Способ изготовления отливок методом электрошлакового литья

Изобретение относится к области металлургии, а именно к электрошлаковому кокильному литью стальных отливок, и может быть использовано в литейном производстве для рафинирования и модифицирования сталей. В процессе электрошлакового переплава расплав обрабатывают шлаком, в состав которого входит оксид кальция, в процессе накопления расплава в тигле его раскисляют алюминием в количестве 0,1-0,15 мас.% до остаточного содержания кислорода 0,0002-0,0001 мас.%, а модифицирование и рафинирование осуществляют редкоземельными металлами в составе мишметалла, вводимыми в расплав стали в количестве 0,15-0,20 мас.%. Изобретение позволяет снизить общее количество неметаллических включений в стали, изменить их распределение и размерное соотношение в отливке, а также повысить механические свойства отливок. 1 табл.

 

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.

Способ изготовления стальных отливок методом электрошлакового литья, включающий электрошлаковый переплав металла, накопление расплава в тигле, его раскисление, модифицирование, рафинирование и заливку стали в литейную форму, отличающийся тем, что в процессе электрошлакового переплава расплав обрабатывают шлаком, в состав которого входит оксид кальция, в процессе накопления расплава в тигле его раскисляют алюминием в количестве 0,1-0,15 мас.% до остаточного содержания кислорода 0,0002-0,0001 мас.%, а модифицирование и рафинирование осуществляют редкоземельными металлами в составе мишметалла, вводимыми в расплав стали в количестве 0,15-0,20 мас.%.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к спецэлектрометаллургии, а именно к кристаллизаторам для электрошлаковых печей (ЭШП). Кристаллизатор состоит из водоохлаждаемых секций, помещенных в несущую платформу.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для установок электрошлакового переплава. Установка содержит литейную форму, открытую кверху, и по меньшей мере один расходуемый электрод, простирающийся внутрь литейной формы, при этом ось расходуемого электрода ориентирована наклонно к вертикальной оси и угол между осью расходуемого электрода и вертикальной осью составляет от 20° до 60°.

Изобретение относится к области электрометаллургии, а именно к специальным процессам электроплавки с использованием электрошлакового переплава (ЭШП) и получением полой заготовки с использованием порошка висмута.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при получении быстрорежущей стали из кусковых отходов изношенного режущего инструмента и штамповой оснастки методом электрошлакового переплава.

Изобретение относится к специальной электрометаллургии, а именно к электрошлаковому литью охлаждающего поддона металлургической печи. В способе осуществляют изготовление заготовки поддона электрошлаковым переплавом медного электрода при температуре 1200-1350°С в неохлаждаемый стальной кристаллизатор, внутренние размеры которого соответствуют размерам и форме изготавливаемого поддона, получают заготовку в виде биметаллической отливки со стальным покрытием на двух взаимно параллельных поверхностях большего размера и трех поверхностях меньшего размера, после чего снимают стальное покрытие с одной из параллельных поверхностей большего размера упомянутой отливки с получением медной горизонтальной поверхности рабочей части поддона, предназначенной для размещения внутри печи, а на противоположной ей горизонтальной поверхности со стальным покрытием, используемой в качестве наружной части поддона, фрезеруют канавки, формирующие в нем канал для охлаждающей жидкости, после чего накрывают наружную часть поддона стальным листом и осуществляют последующую его приварку по образующей кромке листа.
Изобретение относится к электрометаллургии, в частности к изготовлению электрошлаковым переплавом заготовки корпуса запорной арматуры для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара.
Изобретение относится к электрометаллургии и может быть использовано для выплавления фасонных заготовок, в частности корпусов фонтанной арматуры, с фланцами и патрубками.
Изобретение относится к спецэлектрометаллургии и может быть использовано при изготовлении слитка стали электрошлаковым переплавом расходуемого электрода. .

Изобретение относится к электрометаллургии и может быть использовано для электрошлаковой выплавки крупных полых слитков с толщиной стенки более 300 мм и сплошных слитков с диаметром больше 300 мм.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для изготовления сложных по геометрии штамповых вставок и элементов пресс-форм из литых заготовок, получаемых методом электрошлакового кокильного литья (ЭКЛ).

Изобретение относится к области металлургии, а именно к электрошлаковому кокильному литью стальных отливок, и может быть использовано в литейном производстве для рафинирования и модифицирования сталей. В процессе электрошлакового переплава расплав обрабатывают шлаком, в состав которого входит оксид кальция, в процессе накопления расплава в тигле его раскисляют алюминием в количестве 0,1-0,15 мас. до остаточного содержания кислорода 0,0002-0,0001 мас., а модифицирование и рафинирование осуществляют редкоземельными металлами в составе мишметалла, вводимыми в расплав стали в количестве 0,15-0,20 мас.. Изобретение позволяет снизить общее количество неметаллических включений в стали, изменить их распределение и размерное соотношение в отливке, а также повысить механические свойства отливок. 1 табл.

Наверх