автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Выбор и обоснование режима высокотемпературной обработки расплава литейной штамповой стали с целью улучшения ее структуры и свойств

На правах рукописи

Михалкина Ирина Владимировна

ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ОБРАБОТКИ РАСПЛАВА ЛИТЕЙНОЙ ШТАМПОВОЙ СТАЛИ С ЦЕЛЬЮ УЛУЧШЕНИЯ ЕЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ

Специальность 05.16.04. - Литейное производство

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Магнитогорск - 2015

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова».

Научный руководитель доктор технических наук, профессор,

Заслуженный деятель науки РФ Колокольцев Валерий Михайлович.

Официальные оппоненты: Знаменский Леонид Геннадьевич

доктор технических наук, профессор кафедры металлургии и литейного производства, ФГБОУ ВПО «Южно - Уральский государственный университет» (НИУ);

Коток Алексей Петрович

кандидат технических наук,

главный инженер ЗАО «Механоремонтный

комплекс».

Ведущая организация - ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный уни-

верситет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», г. Екатеринбург.

Защита состоится 16 июня 2015 года в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.111.01 при ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова» по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, МГТУ, малый актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова» и на сайте http://www.magtu.ru/dokumenty/finish/512-mikhalkina-irina-vladimirovna/3335-dissertatsiya-mikhalkinoj-i-v.html.

Автореферат разослан « ОМ^АлА^ 2015 года.

Ученый секретарь Селиванов

диссертационного совета Валентин Николаевич

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА 2015

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие современной машиностроительной отрасли связано с повышением качества используемой инструментальной базы. Получение штампов отливкой с последующей механической и термической обработкой на требуемую твердость сокращает обработку резанием, трудозатраты, снижает расход металла и сокращает весь производственный цикл в целом.

Научные исследования показывают, что литой штамп и свойства литого материала не уступают в работоспособности кованому инструменту, а в некоторых случаях и превосходят. Перспективным материалом для изготовления литого инструмента для штампов горячего деформирования, работающего в условиях температурно - силового нагружения, является сложнолегированная сталь, которая в виду особенностей структуры способна обеспечивать высокий уровень механических (твердость, прочность) и некоторых эксплуатационных (износостойкость, разгаростойкость) свойств.

Основная причина, по которой сдерживается применение литых штампо-вых материалов, наличие грубой литой структуры и карбидной неоднородности отливок и, как следствие, анизотропия свойств.

За счет металлургических мер возможно улучшение структуры и эксплуатационных свойств литых штампов, получаемых из известных марок сталей. Большое внимание должно уделяться выбору способа приготовления исходного расплава стали, поиску оптимальных условий его кристаллизации в форме, устранению наследственной связи структуры и состава шихтовых материалов со свойствами и структурами расплавов.

Эффективным способом теплового воздействия, способствующим устранению признаков наследственности структуры шихтовых материалов и получению благоприятной однородной литой структуры, повышению комплекса механических и эксплуатационных свойств отливок, является высокотемпературная обработка расплава (ВТОР) стали. Исследованиям свойств и строению металлических расплавов посвящены работы таких ученых как Б.А. Баума, A.M. Самарина, Г.В. Тягунова, B.C. Цепелева, В.Н. Ларионова. Однако имеющихся сведений недостаточно для установления взаимосвязи ВТОР, различных скоростей охлаждения сплавов при кристаллизации и первичной литой структуры штамповой стали.

Определение температурно - временных параметров проведения высокотемпературной обработки расплава основано на изучении закономерностей изменения физических свойств жидких сплавов под тепловым воздействием и взаимосвязи структурообразования и жидкого состояния расплава.

Цель работы: Выбор и обоснование режима высокотемпературной обработки расплава и химического состава литейной стали для штампов горячего деформирования. Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:

1. Установление особенностей формирования микро - и макроструктуры отливок с учетом скорости охлаждения в форме.

2. Установление взаимосвязи параметров высокотемпературной обработки расплавов, скорости охлаждения сплавов в форме, химического состава и первичной литой структуры отливок.

3. Разработка режима высокотемпературной обработки расплава стали.

Достоверность полученных результатов подтверждается использованием при проведении исследований современных высокоточных измерительных приборов; успешным проведением промышленных плавок с использованием рекомендаций, полученных на основе проведенных в работе исследований; публикацией результатов исследований в печати и их апробацией на научно - технических конференциях.

Научная новизна работы:

1. Установлены закономерности формирования макроструктуры модельного сплава при различных скоростях охлаждения в литейных формах, которые были применены для обоснования высокотемпературной обработки металлических расплавов.

2. Выявлено образование новых кластерных групп после получения разу-порядоченного состояния расплава стали 4Х5В2ФСЛ, что подтверждается разницей значений энергий активации вязкого течения расплава в области жидкого состояния стали при нагреве (2724,01 Дж/моль) и при охлаждении (2742,3 Дж/моль).

3. Высокотемпературная обработка расплава стали 4Х5В2ФСЛ количественно и качественно меняет ее фазовый состав в зависимости от скорости при последующей кристаллизации в литейной форме, а именно: размер игл мартенсита, количество остаточного аустенита, протяженность ферритной составляющей, размер, форму и количество карбидов.

4. Экспериментально установлены температурно - временные параметры для обработки расплава стали 4Х5В2ФСЛ: выдержка в интервале 1710 - 1760 С не более 5 минут.

Практическая значимость работы:

1. Полученные закономерности формирования микро - и макроструктуры модельного сплава позволяют обосновать определение количественных параметров высокотемпературной обработки металлических расплавов.

2. Получены значения механических (твердость НЯС и прочность ст,) и эксплуатационных свойств (коэффициент износостойкости Ки) штамповой стали для горячего деформирования 4Х5В2ФС в литом состоянии до и после проведении ВТОР, и охлаждаемой при различных скоростях в форме, которые могут использоваться как справочные данные.

3. Получены ряды влияния химических элементов на механические и специальные свойства литой штамповой стали, которые позволяют уточнять ее конкретный химический состав на требуемые свойства.

Производственное опробование.

В условиях ЗАО «МЗПВ» 4Х5В2ФСЛ были проведены опытно-промышленные плавки стали с применением рекомендаций, разработанных в ходе выполнения работы. Показано, что повторные переплавы стали с различной

исходной структурой обуславливают закономерные изменения морфологических особенностей структуры стали: устранение ферритной составляющей и карбидной неоднородности. Это позволило рекомендовать разработанный режим ВТОР при получении отливок из инструментальных сталей.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на 68 - ой, 69 - ой, 70 - ой научно-технических конференциях, г. Магнитогорск, 2010, 2011, 2012 гг. соответственно, 12-ой научно-технической уральской школе-семинаре метапловедов-молодых ученых, г. Екатеринбург, 2011г.

Работа выполнена в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы направления «Металлургические технологии» (ГК №14.740.11.1242 от 15 июня 2011 г.) по теме «Синтез литейной инструментальной стали для штампов горячего и холодного деформирования».

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликованы 10 научных статей, из них 4 статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты физического моделирования высокотемпературной обработки расплава на формирование микро - и макроструктуры отливок.

2. Результаты исследования структурного состояния расплава стали 4Х5В2ФСЛ при ее нагреве и охлаждении на основе измерения кинематической вязкости.

3. Результаты исследований по влиянию температуры заливки, режимов высокотемпературной обработки расплава, химического состава на структурооб-разование, механические и специальные свойства штамповой стали 4Х5В2ФСЛ.

4. Режим высокотемпературной обработки расплава стали 4Х5В2ФСЛ.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения,

5 глав, заключения, списка литературы из 97 наименований, 4 приложений. Текст диссертационной работы изложен на 131 страницах машинописного текста, иллюстрирован 50 рисунками, 23 таблицами.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы; сформулирована цель исследований; показаны научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе на основе литературного обзора проведен анализ условий работы штампов для горячего деформирования, раскрыты основные причины, по которым сдерживается внедрение литых инструментальных сталей в России, и показано влияние технологических факторов на структуру и свойства литейной инструментальной стали для штампов горячего деформирования.

Установлено, что одним из перспективных направлений воздействия на устранение структурной наследственности от шихтовых материалов, получение

более однородной литой структуры и повышение эксплуатационных свойств литой штамповой стали является высокотемпературная обработка ее расплава.

На основе изучения состояния вопроса были сформулированы цели и задачи исследования.

Во второй главе изложено описание материалов и методик проведения исследований.

При физическом моделировании процесса высокотемпературной обработки расплавов использовали модельный расплав тиосульфата натрия Na2S203 (технический) в соответствии с ГОСТ 27068 - 86. Проводилась фото - и видеофиксация процесса кристаллизации расплава. Температурные зависимости от времени кристаллизации расплавов снимали с помощью аналогово - цифрового преобразователя ЛА - 50USB. В качестве первичного датчика использовали хромель - копе-левую термопару.

Объект исследования - сталь 4Х5В2ФСЛ. Экспериментальные сплавы выплавляли в ИСТ - 006 с основной футеровкой и заливали в песчано - глинистые формы (сухую и сырую) и кокиль. Химический состав металла определяли на спектрометре SPECTROMAXx.

Значения кинематической вязкости расплава стали 4Х5В2ФСЛ были получены помощью вискозиметра.

Влияние легирующих добавок на структурообразование и свойства литой штамповой стали определяли по стандартным методикам и с использованием стандартных пакетов электронных таблиц программы «EXCEL 2007».

Количественный металлографический анализ стали проводили на анализаторе изображений Thixomet Standard при увеличении от 100 до 1000 крат на шлифах до и после травления. Количественный фазовый анализ был определен с помощью дифрактометра ДРОН - 1 УМ.

Износостойкость сплавов изучали согласно ГОСТ 23.208 - 79 «Метод испытания материалов на износостойкость при трении о не жестко закрепленные абразивные частицы». Испытания на ударно - абразивный износ проводились в соответствие с ГОСТ 23.207 - 79 «Метод испытаний машиностроительных материалов на ударно-абразивное изнашивание».

Твердость образцов определяли на твердомере фирмы Ernst типа AT130D по ГОСТ 9013 - 59, вдавливанием алмазного конуса имеющего угол при вершине 120 и нагрузкой 1457 Н.

Дилатометрический анализ на приборе DIL 402 С, заключался в определении изменений длины образцов при нагреве и охлаждении на воздухе со скоростью 20 град/мин. Образцы заливались в кварцевые трубки цилиндрической формы 5x10 мм.

Изучение кинетики распада и структурных превращений инструментальной стали проводили на термоаналитическом приборе для синхронного термического анализа STA (Iupiter 449 F3). Все исследования были произведены в атмосфере инертного газа - аргона, в условиях непрерывного нагрева образца в интервале температур 20 - 1000 °С со скоростью 20 град/мин. Масса навески 10 мг.

В третьей главе проведено моделирование высокотемпературной обработки расплава (ВТОР) с использованием тиосульфата натрия Ыа282Оз для выявления особенностей кинетики кристаллизации и таких параметров, как время начала образования кристаллов (т, с) и размеры образовавшихся структурных зон (/ст - длина столбчатых кристаллов, мм; 5К - толщина корковой зоны, мм; ширина зоны равноосных кристаллов, мм). На первом этапе исследовали влияние незначительного перегрева расплава (Д1пер,) 5, 9, 13 и 17 С над температурой ликвидуса (^мкв), установленное значение которой равно 47 С. Расплав заливали в формы с водяным охлаждением и без охлаждения.

Показано, что при увеличении перегрева расплава соли над температурой ликвидуса наблюдается сокращение усадочной раковины, увеличение протяженности длин столбчатых кристаллов. Определена рациональная температура заливки расплава тиосульфат натрия, при которой наблюдается увеличение плотности дендритов, составляющая 60 С.

На следующем этапе моделирования высокотемпературной обработки модельный расплав выдерживали с более высоким перегревом при температурах 65, 70, 75 С в течение 5,10 и 15 минут. Из литературных источников известно, что перегрев расплава тиосульфата натрия N318203 свыше 75 С является «критическим» для жидкого гидрата - меняется характер кристаллизации от монотонной к взрывной.

Связь твердого и жидкого состояний сплавов можно объяснить с позиций квазиполикристаллической модели строения жидкости. При плавлении кристаллогидрата соли Ыа28203 происходит постепенное разрушение его кристаллического строения, начиная от слабых связей. Нагрев расплава тиосульфата натрия до 72,5 С приводит к его гомогенизации, поэтому процесс кристаллизации становится более затрудненным. Необходим более длительный инкубационный период для восстановления связей и образования новой фазы - расплав при указанной температуре близок к разупорядоченному состоянию. При увеличении времени теплового воздействия расплава и при снижении скорости охлаждения его в форме время начала образования кристаллов увеличивается.

Макроструктура затвердевших отливок имела две четко различимые зоны: корковую и столбчатых кристаллов. Анализ экспериментальных данных показал, что с увеличением температуры выдержки, продолжительности ее воздействия на расплав и скорости охлаждения расплава в форме, толщина корковой зоны уменьшается, а зона транскристаллизации отливки увеличивается.

Показано, что рост зоны транскристаллизации приостанавливается, когда число и размеры свободных кристаллов становятся сравнимыми с числом и поперечными размерами столбчатых кристаллов на границе фронта затвердевания с расплавом. Для того, чтобы свободные кристаллы достигли определенного размера необходимо определенное время их роста, а следовательно, неоходимая глубина расплава, переохлажденного перед фронтом транскристаллизации.

Изучение ранее проведенных исследований по влиянию перегрева на формирование макроструктуры отливки подтверждают достоверность полученных

данных при моделировании и возможность их переноса на реальные металлические расплавы. Показано, что высокотемпературная выдержка при использовании режимов интенсивного теплоотвода в процессе кристаллизации способствует изменению дисперсности дендритов, устранению их разветвленной структуры и повышению плотности модельного материала, как в осях дендритов, так и в междендритных участках. Высокотемпературная обработка расплава легированных сталей будет оказывать влияние на размеры и формы структурных составляющих в результате изменения формирования дендритов в условиях температурно — концентрационного переохлаждения.

При проведении ВТОР тиосульфат натрия показаны взаимосвязи термо -временного состояния расплава, скорости его охлаждения в форме с началом зарождения, формой кристаллов и изменением размеров образующихся структурных зон, что было использовано при исследованиях на реальных металлических расплавах.

В четвертой главе представлены результаты влияния высокотемпературной обработки расплава стали 4Х5В2ФСЛ на ее структурообразование при кристаллизации.

Выбор температурно - временных параметров проведения высокотемпературной обработки расплава стали 4Х5В2ФСЛ основывался на изучении температурной зависимости кинематической вязкости, построенной по усредненным значениям ее колебаний при нагреве расплава до температуры 1800 С (рисунок 1).

Температура t 'С

Рисунок 1 - Температурная зависимость кинематической вязкости v(t) расплава стали 4Х5В2ФСЛ

Выявлено, что расплав способен длительное время пребывать в состоянии равновесия. После расплавления всех компонентов и возникновения макроскопически однородной жидкости, в ней продолжает осуществляться переход от различных типов ближнего порядка компонентов шихты. Наблюдался осциллирующий характер изменения кинематической вязкости расплава, свидетельствующий о наличии в нем сравнительно устойчивых во времени нераспавшихся группировок типа FexO.

В интервале температур 1560 - 1760 С происходит снижение неоднородности строения расплава. Резкое ослабление связей расплава наблюдается при

нагреве его до температуры 1710 С - расплав близок к разупорядоченному состоянию.

Наблюдаемое явление гистерезиса объясняется изменениями в структуре расплавов и свидетельствует о необратимости процессов исчезновения неравновесных неоднородностей, унаследованных от шихтовых материалов. Значения вязкости при нагреве расплава оказываются больше, чем при его охлаждении. В первоначальный момент охлаждения структура разупорядочена и гистерезис не наблюдается. Он появляется только при температуре 1760 С, когда начинается образование новых кластерных групп. При этом переохлаждение значительное и достигает 45 С.

С использованием построенной зависимости 1пу от величины обратной температуры 1/Т были получены уравнения регрессий вязкого течения расплава стали 4Х5В2ФСЛ от (1000/Т) при нагреве и при охлаждении. Рассчитанная энергия активации вязкого течения расплава при охлаждении расплава в области жидкого состояния (2742,3 Дж/моль) больше, чем при нагреве (2724,01 Дж/моль), что свидетельствует об образовании новых кластерных групп.

Исследования по влиянию температуры выдержки расплава и времени теплового воздействия на структурообразование и свойства стали 4Х5В2ФСЛ проводили в два этапа. На первом этапе определили рациональный температурный интервал заливки расплава (1зал) стали 4Х5В2ФСЛ от 1560 до 1590 °С, и, позволяющий получать высокий уровень свойств: твердость Н11С от 61,4 до 63,3 ед.; балл зерна <1 от 5 до 7 балл; предел прочности а, от 845 до 892 МПа, износостойкость К„ от 1,16 до 1,75, ед.

Структура стали представлена: мартенсит +аустенит + двойной эвтектоид (феррит + специальные карбиды ванадия УС) и карбиды (Ре, Сг)7С3 и УС. Причем доля последних карбидов превалирует. В зависимости от температуры заливки и формы, в которой расплав охлаждается, изменяются объемная доля карбидов от 0,58 до 1,86 %, их число от 6145 до 9829 ед./мм2 и межчастичное расстояние между карбидами от 10,02 до 173,7 мкм.

Определено, что при увеличении температуры заливки стали до 1590 С, уменьшается протяженность ферритной составляющей и увеличивается ее микротвердость, увеличивается количество карбидов и сокращается межчастичное расстояние между ними. Это способствует повышению прочностной основы и снижению износа.

С большей скоростью охлаждения стали в форме свойства ее увеличиваются. При заливке расплава при температуре 1590 С в сухие песчано - глинистые формы структура стали представлена грубоигольчатым мартенситом (8-9 балл); число карбидов составляет 6145 ед./мм2, а расстояние между ними - 173,7 мкм. При заливке образцов в металлическую форму получен средне - и крупноигольчатый мартенсит (6-7 балл); число карбидов увеличивается до 7771 ед./мм2, а расстояние между карбидами сокращается до 170 мкм.

На втором этапе исследовали влияние ВТОР стали 4Х5В2ФСЛ на структуру, механические свойства (твердость, прочность) и износостойкость. Расплав

выдерживали при перегреве над температурой заливки более 100 С и до температуры 1710 С, при которой происходит резкое ослабление межатомных связей: 1670 С, 1690 С, 1710 С в течение 5, 10 и 15 минут при каждой температуре и заливали при 1570 С в формы с различной теплоаккумулирующей способностью Результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Свойства стали 4Х5В2ФСЛ после проведения высокотемпературной обработки ее расплава__

Температура выдержки, °С Время выдержки, мин Свойства

НЯС, ед. | Ки, ед. | а„, МПа

Тип литейной формы ПГФ сухая/ кокиль

1670 (перегрев над Ю0 °С) 5 55,3/56,1 1,36/1,79 1270/1280

10 52,3/54,1 1,42/1,44 1210/1240

15 51,7/53,3 1,49/1,52 1210/1230

1690 (перегрев над 1зш 120 °С) 5 45,0/46,8 1,38/1,46 1090/1130

10 40,8/41,6 1,60/1,74 1040/1050

15 47,7/49,9 1,55/1,66 1140/1160

1710 (перегрев над 140 °С) 5 47,0/48,1 1,38/1,55 1190/1210

10 44,3/45,2 1,25/1,44 1090/1100

15 45,2/45,7 1,20/1,42 1090/1120

Твердость изменяется в переделах от 40,8 до 56,1ед.; износостойкость от 1,2 до 1,79 ед.; предел прочности от 1040 до 1280 МПа.

Структура стали 4Х5В2ФСЛ, расплав которой выдерживали при температурах 1670 С и 1690 С в течение 5, 10 и 15 минут представлена мартенсит + ау-стенит + двойной эвтектоид (Ф + УС) и карбиды УС и (Ре.СгЬСз. Повышение температуры теплового воздействия на расплав до 1710 °С и охлаждение его при кристаллизации в песчано - глинистой сухой форме способствуют значительному сокращению объемной доли феррита. При охлаждении расплава в металлической форме структура стали без ферритной составляющей и представлена мартенситом, аустенитом и карбидами УС и (Ре,Сг)7С3.

Анализ полученных зависимостей свойств стали от режимов высокотемпературной обработки ее расплава показал, что незначительное падение прочности и твердости стали с увеличением времени выдержки при температуре 1670 С связано с укрупнением игл мартенсита с крупноигольчатого 7 балла до средне - и крупноигольчатого 6-8 балла. При этом область ферритной составляющей количественно не изменяется в зависимости от времени выдержки расплава.

Повышение температуры теплового воздействия на расплав стали до 1690 °С приводит к огрублению структуры (до 9 балла мартенсита). Твердость и прочность стали падают. Увеличение длительности выдержки расплава при данной температуре и увеличение его скорости охлаждения в форме влияет на измельчение структуры (не более 7 балла мартенсита). Это способствует повышению прочности и твердости стали. Наибольший коэффициент износостойкости характерен для стали, расплав которой выдерживали в печи при 1670 °С и охлаж-

и

дали в металлической форме. С увеличением времени выдержки при данной температуре износостойкость падает. При выдержке расплава в печи при 1690 °С не менее 10 минут коэффициент износостойкости стали повышается. Образуемые карбиды измельчаются. Изменение коэффициента износостойкости сталей связано с изменением количественных показателей образующихся карбидов, представленных в таблице 2.

Таблица 2 - Характеристика карбидов

Сталь выдерживается Объемная доля К, % Число карбидов, МА, ед./мм2 Длина включени! карбидов, Ь, мкм Площадь включений карбидов А, мкм2 Расстояние между карбидами, мкм Максим, площадь карбидов, мкм2

при I "С время, мин тип литейной формы (ПГФ сухая)(кокиль)

5 (0,04) (0,08) (256) (3278) (0,8) (0,4) (0,5) (0,25) (7789) (1189) (2,3) (2)

1670 10 (0,06) (0,1) (5436) (7987) (0,7) (0,4) (0,6) (0,3) (4653) (1076) (2,8) (2,7)

15 (0,4) (0,5) (5678) (7896) (0,7) (0,4) (0,6) (0,3) (4786) (454) (3,5) (3,0)

5 (0,06) (0,09) (237) (13065) (0,8) (0,4) (0,6) (0,15) (8976) (1043) (2,8) (2,1)

1690 10 (0,02) (0,06) (244) (1325) (0,9) (0,7) (0,7) (0,4) (4694) (1159) (2,92) (2,5)

15 (0,1) (0,4) (1278) (7114) (0,8) (0,7) (0,8) (0,5) (1242) (212,8) (6,46) (5,2)

5 (0,07) (0,1) (1588) (6354) (0,7) (0,4) (0,5) (1054) (987) (2,5) (3,0)

1710 10 (0,3) (0,4) (646) (7931) (0,7) (0,6) (0,5) (0,4) (233,5) (242) (7,8) (5,7)

15 (0,1) (0,23) (2321) (3251) (0,7) (0,9) (0,5) (0,7) (930) (396) (5.3) (9.4)

Карбиды меньшего размера лучше удерживаются в металлической матрице и не выкрашиваются из нее при изнашивании.

Дальнейшее повышение температуры выдержки расплава до 1710 Си охлаждение его в металлической форме способствует устранению ферритной составляющей структуры и получению размера игл мартенсита 6 балла. Выдержка расплава при 1710 С (не более 5 минут) способствует получению твердости стали 47 ед. и 48 ед. (для ПГФ сухой и металлической формы); коэффициента износостойкости 1,38 ед. и 1,55 ед. и прочности 1190и1210МПа. Уменьшение коэффициента износостойкости с увеличением времени выдержки расплава стали при данной температуре связано с укрупнением карбидов и уменьшения их количества.

Выдержка расплава стали 4Х5В2ФСЛ при температуре 1710 С стабилизирует высокотемпературное состояние расплава за счет блокирования углерода в некарбидной форме. Большой перегрев расплава приводит к значительному ослаблению и изменению характера межатомных взаимодействий, происходит рас-

пад слабых связей Ре - С карбидоподобного комплекса (Ре, Сг)7С3, что увеличивает диффузионную подвижность атомов хрома, который теперь входит в комплексы меньшего размера. При проведении моделирования ВТОР тиосульфат натрия определено, что при получении разупорядоченного состояния расплава образующаяся дендритная структура обладает повышенной дисперсностью и плотностью. Следствием этого является изменение распределения хрома и углерода между структурными составляющими стали 4Х5В2ФСЛ, уменьшение содержания хрома и увеличению концентрации углерода в металлической матрице расплава, а затем и в первичных дендритах твердой стали.

Карбиды стали 4Х5В2ФСЛ, расплав которой выдерживали при температурах 1670 °С и 1690 °С, имеют неправильную форму и вид мелких глобулей, расположенных в виде цепочек. Карбиды в форме тонких длинных пластин являются концентраторами напряжений в сплаве и снижают его механические характеристики (твердость и прочность). Повышение температуры выдержки расплава стали до 1710 °С способствует снижению объемной доли твердой и хрупкой фазы -карбидов (Ре, Сг)7С3 приводит к полной ликвидации колоний карбидов и формированию за счет уже нестесненного роста одиночных специальных карбидов ванадия УС благоприятной октаэдрической и округлой формы. Это способствует сохранению высокого коэффициента износостойкости наряду с высокой прочностью стали.

Температурно - временной режим оказывает влияние на фазовый состав стали. Анализ экспериментальных данных показал, что при выдержке расплава свыше 5 минут при температуре 1710 С количество остаточного аустенита (у - фаза) увеличивается от 0,68 - 2,22 % (для песчано-глинистой формы) и от 0,78 - 2,3 % (для металлической формы), что оказывает отрицательное влияние на износостойкость литого штампа.

Таким образом, обнаружено влияние структурного состояния исходных расплавов на структуру и свойства конечных сплавов. После проведения высокотемпературной обработки расплава стали свойства изменяются в сравнении со свойствами без обработки: твердость литых образцов падает на 22%, износ стали уменьшается на 4 % и прочность ее увеличивается на 36 %. Получение разупорядоченного состояния расплава стали 4Х5В2ФСЛ при высокотемпературном воздействии на него в интервале температур 1710 - 1760 °С способствует устранению ферритной составляющей в структуре, уменьшению размеров игл мартенсита и получению равномерно распределенных благоприятной округлой формы карбидов ванадия. Установленная разница в интервале температур проведения высокотемпературной обработки расплава стали 4Х5В2ФСЛ указывает на возможность использования различных шихтовых материалов при ее получении.

В условиях марочных составов сталей механические и эксплуатационные свойства штампов могут быть различны, в результате использования различных шихтовых материалов. Поэтому необходимы исследования влияния химического состава на структуру и свойства литой штамповой стали.

В пятой главе рассмотрено влияние химического состава стали на структуру и свойства в пределах марочного состава 4Х5В2ФС и выходя за него в количестве 69 штук, которые удовлетворяют комплексу требований, предъявляемому к штамповой стали: высокая твердость (HRC 36 - 60 ед.); средняя или высокая теплостойкость (t(HRc-5e) 500 - 600 С); умеренные или высокие показатели ударной вязкости (полутеплостойкие KCU 12-72 ДЖ/мм"); микроструктура (М+К или М+Аост+К, балл зерна не более 6). Интервалы содержаний химических элементов в исследуемых сталях следующие, масс. %: 0,02 - 1,60 С; 0,07 - 0,70 Si; 0,28 - 23,9 Мп; 0,45 - 13,25 Сг; 0,07 - 4,05 V; 0,11 - 7,2 Мо; 0,28 - 3,25 Ni; 0,28- 1,35 W.

Результаты анализа показали, что содержание углерода в интервале от 0,2 до 0,9 % и ванадия - от 0,1 до 2,5 % понижают ударную вязкость. Получению умеренных показателей ударной вязкости способствует никель до 0,7 %. При содержании никеля около 2 % твердость стали менее 40 ед. Увеличение твердости и прочности стали наблюдается при легировании хромом от 0,45 до 13 %, углеродом - от 1,0 до 1,25 % и ванадием - от 1,0 до 1,75%. Содержание хрома от 2 до 3 %, никеля не более 1,0 %, марганца от 0,45 до 1,0 % и ванадия от 0,75 до 1,90 % способствует получению высоких показателей теплостойкости. Кремний в интервале от 0,07 до 1,10 % легирует твердый раствор, упрочняя феррит, ускоряют процесс дисперсионного твердения.

Из результатов проведенного статистического анализа установлено, что содержание химических элементов стали, которое обеспечивает получение высокого комплекса свойств (наибольшие KCU, t(HRc-58) и HRC) укладывается в следующие значения, %: С 0,4 - 1,0; Сг 3,0 - 6,0; Ni 0,5 - 1,0; Мп 0,50 - 1,0; Si до 0,7; V 0,5-1,0.

Расчеты коэффициентов влияния элементов позволили построить ряды их влияния на свойства стали:

KCU: Ni (0,19) -> V (0,22) -> С (0,27) -> Si (0,32); HRC: С (0,21) -> V (0,24) Сг (0,26) Ni (0,29); t(HRc-5B): V (0,23) Ni (0,31) Мп (0,46).

С целью определения базового состава стали был спланирован и проведен полный факторный эксперимент типа 23 при следующем изменении факторов, % (по массе): Х| (углерод, 0,4; 1,0); Х2 (хром, 3,0; 6,0); Х3 (никель, 0,5; 1,5). На постоянном уровне держали элементы, %: Si = 0,5; Мп = 0,5. Определено, что наиболее высокие свойства (Ки, ед.: 1,80; 1,70; 1,90; HRC, ед.: 48,00; 47,00; 50,00 для песчано - глинистых сухой и сырой форм и кокиля соответственно) были получены при следующем содержании химических элементов, %: 0,4 С, 0,5 Si, 0,5 Мп, 1,5 Ni, 6,0 Сг. Этот комплекс и было решено принять за базовый состав литейной штамповой стали.

Для изучения дополнительного легирования литейной штамповой стали с целью повышения ее твердости был спланирован полный факторный эксперимент типа 23 при следующем изменении факторов, % (по массе): X) (вольфрам, 3,0; 4,3); Х2 (молибден, 0,7; 1,0); Х3 (ванадий, 1,5;2,5). На постоянном уровне дер-

жали элементы, %: 0,4 С; 0,5 0,5Мп; 0,5 N¡1 6,0 Сг. Значения свойств представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Свойства экспериментальных сплавов

№ ПГФ сухая ПГФ сырая Кокиль

НЛС, ед Кц. ел о., МПа НЯС, ед Ки.ел МПа НЯС, ед. Ки.ед а., МПа

Кн уд. ед К и уд. ед К-н уд, ед

46,70 3,06 1280 47,80 3,40 1660 58,50 3,60 1730

4,62 3.46 9,83

2 48,20 2,97 1270 50,70 3,45 1310 60,30 4,40 1290

5,55 8,85 9,23

3 48,30 2,90 1630 49,20 3,70 1650 60,00 4,00 1330

3,61 3,56 5,90

4 60,5 5,34 1290 62,30 5,78 1240 63,30 6.33 1710

6,36 6,80 9,63

5 56,00 2,80 1590 59,80 3,50 1290 61,60 3,70 1700

3,73 3,86 4,42

6 58,80 3,57 1240 61,30 3,70 1330 64,00 3,76 1740

3,84 5,16 5,44

7 61,80 3,62 1290 63,70 3,70 1720 64,20 3,93 1730

5,67 5,86 6,87

8 51,50 3,47 1330 53,00 3,30 1700 58,00 4,20 1720

4,88 6,43 9,97

Содержание химических элементов, которое способствует получению требуемой твердости, высокого коэффициента износостойкости наряду с сохранением высокой прочностной основы, следующее, % масс.: 0,45 С; 0,61 81; 0,54 Мп; 5,85 Сг; 1,07 Мо; 0,52 N¡5 1,40 V; 4,36 Сталь принадлежит к классу заэвтекто-идных и содержит карбиды типа Ме6С, УС и Сг7С3. Структура металлической основы мартенситноаустенитная. При охлаждении сплава в песчано - глинистой форме получен крупноигольчатый мартенсит 7 балла. При увеличении скорости охлаждения при затвердевании (кокиль) - мартенсит среднеигольчатый 5-6 балла. В результате карбидной неоднородности возникают области аустенита с различным содержанием углерода и легирующих элементов (Сг, V, \У), из которых после охлаждения образуются мартенситные участки с различной структурой. Таким образом, наличие карбидной неоднородности способствует возникновению структурной неоднородности металлической основы.

Для получения высоких показателей износостойкости К„, ед: 5,34; 5,78; 6,33; Кнуд.,ед.: 6,36; 6,80; 7,73 количественные характеристики карбидов следующие: объемная доля, %: 0,34; 1,26; 0,30; число карбидов, ед./мм2: 983; 4567; 3573 и площадь включений, мкм: 0,68; 5,80; 2,70 для сухой, сырой ПГФ и кокиля соответственно. С увеличением скорости охлаждения расплава количество образуемых карбидов больше и они мельче по размеру. Это приводит к повышению износостойкости.

Показано, что получению высокой стойкости в условиях абразивного износа способствует легирование стали 4,3 % вольфрамом, 1,0 % молибденом и 2,5 %

ванадием. В условиях ударно - абразивного износа - стали, в которых содержание вольфрама и молибдена 4,0 - 5,0 % (суммарное) и ванадия - 1,5 %.

Термоаналитические исследования показали, что температуру начала мар-тенситного превращения повышает легирование стали вольфрамом и молибденом, суммарное содержание которых составляет 4,4%. Установлено, что исключению фазовых превращений при рабочих температурах штампа, и незначительному изменению линейных размеров (1,36 %) при нагреве способствует стабильная структура металлической основы мартенсит и остаточный аустенит и высокоуглеродистая фаза, представленная карбидами Сг7С3 и устойчивыми карбидами УС и Ме6С.

Для образцов стали 4Х5В2ФСЛ, полученной при выдержке ее расплава при температуре 1710 С не более 10 минут и охлаждаемого в песчано - глинистой форме, была проведена термообработка (закалка 1040 С, закалочная среда — масло; двукратный отпуск: 560 С; 540 С ), традиционно используемая для деформируемого материала. Структура стали в литом состоянии (рисунок 2) представляет собой двойной эвтектоид, средне - и крупноигольчатый мартенсит (6-7 балл), количество остаточного аустенита (0,68 %) и карбиды Сг7С3 и УС.

а) б)

Рисунок 2 - Структура стали 4Х5В2ФСЛ после ВТОР и охлаждаемой в ПГФ до проведения термической обработки (а) и после проведения термической обработки (б) (х 500)

После проведения термической обработки формируется структура стали, состоящая из мелко (среднеигольчатого) мартенсита 4 (5) балла, карбидов и остаточного аустенита, количество которого снижается после закалки при проведении двукратного отпуска. Сетка двойного эвтектоида отсутствует. Повышаются свойства стали: 52 ед. НЯС, 1,43 ед. К,„ 1300 МПа а,.

Заключение

1. Научно обоснована возможность применения высокотемпературной обработки расплава для литой штамповой стали, что позволяет избежать получение разветвленной дендритной структуры, устранить неоднородность литой структуры и получать повышенные механические и эксплуатационные свойства отливок.

2. Экспериментально определен для расплава стали 4Х5В2ФСЛ интервал температур 1710 - 1760 °С, выдержка в пределах которого позволяет получить разупорядоченное состояние расплава, способствующее устранению ферритной составляющей, уменьшению размера игл мартенсита (6-7 балл), устранению карбидной неоднородности, формированию благоприятной формы карбидов ванадия литой структуры отливок.

3. Разница значений энергий активации вязкого течения расплава в области жидкого состояния стали 4Х5В2ФСЛ при нагреве (2724,01 Дж/моль) и охлаждении (2742,3 Дж/моль) указывает на образование новых кластерных групп после его высокотемпературной выдержки.

4. Определены параметры ВТОР для стали 4Х5В2ФСЛ для улучшения ее литой структуры и, как следствие, повышения комплекса свойств: выдержка расплава стали в печи при температуре 1710 °С не более 5 минут; температуру разливки стали рекомендуется выбирать в интервале 1560 - 1590 °С; С целью устранения ферритной составляющей для стали, охлаждаемой в сухой песчаной глинистой форме необходимо проведение термической обработки.

5. Установлено, что проведение ВТОР стали 4Х5В2ФСЛ способствует получению высокого значения прочностных свойств 1190 и 1210 МПа (для ПГФ сухой и металлической формы) с сохранением высокого значения износостойкости.

6. Определено, что для получения высокого уровня механических и эксплуатационных свойств стали 4Х5В2ФСЛ структура представлена металлической матрицей - мартенсит и высокоуглеродистой фазой, представленной карбидами УС и (Ре, Сг)7С3.

7. Уточнен химический состав (0,45 С; 0,61 81; 0,54 Мп; 5,85 Сг; 1,07 Мо; 0,52 N¡1 1,40 V; 4,36 АУ %), который по свойствам не уступает стали 4Х5В2ФСЛ, но состав которого отличен присутствием молибдена и повышенным содержанием таких элементов, как вольфрам и ванадий.

8. Методом дериватографического и дилатометрического анализа установлено, что уточненный состав стали не испытывает фазовых превращений в процессе нагрева стали до 795 °С и последующего охлаждения. Это позволяет установить рабочие температуры литого штампа не более 630 °С.

Основные содержание работы представлено в публикациях:

1. Колокольцев, В.М. Литейная сталь для штампов горячего деформирования [Текст] / В.М. Колокольцев, И.В. Иванова // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова. - 2009. - № 4 (28). - С. 15-17.

2. Колокольцев, В. М. Разработка базового состава литейной стали для штампов горячего деформирования [Текст] / В.М. Колокольцев, И.В. Иванова, А. М. Долгополов // Литейные процессы. Межрегиональный сборник научных трудов. Магнитогорск: Издательство МГТУ:- 2009. -№ 8. - С. 33 - 35.

3. Колокольцев, В.M. Использование нейросетевого метода для оптимизации состава сплава [Текст] / В.М. Колокольцев, И.В. Иванова, А. М. Долгополов //Литейные процессы. Межрегиональный сборник научных трудов. Межрегиональный сборник научных трудов. Магнитогорск: Издательство МГТУ: - 2009. -№8.-С.184- 189.

4. Колокольцев, В. М. Влияние легирования на свойства литейной инструментальной стали для штампов горячего деформирования [Текст] / В.М. Колокольцев, И.В. Иванова, А. М. Долгополов // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы 68 - ой межрегиональной научно-технической конференции. - Магнитогорск: Издательство МГТУ: - 2010. -Т. 1.С. 180- 182.

5. Иванова, И.В. Влияние температуры заливки и условий охлаждения расплава в форме на свойства и структуру литейной инструментальной стали 4Х5В2ФСЛ для штампов горячего деформирования [Текст] / И.В. Иванова, C.B. Берёзова // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы 69 - ой межрегиональной научно - технической конференции. -Магнитогорск: Издательство МГТУ: - 2011.-Т. 1.С. 109-112.

6. Колокольцев, В. М. Влияние химического состава на структуру и свойства литейной инструментальной стали для штампов горячего деформирования [Текст] / В.М. Колокольцев, И.В. Иванова, А. М. Долгополов // Труды Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева. - Нижний Новгород: Издательство НГТУ им. P.E. Алексеева: - 2012. -№2 (95).-С. 221 -226.

7. Колокольцев, В. М. Влияние температуры заливки и условий охлаждения расплава на свойства штамповой стали [Текст] / В.М. Колокольцев, Е.В. Пет-роченко, И.В. Иванова, С. В. Берёзова // Литейное производство. - 2012. - № 3. -С. 2-5.

8. Колокольцев, В. М. Влияние высокотемпературной обработки расплава (ВТОР) на структуру и свойства стали 4Х5В2ФСЛ [Текст] / В.М. Колокольцев, И.В. Иванова, C.B. Берёзова, П.В. Кощеев // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы 70 - ой межрегиональной научно-технической конференции. - Магнитогорск: Издательство МГТУ: - 2012. - Т. 1. С. 117-119.

9. Колокольцев, В. М. Высокотемпературная обработка расплава литейной штамповой стали 4Х5В2ФСЛ [Текст] / В.М. Колокольцев, Е.В. Петроченко, И.В. Иванова // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова.-2013.-№4(44).-С. 30-33.

10. Колокольцев, В. М. Моделирование процесса затвердевания отливок после высокотемпературной обработки расплава [Текст] / В.М. Колокольцев, C.B. Берёзова, И. В. Иванова, П. В. Кощеев // Литейщик России. - 2014. - № 4. - С. 14 - 19.

Подписано в печать 15.04.2015. Формат 60x84 1/16 Бумага тип.№1. Плоская печать. Усл. печ.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ264.

455000, Магнитогорск, пр. Ленина 38 Полиграфический участок ФГБОУ ВПО «МГТУ»

2012477730

2012477730