Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВОК МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОГО ЛИТЬЯ

Изобретение относится к области металлургии, в частности к электрошлаковому кокильному литью, и может быть использовано в литейном производстве для рафинирования и модифицирования сталей. Изобретение обеспечивает повышение механических свойств отливок, предназначенных для изготовления инструмента из легированных сталей и сплавов.

Известен способ изготовления отливок методом электрошлакового кокильного литья, который заключается в получении жидкого металла способом электрошлаковой тигельной плавки, разливка его вместе со шлаком, используемым в процессе плавки, в литейную форму /Миронов Ю.М. Установки электрошлаковой металлургической технологии Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007. 408 с./

Недостатком данного способа является: получение отливок с повышенным содержанием неметаллических включений, с недостаточной дисперсностью макро и микроструктур, с низкой степенью дефосфорации и неглубокой десульфурацией расплава.

Известен способ изготовления отливок электрошлаковым литьем с последующим модифицированием ультрадисперсными порошками тугоплавких соединений из группы боридов, нитридов, карбидов, карбонитридов, оксидов. (№2026146, Способ изготовления отливок, №4937619/02, 10.01.1995, МКИ B22D 23/10)

Недостатком данного способа является повышенная трудоемкость получения порошков, их дороговизна, недостаточное направленное воздействие на уменьшение содержания неметаллических включений, присутствующих в металле, и степень рафинирования жидкого металла.

Из известных способов наиболее близким по технической сущности является способ изготовления отливок методом электрошлакового центробежного литья, включающий расплавление металла электрошлаковым способом, накопление расплава в тигле, его раскисление, модифицирование и заливку в литейную форму (№2447161, Способ изготовления отливок методом электрошлакового центробежного литья, 20.08.2011, МПК С12С 1/00). Недостатками данного способа являются невозможность глубокой десульфурации и дефосфорации стали в процессе электрошлакового переплава расходуемого электрода, применение для раскисления расплава в тигле дорогих металлов (ванадий, редкоземельные металлы (РМЗ)), а также повышенное содержание в расплаве неметаллических включений, не смачиваемых расплавом и склонных к укрупнению, в результате этого в межкристаллитных зонах образуются грубые выделения сульфидов, фосфидов, оксидов, что оказывает отрицательное влияние на пластичность и механические свойства стали.

Задачей изобретения является улучшение структуры и повышение механических свойств инструментальной стали за счет двухстадийной обработки расплава в шлаковой ванне (1 стадия) и в тигле с металлическим расплавом (2 стадия), в результате которой создаются оптимальные условия для процессов раскисления, десульфурации, дефосфорации и снижение содержания неметаллических включений в стали.

Поставленная задача решается тем, что способ изготовления отливок методом электрошлакового литья, включает расплавление металла электрошлаковым способом, накопление расплава в тигле, его раскисление, модифицирование и заливку в литейную форму, отличается от известного способа тем, что в процессе электрошлакового переплава расплав обрабатывают шлаком, в состав которого входит оксид кальция, для более полного удаления фосфора и серы, в процессе накопления расплава в тигле его предварительно раскисляют алюминием до остаточного содержания кислорода 0,0002-0,0001 мас. % во избежание повышенного расхода на этот процесс редкоземельных металлов, а модифицирование и рафинирование осуществляют редкоземельными металлами в составе мишметалла (ТУ 48-4-280-91), вводимыми в расплав в следующих количествах (мас. %): алюминий 0,1-0,15; мишметалл 0,15-0,20, сталь - остальное.

При выборе механизма модифицирования стали редкоземельными металлами необходимо учитывать возможность образования тугоплавких соединений между неметаллическими включениями, примесями в жидком металле, и вводимыми элементами

Предлагаемый способ реализуется следующим образом:

Получение отливок из инструментальной стали 4Х5МФС проводили при электрошлаковом кокильном литье на экспериментальном оборудовании. Вес получаемых отливок 18-20 кг.Переплав расходуемого электрода осуществляли с использованием шлака АНФ-295 на сухом старте. Шлак предварительно прокаливали при 800…850°С в течение 2 часов. При плавке сила тока составляла 2,5 кА, напряжение - 43-50 В. Расплав накапливался в тигле размером 320×320, футерованном огнеупорным материалом.

Капли жидкого металла, проходя через слой шлака, рафинировались. Десульфурация и частичная дефосфорация расплава происходила в результате наличия в шлаке соединений кальция. Так как кальций является сильным дефосфоратором и десульфуратом, то эти процессы протекали по следующим реакциям:

2[Са]+S₂=2CaS ΔG°=-702500+193,34T Дж/моль

3[Са]+2[Р]=Са₃Р₂ ΔG°=-873140+433T Дж/моль

Под слоем шлака, накапливался расплав, постепенно заполняя тигель. За 5 мин до окончания плавки сталь раскисляли алюминием, во избежание расхода редкоземельных металлов на этот процесс.

4[Al]+3O₂=2Al₂O₃ ΔG°=-426700+194,17Т Дж/моль

По завершении процесса раскисления выполнялось модифицирование жидкого металла редкоземельными металлами в составе мишметалла. Процессы десульфурации и дефосфорации стали протекали по реакциям:

4Се+3O₂=2Ce₂O₃ ΔG°=-913150+168,5Т Дж/моль

4Се+3O₂+2S=2Ce₂O₃S ΔG°=-876 850+155,9Т Дж/моль

2Се+3S=Ce₂S₃ ΔG°=-689309+145T Дж/моль

2Се+S₂=2CeS ΔG°=-516930+97T Дж/моль

2Се+P₂=2CeP ΔG°=-367 940+25,43T Дж/моль

С целью исключения длительного взаимодействия модификатора со шлаком модификатор вводили через кварцевую трубку диаметром 50 мм и длиной 1 м, помещенную в расплавленный металл. Равномерное распределение модификатора по всему объему жидкой ванны обеспечивалось за счет интенсивного движения металла в процессе переплава. После окончания плавки жидкую сталь разливали в литейную форму вместе со шлаком, который использовался в процессе плавки.

Выявлено, что при введении модификатора образуются тугоплавкие соединения: оксиды, оксисульфиды, сульфиды, а затем фосфид РЗМ. Эти соединения не смачиваются жидкой сталью, склонны к укрупнению неметаллических включений в результате их возможного столкновения и образования конгломератов. Происходит всплывание частиц в небольшую прибыльную часть отливки, которая находится под слоем шлака, тем самым сталь очищается от газов и неметаллических включений.

Полученные отливки из стали были подвергнуты термической обработке, для определения структуры и механических свойств. Изучение и оценка неметаллических включений проводились на оптическом микроскопе на нетравленых микрошлифах при увеличениях ×500 и ×800. Просматривалось не менее 15 полей зрения на каждом микрошлифе. В каждом поле зрения замерялись размеры включений окуляром-микрометром. Далее определялась площадь каждого включения в единицах окулярной шкалы. Площади включений суммировались во всех полях зрения образца и вычислялась загрязненность образца неметаллическими включениями.

Результаты исследований, приведенные в таблице, показали, что в образцах №1-3, которые были вырезаны из отливок, полученных без применения модифицирования, общая загрязненность неметаллических включений в несколько раз превышает загрязненность образцов №4-6, при получении которых применяли модифицирование редкоземельными металлами в составе мишметалла. Модифицирование способствует формированию более однородной структуры и переводу грубых пленочных включений в глобулярные оксисульфидные образования. Наблюдается измельчение зерна в связи с локализацией редкоземельных элементов на поверхности растущей твердой фазы, обусловленной их поверхностной активностью. При обработке стали редкоземельными металлами в количестве 0,15-0,2 мас. % по расчету обеспечивается десульфурация и дефосфорация расплава, измельчение микроструктуры, уменьшение общего количества неметаллических включений, изменение их природы, распределения, глобулизации и увеличение механических свойств (образцы №4-6, табл. 1). При этом часть РЗМ участвует в процессе рафинирования расплава, а часть - в модифицировании.

Проведенные исследования показали, что электрошлаковое кокильное литье по предлагаемому в изобретении способу обеспечивает повышение механических свойств, снижение общего количества неметаллических включений, их размерного соотношения, в сравнении с электрошлаковым переплавом, в котором применялось микролегирование молибденом, раскисление и модифицирование ванадием, РЗМ и/или щелочноземельными металлами.

Ведение модификатора в расплав в количестве 0,15-0,2 мас. % снижает загрязненность стали сульфидами, оксисульфидами, оксидами, фосфидами, что способствует увеличению механических свойств стали. Так же отмечено, что редкоземельные металлы оказывают положительное влияние на скорость роста первичных кристаллов, тем самым улучшая структуру стали.