автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Разработка экономно-легированных литых инструментальных сталей

р Г 3 0

' ' АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ

ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ЛИТЬЯ

На правах рукописи

УДК 621. 78: 631. 21. 753,5: 669.15

АЛИ ХАТРА (СИРИЙСКАЯ АРАБСКАЯ РЕСПУБЛИКА)

РАЗРАБОТКА ЭКОНОМНО- ЛЕГКРОВА1ППД ЖГНХ ЮЮТРУШПАЛЬНЫХ СГАЛЕЯ

Специальность 05-16-01. Металловедение и термическая

обработка металлов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата наук

Киев - 1993

Диссертация* на правах рукописи

Работа выполнена в Украинском Государственной аграрном университете и Институте проблем литья АН Украины

Научные руководители :

цок тор технических наук, профессор Опальчун Андрей Саввич; доктор технических наук Кондратюк Станислав Евгеньевич

Официальные оппоненты :

1. Доктор технических наук,профессор Марковский Евгений Адамович

2. Кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Ульшин Виктор Иванович

Ведущая организация : Производственное объединение

"Киевтрактородеталь" /г.Киев/

о'/? .'•'■'"

Защита состоится января ÍQ94 г,

на заседании специализированного совета Д. 016.20.01 при Институте проблем литья АН Украины по адресу : ¡S068O,ГОД,Киев-142,проспект Вернадского,34/1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем литья АН Украины.

Автореферат разослан "£2." декабря 1993 г.

УченыЧ секретарь специализированного совета кандидат технических наук

}¿Z¿¿) Е.Г.Афтандил«нц

УПК УСХА. зак. 1011.т.100.93г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

А-ктуалькость теми. Элективное использование металлосбрабиты-ватаего оборудования сдергивается недостаточным ресурсом и пэлеляо-стьо реаэтэзго, втампового и других видов инструмента в процессе эксплуатации. Эксплуатационная стойкость инструмента играет определяющую роль при внедрении перспективных технологий в условиях интенсификации и автоматизации технологических процессов, позволяющих снизить себестоимость изделий, повысить производительность труда, уменьшить расход дорогостоящих высоколегированных стопой.

Практшса производства инструмента методам:! механической обработки из проката связана со значительной трудоемкостью и энергоемкостью его изготовления, сложными и продоллителышм: релимами термической обработки, безвозвратным!! потерями дорогестеявих материалов в стружу. Применение более легированных сталей с целые повише-гля ресурса работы инструмента связано с использованием дефицитны?: ■ -1 дорогостоящих металлов, существенно повывзет суммарные расходы !а его производство и представляется в этой связи но перспективным.

В последние годы получаст развитие литейные технологии, пезво-яящяе реализовать возмсягости быстрого получения отхивок, близких « разм рам готовыхизделий; низкой себестоимости их изготовления; гокращгнич отходов металла при механической обработке; экономии легированного проката. Однако традиционные технологии литья не обес-ючивакя требуемого сочетания прочностных и пластических свойств, юответствутацзго качества инструмента. Исследования, посвяценные фкеталлизации и затвердеванию отливок, открывает возможности целе-щалравленного воздействия на стрлсгуру и свойства литой инструментальной стали при формировании и охлаждении отливки в литейной фор-(е и ее рационального легирования.

Есзмоя-юсть использования отходов инструггактального производства, зкономнолегированвых сталей, а также инструментальных материа-гав, практически не поддающихся обработке резанием, определяют пер-¡пективность литейных технологий при производстве инструмента. К сожалению, прогрессивные технологи!! литья еще не получили доляиого >аспространенкя в связи с инертностью взглядов, основанных па пред-давлениях о низком гачестве Л1ггья; ограниченным числом исследова-шй и противоречивостью данных о свойствах и работоспособности лн-•ого инструмента; недостаточностью исследований о влияют легирующих элементов на литую структуру и свойства сталей при многоганягане-

нтиом легировании; отсутствием системных исследований о взаимосвязи литой структуры и условий ее формирования со стойкостью инструмента

Целью работы является разработка зкономнолегировашшх литых ин струмеитальных сталей и технологических основ производства литого ре}£ушэго инструмента,обеспечивающих ресурс работы и свойства литого инструмента на уровне свойств аналогичного инструмента, изготавливаемого из дефицитного легированного проката.

решение проблемы может быть достигнуто при комплексном подходе включающем разработку составов акономнолегироваиньк литейных сталей технологии производства литого режущего инструмента и эффективных методов его упрочнения.

В соответствии с этим сформулированы задачи исследования:

1. Исследование возможностей и эффективности применения литейной технологии для производства реиущего инструмента и рационального легирования литых инструментальных сталей.

2. Изучение влияния температурно-временных условий кристаллизации и охлаждения отливок на структурообразование, фазовый состав и свойства лит их сталей.

3. Исследование взаимосвязи структуры и свойств инструментальной стали с влиянием «легирующие элементов при многокомпонентном легировании в связи с условиями затвердевания и термической обработки.

4. Разработка оптимизированных режимов упрочняющей термической обработки литых зконошюлегированных сталей для инструмента.

5. Разработка технологии изготовления литого инструмента, оп-редг чение его эксплуатационных характеристик, проведение опытно-промышленного опробования.

Работа проводилась в рамках раздела Государственной научно-технической программа "Щтериало-энергосберегавде технологии массового производства литых изделий, в т. ч. с использованием ресурсов и отходов предприятий Украины". Постановление ЩНГ Украины К 12 от 4. 05.1992 г. • *

Научная новизна.

1. Установлена основные закономерности изменения фазово-струк-турного состояния инструментальных эконоынолегкрованнш: сталей в зависимости от условий теплоотвода при кристаллизации и охландении отливок.

2. Изучены закономерности влияния химического состава быстрф-режувдх сталей и дополнительного легирования (V, 51, Са, Се) на

зтрухстуру, фазовнй состав, физико-механические и эксплуатационные характеристики и связи с условиями кристаллизации, охлаздония от-тивок и последующей упрочняющей термической обработке.

3. В интервале исследованных скоростей теплоотвода (20. ..650 Ус) установлено закономерное повышение уровня физико-механических свойств, износостойкости, красностойкости, режущих свойств, способ-юсти сталей сопротивляться хрупкому разрушению. Показано, что по-зьпвениэ свойств быстроохлажденных сталей обусловлено высокодисперс-гай литой структурой, повышенной легированностью твердого раствора, реализацией мартенситного превращения в литейной форме, оптимальным распределением упрочняющих фаз.

4. Установлена возможность уменьшения содержания либо исключена вольфрама из состава литых сталей для режущего инструмента за :чет ускоренного тегг.сотпода при кристаллизации и легирования мо-шбденом, ванадием, кремнием и микролегирования церием и кальцием, 'ааработаны составы безвольфрамовых литых сталей для режущего инстг румента с повышенным содержанием углерода (1,15%).

Практическая ценность и реализация результатов исследования

Цаучно обоснована и реализована возможность эффективной замени (ефицитного проката быстрорежущих инструментальных сталей литыми ¡езволъфрамовыми сталями и сталями с пониженным содержанием вольф->ама при применении интенсивного теплоотвода в процессе кристалли-(ации и охлаждения отливки. Разработаны составы экономнолегирован-1ых сталей для рекущего литого инструмента и рациональные знерго-:берегающие режимы упрочняющей термической обработки. На основании гаределения технологических параметров затвердевания, формирования :труктуры, фазового состава и свойств литых инструментальных ста-¡ей разработана технология кокильного литья с ускоренна. теплоотво-[ом для производства режущего инструмента, в том числе из отходов [егированных сталей.

Опытно-промышленная проверка работоспособности режущего литого [нструмента (проходных резцов), изготовленного из разработанных :талей Х7МЗФВ и Х7МЗС2В по технологии кокильного литья с интенсив-_ ¡ым теплоотводом,подтвердила его высокую эксплуатационную стойкость, юответствутошую уровню стойкости аналогичного инструмента из прока-а быстрорежущей стали Р6Ы5. Производственные испытания проведены в •словиях Киевского мотоциклетного завода и УПК УГАУ.

На защиту выносятся следующие положения:

Установление закономерности формирования литой структуры, фа-

еового состава и свойств литой инструментальной стали в зависимости от температурно-временных условий затвердевания и охлаждения отливки, дополнительного легирования и улрочкяюдай термической обработки.

Установление возможности повышения физико-механических свойств быстроохламденных литых сталей за счет формирования высокодисперсной литой структуры, дисперсности и разобщенное™ ледебуритной эвтектики, подавления ликвационных явлений, повышенной легированности твердого раствора углеродом и карбидообраэующими элементами, парте-нситного превращения при охлазедении отливки, дисперсности и равномерности распределения в объеме металла упрочняющих фаз.

Обоснование возможности повышения износостойкости литых сталей за счет изменения условий кристаллизации и последующей тершобрабо-тки; обоснование целесообразности уменькения содержания вольфрама в стали при интенсивном теплоотводе в литейной форме (до 103 °С/с) и замены реяущэго инструмента, изготавливаемого из проката, литьем.

Разработаны составы зцоноьщолегированных сталей для литого ре-жушрго инструмента,технология его изготовления и рациональный режим термической обработки, исключающий специальный нагрев под закалку.

Апробация работы.

Результаты исследований, опытно-промышленной проверки и перспектив их практического использования доложены и обсуждены на Все-украинских семинарах: "Структура и свойства легированных сталей" -1991 г., "Структура, свойства и методы исследования легированных сталей" - 1992 г., "Легирование, структура и свойства упрочненных сталей" - 1993 г., ежегодных конференциях по материаловедению УГАУ; научных семинарах кафздры технологии конструкционных материалов и материаловедения УГАУ в период 1091-1993 гг.

Публикации.

По теме диссертации опубликована 1 статья, 2 статьи в печати.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит ив введения, пяти глав, выводов по главам и заключения. Изложена на 147 страницах,включающих 9 таблиц, 43 рисунка, библиографический список из 161 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отмечается актуальность проблемы и дается обоснование направления исследований - разработка акономнолегированных сталей для литого режущего инструмента и технологии его производст-

ва на основании исследования влияния технологических параметров затвердевшим. охлаждения и термической обработки отливок; изучения взаимосвязи указанных факторов и структуры, фазового состава,, физико-механических и эксплуатационных свойств литых инструментальных сталей. Сформулированы цель работы, задачи исследования и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе изложен обзор отечественной и зарубежной литературы по теме диссертации. Рассмотрены основные требования,предъявляемые к режущему инструменту; причины потери его работоспособности; влияние химического состава и различных методов упрочнения па свойства инструментальных сталей.

На основании анализа имеющихся в литературе данных о свойствах, технологии производства и термической обработке инструментальных быстрорежущих сталей выдвигается рабочая гипотеза о целесообразности замены режущего инструмента изготавливаемого из проката вольфра-мосодеркащих сталей, литым инструментом из литейных сталей с пони-денным содержанием вольфрама, повышенным содержанием углерода, при дополнительном легировании карбидообразующими элементами (Сг,У,Т1, №>) и. микролегировании (Са, ¿г. Се и др.).

Основными условиями эффективности такой замены являются: обеспечение требуемой дисперсности литой структуры, подавление лккваци-онных явлений, уменьшение размеров и количества охрупчивающих карбидных и карбонитридных фаз, ледебуритной эвтектики, дисперсности и равномерности распределения упрочняющих фаз в объеме металла при старении. Показано, что решение проблемы возможно на пути комплексного исследования взаимосвязи процессов структурообразования.тем-пературно-временных параметров кристаллизации и охлаждения отливки, последующей упрочняющей термической обработки и соотве' :твующего легирования с учетом теплофизических факторов формирования отливки.

Во второй главе описаны использованные в работе методики исследований, обоснован выбор составов исследуемых сталей.

Методически исследование проводилось в три этапа:

- проектирование литейной оснастки и выбор системы легирования исследуемых сталей с выплавкой их в высокочастотной установке ЛГО-37 и разливкой в форме с различной скоростью теплоотвода (20... 650 "С/с);

- исследование структуры и физико-механических свойств сталей в литом состоянии и после различных режимов термической обработки;

- отработка технологии литья режущего инструмента из сталей

- ? -

оптимальных составов, определение его специальных и эксплуатационных характеристик.

При выборе системы легирования сталей (табл. 1) исходили из экономической целесообразности и необходимости получения-термически стабильных упрочняющих фаз; нейтрализации вредных примесей; повышения температуры разупрочнения твердого раствора и снижения его диффузионного взаимодействия с упрочняющей фазой. Повышенное содержание хрома в исследуемых сталях связано со стремлением сншзэния скорости диффузии углерода, ватрудняюкзй коагуляцию карбидной фазы. Кроме того, при содержании хрома больке 4-5% в высокоуглеродистих сталях резко повышается их износостойкость. Легирование молибденом сьязано с необходимостью компенсировать отсутствие либо недостаточное количество вольфрама в стали. С целью повышения гзгдкотекучести содержание углерода увеличено до 1,152. Для устранения в структуре литой стали неметаллических включений, располагающихся преимущественно по границам зерен, кроме обычного раскисления марганцем, крем нием и алюминием использовали микродегироЕание РЗМ, кальцием, титаном, которые связывают вредные примеси в тугоплавкие соединения и выводят их в шлак, а также модифицируют сталь.

Расчет шихты для выплавки опытных сталей проводили с учетом химического состава шихтовых материалов и угара химических элементов. Определение литейных характеристик сталей (жидкотекучесть, линейная усадка) производили на пробе Бзхендзи-Купцеаа. Исследование структуры и физико-механических свойств сталей в зависимости от условий кристашшюации и охлаждения отливок проводилось на трефовид-ных пробах, заливаемых в песчано-глинистые и металлические водоохла-кдаемые формы.

Состав литых сталей контролировался методом химического анализа, а также на спектрометре "Спектролаб Ы5", локальные измерения проводились на растровом микроскопе Сапвсап 40В, совмещенном с рентгеновским микроанализатором системы 1лпк-860.

Изучение структуры сталей, как в исходном, так и в упрочненном состоянии проводилось с помощью световых микроскопов "МИЫ-8" и "Неофот-21", а также с использованием электронного микроскопа Сатзсап 4БВ с увеличением до х4000. Определяли также размер и форму «¿-фазы, карбидной фазы, неметаллических включений сталей в литом и термически обработанном состояниях. Фазовый состав сталей, количество карбидной фазы и остаточного аустенита определяли методом рентге-ноструктурного анализа на установке Дрон-3. Фрактографические иссле-

Таблица 1

Химический состав опытных сталей

Обозначение стали

Химические элементы, 7. массовой доли

Х7МЗВ

Х7С2ВФ

Х7МЗС2В

Х7МЗФВ

Х4М2СФ

Х7СФ

1-

11,11

|<Ш

11,15

11,14 10,99 11,13

10,9Ь 11,10 ¡0,90 11,12

),68

МП

0.31

0,37

0,34

0,29

0,5

0.5

Эх

-1-1-1-г-

5 | Р | N | Са | Сг

О,48|0,020|0,030|0,07|0,0516,75 11111 1,7610,024|0,028|0,09|0,05|б,86 11111 1,86(0,028|0,03410.10|0,06(6,80 III!!

0.36(0.031(0,02510,0810,0616,77 (1(11 1,3 (0,022(0,027|0,06(0,07(3,5

I 1,(11

1,2 |0,025(0,026|0,05|0,07|6,5

_I_I_I__I . .. .1_

-1-;-1---1-—|-

м ( мо | V | и | гг \ се

—I-1-1—

I

0,0810,04 I

0,10(0,02 1

0,09|0,06 I

О,07|0,10

I

- (0,03

I

- |0,03

1,3612,91|0,13|0,052

I I ( 1,40!О,15|1,29I0,09 I I I

1,19(2,85|0,14|0,10

I ( ! 1,18(2,9511,35(0,063 ! I !

- |1,7 |0,9 |0,17

I I I

- (0,5 (0,5 |0,08

._I_I_'

I

со I

Примечание: в числителе - максимальное содержание углерода в знаменателе - минимальное содержание углерода

дования, распределение элементов изучали на Оаш-спектрометре.

Механические испытания исследуемых сталей проводились по стандартным методикам, включали определения прочности на изгиб, твердости, ударной вязкости. •

Износостойкость при абразивном изнашивании определялась на машине трения APG-1 (прибор Шоппера), а такав при реаании по стандартной методике.

В третьей главе приведены результаты исследований влияния легирования. на структуру и свойства литых сталей в свяаи с изменение»* скорости теплоотвода при кристаллизации отливки в интервале 20... 10* °С/с. Исследования проведены на сталях в литом исходном состоянии, а таюш после различных режимов термической обработки.

Определение характеристик механических свойств исследуемых сталей в литом состоянии показало существенное аакономерное повышение их значений соответственно увеличению скорости теплоотвода (рис.1). При повшении от 20 до 600 °С/с достигается увели-

чение твердости, сталей на 33... 37 HRC, предела прочности при изгибе - на ВО-100 Ulfe, ударной вязкости - на 0,10-0,12 Щж/и2, Существенно возрастает и красностойкость (№ 58) до 520 - 535*0. Отметим, что прочность на изгиб и твердость быстроохлааденных при затвердевании сталей (Vo>u*. = 600 °С/с) сответствует уровню свойств сталей, прошедших упрочняющую термическую обработку после ватвер-девания в песчано-глинистых формах. Лучший сочетанием прочностных свойств и ударной вязкости обладают быстроохлавденные стали Х7ШС2В (guir. =2800 Ша, HRC=61, KCU=0,22 ВДж/Ы2) и Х7С2ВФ (<suy. =2850 Ша, HRG=G2, KCU=0,22 ЦДж/мй).

Экспериментально подтверждено благоприятное влияние на уровень ударной вязкости микролегирования кальцием и церием. Высокая эффективность влияния церия объясняется его рафинирующим действием, а также установленным дроблением аустенитного зерна на субзерна и блоки, разделенные вторичной границей, проходяирй через межосные пространства, вдоль которой располагаются дисперсные карбиды хрома, служащие барьером при движении дислокаций.

Металлографически показано, что характерная для литого состояния структурная неоднородность и ликвация основных легирующих элементов более всего проявляется при затвердевании с малыми (до 45 °С/с) скоростями теплоотвода. С повышением скорости охлаждения отливки до 600 °С/с ликвационные явления подавляются - пограничная концентрация молибдена снизилась в 15-20 раа,хро>(а - в Б-7 раз,

Рис.1. Влияние скорости охлажлекия при кристаллизации на механические свойства литых сталей без термообработки

□ - Х7МЗВ, Д - Х7С2В2», © - Х7МЗВФ, О - Х7МЗС2В.

- и -

ванадия - в 7-10 раз. При атом наблюдается значительное иамельчение дендритной структуры: дисперсность дендритной структуры возрастает 1 в 1,5 - 3 раза; плотность дендритной структуры - в 1,5 - 2 раза Наблюдаемые в структуре участки различной травимости соответствуют троосто-мартенситу (темная структурная составляющая) и более светлые мешеные участки с ледебуритной эвтектикой. Повышение скорости охлаждения при затвердевании вызывает уменьшение удельного объема и увеличение дисперсности первичных карбидных и карбонитридных фаз, торможение роста, а в ряде случаев и подавление образования эвтектической составляющей.

Микрофрактографическими исследованиями установлено также значительное повышение дисперсности микроиалома быстроохлажденных сталей. Излом представлен поверхностями вязкого транскристаллитного разрушения (ямки) с незначительным количеством поверхностей квазискола. Выделения первичных карбидов весьма дисперсны. Разобщенность и высокая дисперсность ледебуритной эвтектики определяют способность литой быстроохлажденной инструментальной стали сопротивляться хрупкому разрушению при динамических нагрузках.

Таким образом, исследование литой стали в исходном состоянии показало, что кристаллизация в условиях интенсивного тепдоотвода (Уохл.= 10* °С/с) обеспечивает формирование дисперсной, более гомогенной литой структуры, тонкой разобщенной ледебуритной эвтектики, дисперсных первичных карбидов, мелкого аустенитного зерна 8-10 номера, что связано с достижением требуемого уровня ударной вяакости, высокой твердости и прочности при иагибе. Повышение прочностных характеристик обусловлено также повьшенной легированнос-тыо твердого раствора и мартенситным превращением при охлаждении отливки в формы.

Поскольку технологический процесс изготовления режущэго инструмента из проката быстрорежущих сталей предусматривает операции термической обработки (отжиг, з^алка, старение), представлялось целесообразный исследовать влияние различных режимов термообработки на свойства и структуру сталей в связи с условиями их затвердевания.

Установлено, что для быстроохлажденных со скоростью 600°С/с в водоохлаждаемом кокиле сталей значения твердости, прочности при изгибе и красностойкости соответствуют уровню свойств стали после упрочняющей термообработки. Это позволяет исключить из режима термической обработки специальный нагрев под закалку и ограничиться

только старением.

Изменение механических свойств сталей после высокотемпературного отжига (Т ог*.= 1Ю0 свидетельствует об определенной структурной наследственности литых сталей.после термообработки и сохранение тенденции высоких значений механических свойств быстроохлаж-дышых сталей (рис. 2). Твердость последних после отжига на 100 - 110 НВ выше твердости сталей, залитых в песчано-глинистые Форш, предел прочности при изгибе выше на 650-750 Ш]а, ударная вязкость - на 0,9 - 0,13 Мдж/м*. Лучшим сочетанием характеристик механических свойств обладают стали Х7ЫЗС2В, Х7С2ВФ и Х4М2СФ. ¡.Максимальные значения механических свойств в отожженном состоянии обеспечивает сталь Х71СС2В (¿мя. = 2700 МПа, НВ = 300, КСи = 0,42 Мдж/мг).

Упрочняющая термическая обработка (закалка, старение) открывает дополнительные резервы повышения свойств литых, в первую очередь, быстроохлакденных сталей. В условиях интенсивного теплоотвода механические свойства сталей, микролегированных церием, титаном, цирконием, кальцием и азотом, определяются степенью влияния этих элементов на процессы структурообразования или кристаллизации, особенно на карбидную фазу. Так, в структуре отожмвнной стали Х7МЗВ содержатся карбиды типа Ш, Ы£С и Ы7С^. Исследования сталей после закалки и низкого отпуска не выявили карбидной фазы рентгеноструктурным методом, что объясняется их высокой дисперсностью и подтверждено электронно-микроскопическими исследованиями при увеличениях 3000-4000 крат. Отпуск при 550-600 С сопровождается появлением четких рефлексов на электронограммах от выделений размером более 0,5 мкм. В упрочненных сталях выделяются специальные карбиды, отмечено наличие небольшого количества дисперсных карбидов цементитного типа размеры специальных карбидов на основе Ш, V, V, Сг, выделившихся при отпуске, достигают 0,6-6,0 мкм, форма карбидов изменяется от округлой до вытянутой. Количество остаточного аустенита после закалки и старения находится в пределах 3,8-5,2% . Минимальное количество остаточного аустенита наблюдается в сталях, легированных кремнием.

Установлено, что для хромомолибденовых сталей оптимальные температуры аустенитизации под закалку ниже, чем для сталей беа молибдена. Максимальные прочностные свойства и достаточно высокий уровень ударной вязкости в литых сталях достигается после аакалки от 1050вС, в то время, как сталь Х7С2ВЕ максимальную твердость приобретает после закалки от 1150° С.

бы.МПа

4« 030

иго цго

0

о га я я та л»| К«*.,"^

Рис. 2. Изменение механических свойств отожженных сталей в зависимости от скорости охлаждения при кристаллизации / Ю00°С,вьщер-жка 2 и..охлаждение с печью / □ - Х7МЗВ; Д- Х7С2ВФ; 0 - Х7ЫЗВФ; О - Х7ЫЗС&

Вис окую вторичную твердость кремний- и ванадийсодержащие стали цжобретают после, закалки от 1100-1150 "С и двухкратного отпуска 1ри 450-500°С. В упрочненном состоянии при твердости 60-63 НЙС Прочность при изгибе и ударная вязкость литых быстроохлажденных ■ сталей соответствует уровню стандартной быстрорежущей стали Рб№. Зо всех исследуемых сталях увеличение скорости охлаждения при кристаллизации обусловливает существенное повышение прочностных свойств 1 ударной вязкости как в литом состоянии, так и при последующа зперациях термической обработки.

Результаты определения литейных свойств исследуемых сталей свидетельствуют о том, что легирование кремнием, микролегирование церием и кальцием положительно сказывается на характеристиках жидкотеку-

сти и линейной усадки и определяет возможность разлива от более 1изких температур.

В четвертой главе приведены результаты исследования влияния легирования и термической обработки на износостойкость сталей в условиях абразивного изнашивания. Испытания проведены по схеме Иоппера, при трении по свежему сухому абразиву на установке АРСЫ. йлина пути трения 48,1 м» нагрузка 1,5 кг Оценку износостойкости 1роизводили по потере массы с единицы поверхности. Для получения сравнительных данных параллельно исследовали стали У10 и Р6Ы5. Исследуемые и стандартные стали перед испытанием на абразивный износ Зыли обработаны (закалка+отпуск) на одинаковую твердость 60 НИС.

Установлено, что совместное легирование сталей ванадием и крепнем более целесообразно для повышения абразивной износостойкости литых сталей. В то же время хромомолибденовая сталь, дополнительно легированная вольфрамом до 1,5%, имеет меньшую абразивную ианосо-зтойкость, чем дополнительно легированная кремний-ванадием. При увеличении содержания углерода до 1,152 износостойкость повышается, эсобенно при дополнительном легировании ванадием и кремнием. По нашему мнению наиболее значительное влияние на процесс абразивного изнашивания (шлифуемость) оказывает наличие и дисперсность упрочня-ощих фаз. Так, стали, дополнительно микролегированные азотом, про- ' являют большую склонность к сопротивлению абразивному износу.

При исследовании влияния скорости охлаждения литых сталей в процессе кристаллизации нами было установлено, что износостойкость зталей непосредственно после литья в значительной степени зависит от скорости охлаждения отливок. Установлено, что литые стали при скорости охлаждения V о/л = 350°С/с и выше в абразивной среде имеиг

износостойкость в полтора-два раза больше, чем стали, закристаллизовавшиеся в земляной форме при скорости охлаждения У0кл. = 20°С/с (рис.3).

Микроанализ изношенных поверхностей показал, что у сталей первой группы преобладают следы пластической деформации, вызываемые внедрением зерен абразива в поверхность трения. В результате деформации поверхностного слоя происходит отрыв частиц с поверхности трения исследуемых сталей. Литая структура этих сталей,как было показано, характеризуется наличием более грубых частиц упрочняющей фазы. Эти частицы, видимо, выкрашиваясь при ударах абразивом, сами становятся абразивными частицами, способными усиливать износ. Подтверждением более интенсивного повреждения поверхности трения стали, охлаждаемой при кристаллизации в земляной форме, по сравнению со сталью, охлажденной в металлическом кокиле, являются профилограммы поверхностей трения (рис.4).

При-, исследовании поверхностей трения на профилометре-профилог-рафе выяснилось, что царапины и штрихи на поверхности трения образцов сталей, охлажденных при кристаллизации в металлическом кокиле, имеют меньшую глубину и они короче, чем царапины на поверхности трения образцов сталей, закристаллизовавшихся в земляной форме. Все это свидетельствует о меньшем разрушении поверхности трения в процессе абразивного изнашивания образцов литых сталей, закристаллизовавшихся в металлическом кокиле по сравнению с образцами тех же сталей, но прошедших кристаллизацию в земляной форме.

Установлено, что стали, дополнительно легированные ванадием и кремнием, более износостойкие, чем стали, легированные молибденом и кремнием. Видимо это объясняется типом карбидной фазы, присутствующей в структуре сталей. При этом износостойкость сталей возрастает с увеличением количества карбидной фазы, особенно если она характеризуется повышенной дисперсностью, которая'возрастает с увеличением скорости охлаждения литой стали при кристаллизации.

Микролегирование исследуемых литых сталей с целью повышения их износостойкости наиболее целесообразно проводить церием и. кальцием.

Для всех сталей, независимо от химического состава характерно, что с повышением скорости охлаждения при кристаллизации.их дальнейшая термическая обработка (закалка с отпуском) приводит к значительному увеличению их износостойкости по сравнению с износостойкостью термически не обработанных сталей.

В пятой главе представлены результаты опытно-промышленного

!

0,0) 0.07 0,05 0,03

Рис.3. Гистограммы износа литых сталей непосредственно после литья в земляную форму /I/ и водо-охлаждаемый кокиль /2/ /\/о*л. = 350 С/с /: а- сталь Х7МЗВ; б - Х7МЗВФ; в - Х7С2ВФ; г - Х7МЗС2В.

Рис,4. Профилограммы поверхностей трения образцов литой стали Х7С2ВФ; а - отлитой в земляную форму; б - отлитой в кокиль.

опробовшшя литого инструмента из разработанных составов сталей и реализация технологии кокильного литья с интенсивным теплоотводом при кристаллизации.

Для изготовления опытных партий инструмента (проходных токарных резцов) и проведения ОПП выбраны стали Х7МЗВД и Х7МЗС2В, показавшие наиболее высокие характеристики свойств при лабораторных экспериментах. Выплавка сталей производилась в высокочастотной индукционной печи ЛПЗ-37 с основной футеровшй тигля. Шихта состояла из стали 45 с соответствующими добавглми ферросплавов и флюсов. Выпуск металла из тигля осуществлялся при температуре 1660-1680°С в предварительно подогретый до 700-800°С разливочный ковш, в котором

проводили микролегирование РЗМ и другими элементами. Шсле этого

о

стали разливались при температуре разливки 1620-1630 С в комбинированный кокиль с водоохлаждаемым медным кристаллизатором. Оставшийся в ковше металл разливался в земляные формы, воспроизводящие такие га по типу резцы.

Комбинированный J одоохлаждаемый кокиль предсталяет собой форму, изготовленную из материалов с различной теплопроводящэй способностью, основной частью которой является медный кристаллизатор (рис.5). В кристаллизаторе предусмотрены каналы для охлаждения водой в боковых стенках кокиля, позволяющие регулировать температурный режим кристаллизации и остывания отливки. Скорость охлаждения регулировалась б пределах 600-650° С/с.

После извлечения литых заготовок резцов из форм, часть из них подвергалась дальнейшей термической обработке (откиг + закалка + отпуск), а другая часть из тех, которые охлаждались в водоохлаждае-мом кристаллизаторе, подвергались только высокотемпературному двухкратному (по одному часу) отпуску при оптимальных температурах, соответствующих для каждой марки сталей.

После термической обработки резцы подвергались заточке их режущих кромок и окончательной подготовке к испытаниям на стойкость при точении на токарном станке.

В качестве основной характеристики обрабатываемости материала в наших исследованиях принята скорость резания Vgo (при стойкости Т=60 мин.), которая определялась методом торцевой обточки.

При проведении опытов глубина резания и подача принимались постоянными и соответственно равнялись t = 1 мм и 5 = 0,15 мм/об при различных частотах вращения (46, 76, 150, 230 и 305 об/мин.). Величины указанных чисел оборотов выбирались с таким расчетом, что-

Рис. б. Водоохладцаемый кокиль для литья проходных резцов (схема). 1 - стержнь-чаша; 2 - втулка стальная; 3 - отливка; 4 - медный водоохлаждаемый кристаллизатор; 5-кожух охлаэдения.

бы затупление режущей кромки резца происходило на первом проходе.

Испытания на стойкость резцов из литых сталей проводили с деформированной сталью Р6Ц5 стандартного состава на токарном станке 1А63 с определением усилий резания при помощи электрического динамометра удм - 1.

По результатам исследований проводилась графическая обработка результатов испытаний. Из полученных логарифмических графиков определяли показатель относительной стойкости (г) для каждой марки испытуемых сталей (рис. 6).

В результате исследований установлено,что стойкость сталей при точении в значительной степени определяется ее структурным состоянием и механическими свойствами. Резцы, полученные в земляных фермах и прошедших термическую обработку, независимо от химического состава

П.о^кик

г * б г (о

ео еа <ю со'

—

■й о

г ч \ ч \ N

N

== 1=]

■

-ьмЛ*,«.

к^мм

Рис.6. Логарифмический график зависимости радиуса диска, на котором произошло затупление резца от частоты оборотов, отлитого в КОКИЛЬ. Х- /¡7ЮЕВ; Д - Х7МЗС2Е-. О ~ Р6М5.

го 1о 4о

исследуемых сталей имеют стойкость на 25-30% ниже стойкости резцов из деформированной стали Р6М5. Ускоренное охлаждение резцов в водо-охлаждаемом кокиле с последующим отпуском обеспечивает повышение стойкости при точении на 15-20% по сравнению с резцами, отлитыми в земляную форму и прошедших полный цикл термической обработки.

После полного цикла термической обработки резцов, отлитых в водоохлаждаемый кокиль, обеспечивается их стойкость при точении на уровне стойкости стандартной быстрорежущей стали Р6М5.

По результатам производственных испытаний на износ литых резцов из сталей Х7МЗВФ и Х7ЫЗС2В установлено, что их износостойкость выше на 10-15% по сравнению с износостойкостью резцов из стандартной деформированной стали Р6М5.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основании проведенных исследований установлены основные закономерности формирования и изменения фазово-структурного состояния инструментальных литых сталей в зависимости от легирования и

--

условий теплоотвода при кристаллизации и охлаждении отливки.

2. Показана возможность сущэственного поЕьаления фиагасо-механических свойств (б'азг.. Н.Си, НИС, красностойкости, изпосостойк-ости) быстрооялааденных сталей (Усгл, = 10а. . .103 °С/с), обусловленное формированием вцсоксдисперсной литой структуры, повышенной легирован-ностью твердого раствора, дисперсностью и разобщенностью ледебурит-ной эвтектики, уменьшением ликвации, мартенеитиым превращением при охлаждении отливки, дисперсностью и равномерным распределением упрочняющих фаз.

3. Научно обоснована и экспериментально подтверждена возможность использования • безвольфрамовых либо нивковольфрамовых литых сталей в условиях интенсивного теплоотвода при кристаллизации на базе хромомолибденогшх композиций с повышенным содержанием углерода (до 1,15%) и микролегирования кальцием и церием.

4. Разработаны экоюынолегированяке литейные стали Х7ИЗВ5 и Х7МЗС2В и технология кокильного литья с интенсивным теплоотводом '(Чсхл. = 10*... 103 °С/с) при кристаллизации и охлаждении отливки, обеспечивавшие ресурс работы рогадзго инструмента (проходных резцов) на уровне аналогичного инструмента, изготавливаемого из проката быстрорежущей стали Р6Ы5.

5. В сзязи с пониженными температурами аустенктизации разрабо-тшшых сталей, по сравнению с быстрорегуЕЗй,Я1, реализуется возможность замены соляных надя муфзльными печами без применения защитной атмосферы при проведении упрсчнащей термической обработки сталей.

6. Обоснована ц подтверждена опьггно-промышлепИой проверкой эффективность разработанных сталей и литейцой технологии с ускоренным теплоотводом в форме, позволяющая реализовать,наряду с высокими физико-механическими свойствен литого инструмента, возможности сокра-шэния режима упрочняла термообработки за счет исключения операций шогоступенчатого нагрэва и ааквики; изготовления инструмента без припуска на механическую обработку с требуемой чистотой поверхности; использования обработанного нкструмонта и отходов производства для переплава в замкнутом технологическом цикле.

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в следующих научных трудах: '

1. Али Мтра. Влияние дополнительного легирования на температуру ауотенитизации под закалку хромомолкбденовой стали. - В кн.: "Лепфование, структура и свойства упрочненных сталей". Клзв. 1993,

с. 41-42.

2. /Uni Хат pa. Влияние яэгировашт па износостойкость литой стали. Сдтико-хнмичэскзя механика t.'.axGриалов. (В печати).

3. Олальчук А. С., Кондрате: С. Е., Аяи Хатра. Влияние скорости охлаждения при крксгашшащш на струстурообразовакие лип« бганей. Процессу литья. (В печати).

oJPjfcM