., Трефилов П.М. Кинетика плавления металлических частиц в шлаке при электрошлаковом переплаве // Физико-химические основы процессов выплавки сталей и сплавов. — М.: Металлургия. 1985. — С. 57 -62.

49. Бокштейн Б.С. Диффузия в металлах. —- М.: Металлургия, 1978. — 300 с.

50. Чугун: Справочное издание / Под ред. А.Д. Шермана и А.А. Жукова. — М.:

51. Металлургия, 1991. — 576 с.

52. Казанцев Е.И. Промышленные печи: Справочное руководство для расчетов и проектирования. — 2-е изд., доп. и перераб., — М.: Металлургия, 1975. — 368 с.

53. Эллиот Д.Ф., Глейзер М., Рамакришна В. Термохимия сталеплавильных процессов. — М.: Металлургия, 1969. — 252 с.

54. Дакуорт У., Хойл Д. Электрошлаковый переплав. Пер. с англ. — М.: Металлургия, 1973. — 192 с.

55. Латаш Ю.В., Медовар Б.И. Электрошлаковый переплав. — М.: Металлургия, 1970.—240 с.

56. Рихтмайер Р., Мортон К. Разностные методы решения краевых задач. — М.: Мир, 1970,—420 с.

57. Телегин А.С., Швыдский B.C., Ярошенко Ю.Г. Тепло-массоперенос — М.: Наука, 1995, —400 с.

58. Самарский А.А. Теория разностных схем. 3-е изд., испр. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. — 616 с.

59. Самарский А.А., Гулин А.В. Численные методы: Учеб. пособие для вузов. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. — 432 с.