CC BY
30
419/ птящтьщт
U IШI 3 (67), 2012-
European Commission
TEMPUS
The technological aspects of processing and remelt-ing of dispersed metal scrap, generated during polishing and grinding of tools made from high speed steel and carbide and lump scrap for the manufacture of drilling equipment and mining equipment are investigated.
Д. М. кукуй, Ф. И. рудницкий, Ю. А. НИКОЛАйчИК, БНТу, Л. В. СуДНИК, ИЛМНАН Беларуси
УДК 669.14.018.252.3
перспективы изготовления технологической оснастки проходческого и Бурового оборудования в процессе рециклинга отходов высоколегированных сталей
Идея использования литейных технологий для изготовления инструмента и технологической оснастки, используемой в различных отраслях промышленности, является весьма привлекательной ввиду ряда технологических, эксплуатационных и экономических преимуществ [1-3].
В процессе производства ряда изделий образуется значительное количество отходов (инструментальное, гальваническое), содержащих дорогостоящие и дефицитные легирующие элементы (вольфрам, хром, молибден, ванадий, кобальт и др.), утилизация или рециклинг которых представляет определенную проблему. Вместе с тем, при условии осуществления определенных технологических операций после обработки такие отходы легко могут быть использованы в качестве шихтовых материалов при изготовлении путем переплава инструмента и технологической оснастки различного назначения, в том числе и для использования в качестве рабочих органов бурового и проходческого оборудования.
При изготовлении оснастки специального назначения литьем появляется уникальная возможность, используя в качестве шихтовых материалов отходы стандартных марок сталей, скорректировать в процессе плавки металла его состав, оптимизировать условия кристаллизации. Оптимизация состава и технологических факторов получения литых заготовок позволяет увеличить свойства, имеющие первостепенное значение с точки зрения эксплуатационной стойкости конкретной оснастки и условий ее работы.
В работе исследованы технологические аспекты переработки и переплава дисперсных металло-отходов, образующихся в процессе шлифования и затачивания инструмента из быстрорежущих
сталей и твердых сплавов и кускового лома с целью изготовления оснастки бурового и горнодобывающего оборудования. Внедрение такой технологии обеспечивает возможность рециклинга труднопе-рерабатываемых отходов, содержащих дорогостоящие и дефицитные элементы, позволяет предотвратить выброс их в отвалы и сохранить окружающую среду, а также увеличить срок службы изделий.
Поскольку для увеличения выхода годного металла технологией предусмотрено предварительное восстановление шлама путем смешивания с углеродсодержащими материалами (графит, древесный уголь и др.), весьма вероятна возможность значительного увеличения концентрации углерода в выплавленной стали [4].
Свойства исследуемых сплавов, приведенные в табл. 1, свидетельствуют о том, что увеличение содержания углерода способствует существенному возрастанию твердости, теплостойкости и износостойкости, но снижению ударной вязкости (табл. 1).
Т а б л и ц а 1. Влияние содержания углерода на основные свойства литой быстрорежущей стали
Материал Твердость HRC Теплостойкость, 620 °С, 4 ч, HRC Ударная вязкость КС, кДж/м2 Износ, мг/ч
Р6М5 63,0 58,5 90 78
Р6М5 + 1,2 % С 69,0 64,0 20-30 45
Р6М5 + 1,2 % С + модификатор HRC 70 66,0 100-120 42
ВК8 70 70 85 24
Изменение свойств вызвано увеличением количества карбидной составляющей в структуре (рис. 1, а, б). Причем зафиксировано увеличение как первичных изолированных карбидов, так и сет-
аггг^ г: гсшг г /лтгггт /010
-3 (67), 2012 / 11 IV
Рис. 1. Микроструктура стали Р6М5: а - немодифицированная сталь Р6М5 с повышенным содержанием (2%) углерода; б -модифицированная сталь Р6М5 с повышенным содержанием (2%) углерода. х400
ки ледебуритной эвтектики, вызывающей охруп-чивание стали.
Для устранения эффекта охрупчивания в результате повышенного содержания углерода предпринята попытка повышения ударной вязкости за счет модифицирования расплава, т. е. введения в состав стали в небольших количествах (до 0,10,15 %) специальных добавок-модификаторов. Эффект модифицирования заключается в том, что одни элементы увеличивают число центров кристаллизации в расплаве и, тем самым, количество растущих кристаллов, другие - ограничивают их рост, оказывая существенное влияние на свойства металла [5].
Металлографический анализ образцов исследуемых сталей показывает, что в результате модифицирующего эффекта происходит сильное измельчение первичного зерна. Значительные изменения фиксируются и в эвтектической составляющей. Она приобретает более тонкое, мелкодисперсное строение, местами разорвана и расположена в виде изолированных колоний (рис. 2, а). Действие модификатора объясняется его расположением на растущих кристаллах и твердого раствора и карбидной составляющей структуры (рис. 2, б). В результате таких изменений в структуре под воздействием модификатора ударная вязкость исследуемой
стали существенно растет. Примечательным является тот факт, что модификатор увеличивает также теплостойкость и износостойкость литой стали с повышенным содержанием углерода. Это связано, по-видимому, с повышением растворимости углерода и легирующих элементов в твердом растворе и, как следствие, усилением эффекта дисперсионного твердения.
Высокие значения твердости, теплостойкости и износостойкости в сочетании с весьма удовлетворительной ударной вязкостью литой быстрорежущей стали с повышенным содержанием углерода и твердых сплавов позволяют использовать разработанную технологию для изготовления заготовок технологической оснастки проходческого и бурового оборудования.
При использовании в качестве шихтовых материалов лома и стружки быстрорежущих сталей содержание углерода в выплавленном металле составляет 0,8-1,0%. В этом случае для повышения физико-механических и эксплуатационных свойств сталей и сплавов лучшим способом является использование микролегирующего действия элементов-модификаторов, среди которых одним из наиболее эффективных служит бор. Увеличение твердости и износостойкости стали, модифицированной бором, связано с появлением в структуре
; «"1!" » * «Г
Я
Рис. 2. Микроструктура модифицированной быстрорежущей стали и характер распределения модификатора в структуре: а - микроструктура модифицированной быстрорежущей стали с повышенным содержанием углерода после закалки и отпуска; б - характер распределения модификатора в структуре литой быстрорежущей стали. х2500
314/
г^г: г: гшшгггта
3 (67), 2012-
Рис. 3. Микроструктура (а) и поверхность разрушения (б) стали Р6М5Л, модифицированной бором. х5000
карбоборидов, обладающих высокой твердостью. Введение бора в составе ферросплава в металл способствует увеличению количества эвтектической составляющей преимущественно скелетной морфологии (рис. 3, а). Характер разрушения борсодер-жащей стали - межзеренный хрупкий (рис. 3, б).
Для устранения явления охрупчивания литой стали и сохранения ее высоких значений твердости, прочности и износостойкости изделий при проведении исследований бор вводили в расплав в виде наноструктурированного диборида титана. Выбор такого комплексного модификатора обоснован тем, что титан является эффективным иноку-лирующим элементом, диспергирующим структуру металла и повышающим его ударную вязкость (рис. 4), а размер частиц добавки не приводит к огрублению эвтектической составляющей при
условии соблюдения технологии плавки стали (перегрев, время выдержки расплава).
Диборид титана в виде нанопорошка вводили в печь с расплавленной сталью методом продувки его через футерованную фурму инертным газом (аргоном) после полного раскисления стали. Твердость образцов определяли непосредственно в литом состоянии, после отжига, закалки и отпуска (табл. 2). Ударную вязкость и износостойкость изучали после полной термической обработки (табл. 3). Микроструктура исследуемых образцов (рис. 5) свидетельствует о том, что в результате наномоди-фицирования измельчается первичное зерно, сетка ледебуритной эвтектики разрывается, эвтектика приобретает тонкое строение и располагается в виде изолированных колоний. Эвтектическая составляющая по морфологическому типу скелетообразная,
Рис. 4. Микроструктура (а) и поверхность разрушения (б) стали Р6М5, модифицированной титаном. а - *850; б - х4000
Рис. 5. Микроструктура (а) и поверхность разрушения (б) литой быстрорежущей стали Р6М5, модифицированной нано-
структурированными добавками диборида титана. *10000
дгггг^ г: гсшт^гтотг /о«
-3 (67),2012 / V IV
Т а б л и ц а 2. Влияние модифицирования на твердость стали Р6М5
Тип стали Р6М5 Твердость HRC Теплостойкость тс
в литом состоянии после отжига после закалки после отпуска
Деформированная сталь - 22 63 64 58
Литая сталь базового состава 65 26 63,5 64 59,5
Сталь, модифицированная титаном 65 28 62,5 63 58,5
Сталь, модифицированная бором 65 24 63,5 65 63
Сталь, модифицированная диборидом титана 65 24 63,5 65 63
Т а б л и ц а 3. Влияние модифицирования на количество неметаллических включений в структуре, ударную вязкость и износ стали Р6М5Л
Тип стали Р6М5 Ударная вязкость КС, кДж/м2 Износ, мг/ч
Деформированная сталь 380 108
Литая сталь базового состава 90 78
Сталь, модифицированная титаном 160 67
Сталь, модифицированная бором 70 59
Сталь, модифицированная диборидом титана 180 50
что характерно для борсодержащей быстрорежущей стали. Однако механизм разрушения экспериментальной стали близок к механизму разрушения стали, модифицированной титаном - внутризерен-ный. На поверхностях разрушения экспериментальной стали, модифицированной диборидом титана (рис. 5, б), отсутствуют фасетки скола, присутствующие на фрактограммах борсодержащей стали (см. рис. 4, б). Напротив, в поверхностях разрушения наномодифицированной стали преобладает ямочный микрорельеф, что свидетельствует о высокой энергоемкости такого механизма и высокой ударной вязкости металла.
В процессе проведения исследований в технологии производства литой оснастки проходческого и бурового оборудования использовали различные методы получения металла: индукционную плавку; электрошлаковый переплав; электрошлаковую тигельную плавку.
Для управления формированием структуры металла и достижения необходимого комплекса физико-механических и эксплуатационных свойств использовали регулирование скорости охлаждения на разных стадиях кристаллизации путем применения материалов литейных форм с различной теп-лоаккумулирующей способностью в весьма ши-
роком интервале скоростей охлаждения от нескольких градусов (формы из стержневых смесей) до нескольких тысяч градусов в секунду (охлаждение в жидком азоте), а также модифицирование и наномодифицирование рядом элементов и их сочетаний.
В связи с высокой твердостью литых материалов и необходимостью сведения припусков на механическую обработку до минимальных размеров (0,1-0,15 мм) в технологии использованы точные методы получения заготовок - литье по постоянным моделям в керамические формы (Show-и Composite-Show-процессы). Их сущность заключается в том, что заранее приготовленная керамическая суспензия, содержащая огнеупорный наполнитель, связующее и катализатор, заливается на модель в опоку. После отверждения суспензии и извлечения модели форма прокаливается и заливается приготовленным сплавом. В качестве связующего опробованы гидролизованный этилсиликат и натриевое жидкое стекло.
Разработанные литые материалы по комплексу свойств могут найти широкое применение при изготовлении эффективной технологической оснастки бурового и горнодобывающего оборудования, по стойкости не уступающей твердосплавной.
Литература
1. Р у д н и ц к и й Ф. И. Особенности эксплуатации инструмента из литой быстрорежущей стали // Литье и металлургия. 2006. № 2. Ч. 2. С. 173 -177.
2 . Ч а у с А. С., Р у д н и ц к и й Ф. И. Структура и свойства быстроохлажденной быстрорежущей стали Р6М5 // МиТОМ. 2003. № 5. С. 3-7.
3 . Ч а у с А. С., Р у д н и ц к и й Ф. И., М у р г а ш М. Структурная наследственность и особенности разрушения быстрорежущих сталей // МиТОМ. 1997. № 2. С. 9-11.
4 . Пат. РБ № 2277 / Ю. И. Тамбовцев, Ф. И. Рудницкий. Способ переработки металлоотходов.
5 . Ч а у с А. С., Р у д н и ц к и й Ф. И. Влияние модифицирования на структуру и свойства литых вольфрамомолибдено-вых быстрорежущих сталей // МиТОМ. 1989.№ 2. С. 27-32.
