Остання редакція: 2016-02-20
Тези доповіді
Волкотруб М.П., Прилуцький М.І.,Роздобудько І.В.
Національний технічний університет України «КПІ»
Основними напрямком вдосконалення будь-якого виробництва являється модернізація відомих і створення нових технологічних процесів, які дозволяють зменшити витрати матеріалів, покращити умови праці, підвищити ефективність виробництва і якість продукції.
У зв’язку з цим все більш широке застосування знаходить спеціальна електрометалургія.
Одним з провідних методів виготовлення деталей являється лиття за моделями, що газифікуються, в основі якого лежить процес отримання виливків шляхом заповнення рідким металом форми виплавленим методом електрошлакової технології.
Метою даної роботи є розробка електрошлакової технології отримання виливок з сталі 10X18H10ТЛ за газифікованими моделями, яка б дозволяла отримати метал високої якості. В якості об’єктів досліджень вибрані виливки , отримані за газифікованими моделями з відходів.
Електрошлакова технологія (ЕШТ) була розроблена близько 50 років тому назад в інституті електрозварювання імені Є.О. Патона НАН України. Тепер ця технологія відома металургам усього світу. Складовою її частиною є нові технологічні процеси одержання литих виробів, які забезпечують підвищення якості металу при одночасному зниженні праце ємкості і собівартості виготовлених виробів, а також покращення умов праці на машинобудівних підприємствах.
В електрошлаковому металі значно знижується вміст шкідливих домішок, газів і неметалевих включень. Так вміст сірки при електрошлаковому переплаву може бути знижено в залежності від складу флюсу і вихідного вмісту сірки в металі в межах від 1,5 до 5 раз. Вміст кисню зменшується в 1,5-2,5 рази, азоту – 1,1-1,5 рази. В результаті інтенсивної десульфурації і зниження вмісту газів в зливках електрошлакового переплаву різко зменшується загальна кількість неметалевих включень. Електрошлакова сталь відрізняється високою чистотою по сульфідним і оксидним включенням. При електрошлаковому переплаві шлак є не тільки рафінуючим, але й захисним середовищем. Відсутність контакту рідкого металу з атмосферою при ЕШП обумовлено наявністю на його поверхні рідкої шлакової ванни.
Для виготовлення виливків з використанням електрошлакової технології, зазвичай, використовують електрошлакову тигельну плавку з сифонним зливанням металу з тигельної печі для запобігання потрапляння шлаку в ливарну форму.
Електрошлаковий процес може починатися як на рідкому, так і на твердому старті. Рідкий старт потребує додаткового плавильного устаткування для розплавлення та нагрівання шлаку і подальшу його заливку в плавильний тигель електрошлакової.
Твердий старт полягає в тому, що початок процесу і наплавлення мінімальної металевої і шлакової ванни ведуть в дуговому режимі з подальшим його переведенням в електрошлаковий.
Режим плавки вибирають у кожному конкретному випадку з урахуванням марки сплаву, типу флюса й періодичності роботи печі. Перегрівання металу перед заливкою у форму повинно бути на 100…150⁰С вищим за температуру ліквідус. Шлак перед розливанням розігрівають до температури, яка на 100…200⁰С більша за температуру металу, для чого в кінці плавки підвищують напругу або переходять на роботу з невитратним електродом. Для ЕШЛ плавки металу використовують установку А-550 з трансформатором ТШС-3000-1.
В останні часи серед перспективних технологічних процесів ливарного виробництва широке розповсюдження одержує лиття за газифікованими моделями (ЛГМ). Процес забезпечує більшу свободу проектування виливок будь-якої конфігурації за рахунок зняття обмежень, які викликаються формою, стержнем, за уклонами, роз´ємами, габаритами і таке інше.
Метод лиття за газифікованими моделями у всіх його різновидах відрізняється від всіх відомих способів наявністю не видаленої моделі в формі в період її заливки. Газифікована модель розкладається під дією теплоти розплавленого металу з утворенням твердої, рідкої та парогазових фаз продуктів деструкції, які і визначають особливості заповнення форми, її газовий режим і умови формування якісної виливки.
Сталь 10X18H10ТЛ є нержавіючою, жароміцною, аустенітною сталлю. З підвищенням температури (від 500 до 800⁰С), вмісту вуглецю і збільшенням тривалості видержки при нагріві розклад аустеніту збільшується, що різко погіршує стійкість сталі проти міжкристалічної корозії. В зв’язку з цим, хромо-нікелеву сталь 10X18H10ТЛ обов’язково використовують у виробах, які працюють при невисоких температурах, не допускають їх нагріву до небезпечного температурного інтервалу або роблять повторне гартування на аустеніт, знижують вміст вуглецю в сталі і в присадочних матеріалах при зварюванні. Ця сталь дуже чутлива до сірки, яка при підвищеному вмісті утворює сульфіди нікеля, які розміщуються на межах зерен і різко знижують стійкість до міжкристалітної корозії.
Процес лиття за газифікованими моделями включає операції виготовлення, збірки, фарбування піно полістиролових моделей, формовки, заливки, вилучення виливок, охолодження та регенерації формувальних матеріалів. Спочатку виконується підготовка полістиролу, для цього гранульований полістирол спінюють в ручному підспінювачі, в нашому випадку це відбувалось 8 хвилин, бо об’ємна маса полістиролу не повинна перевищувати 25 кг/м. Вироблення моделей з спінюванного пінополістиролу відбувається через 12-24 годин, для цього за допомогою ежектора задувають в прес-форму. Потім спікають в автоклаві при температурі 110-120⁰С, тиску – 1,5-2,5 кПа. Час спікання залежить від розміру деталі, від товщини стінки, від марки полістиролу. В нашому випадку, спікання відбувалось 3 хвилини і потім прес-форму охолоджували у воді. Після цього пінополістиролові моделі фарбуються протипригапними фарбами (водний розчин оксида цинку) товщиною 0,4-0,8мм. Протипригарні фарби готують в фарбомішалках і наносять на моделі кісточками. Сушка відбувається в сушильних шафах, де повітря нагрівається до температури 60-70⁰С,з примусовим переміщеннямповітря по об’єму сушильної камери. Потім при необхідності, моделі разом з ливниково-живлючою системою збираютьу блоки для послідуючої заливки.
Формовка блоку фарбованих піно полістиролових моделей проводиться шляхом установки його в контейнер, котрий засипається кварцевим піском без зв´язуючого та підлягає віброущільненню. Після ущільнення кварцового піску, верхня частина контейнера герметизується поліетиленовою плівкою і на стояк встановлюється ливникова чаша. Форма перед заливкою підлягає вакуумуванню. Після заливки металу, форма в протязі 2-10 хвилин додатково вакуумується.
Після відключення вакууму від форми виливки в ній охолоджується ще на протязі 10-30 хвилин. Після закінчення циклу охолодження виливок, контейнер обертають на 180⁰ і виливки, пісок вилучають із контейнера без здійснення традиційної операції вибивки.
В наслідку пісок підтягається охолодженню і регенерації на установці термічної регенерації піску типа РКС, а виливки поступають на фінішні операції.
Процес електрошлакового тигельного переплаву забезпечує практично повну відповідність хімічного складу початкового металу і металу після переплаву. Виключення складає сірка, склад якої в ході електрошлакового тигельного переплаву суттєво зменшується. В процесі плавки угару піддається титан, із-за цього ми проводимо до легування титаном до потрібного хімічного складу.
Табл. 1 Хімічний склад початкової сталі 10X18H10ТЛ,%:
Табл. 2 Хімічний склад сталі 10X18H10ТЛ після ЕШТП, %:
Оскільки вуглець і сірка змінили свій вміст, а вони суттєво впливають на механічні властивості сталі, то доцільно їх дослідити.Табл. 3 Механічні властивості сталі 10X18H10ТЛ після термічної обробки:
Сталь 10X18H10ТЛ виплавлена із відходів електрошлаковим переплавом має високі механічні властивості.При електрошлаковому переплаві хімічний склад сталі практично не змінюється, однак за рахунок очищення від неметалевих включень, шкідливих домішок і газів відбуваються суттєві зміни: покращується мікроструктура зливка, збільшується густина металу, знижується воднепроникність. Одночасно із зменшенням складу неметалевих включень, зменшується схильність сталей, і в першу чергу високолегованих, до появи тріщин.
Електрошлаковий процес дозволяє отримати метал високої якості:
зменшується вміст сірки в металі до тисячних долей
збільшуються фізико-механічні властивості, хімічна та структурна однорідність, великий запас в’язких і пластичних властивостей, що забезпечують при тій же системі легування і при тому ж хімічному складі металу можливість отримання високих показників міцності, не досяжних при інших технологіях;
добра поверхня виливок;
відсутність типових для виливок дефектів у вигляді пористостей, нещільностей, усадкових раковин.