CC BY
94
ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
УДК 621.785.72:621.771.07 Вдовин К.Н., Зайцева A.A.
ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА ВАЛКОВЫЙ ЧУГУН, МОДИФИЦИРОВАННЫЙ БОРОМ
Прокатное производство занимает в металлургической промышленности важное место, так как часто производит окончательную продукцию. Ежегодное производство проката характеризуется расширением сортамента и увеличением выпуска. От производимого проката зависит большое количество сфер деятельности человека, начиная от изготовления посуды и заканчивая сложнейшим автомобиле - и машиностроением, поэтому главной задачей на сегодняшний момент является повышение качества прокатной продукции. Емкость внутреннего рынка металлопроката в январе 2011 года составила 139% против января 2009 года, а объём производства готового проката - 112,2%. Расширение внутреннего потребления листового проката составило в январе 135,7%, а сортового проката - 143,3%. В январе 2011 доля российского металла во внутреннем потреблении составила 91,1%, или 32 млн т [1].
За последние десятилетия в прокатном производстве наметились серьезные изменения, связанные с требованиями пользователей продукции. В первую очередь, это улучшение ее качества и повышение экономических показателей. Эти требования не всегда могут быть выполнены в силу некоторых проблем, имеющихся в работе прокатных станов, например их конструкция, качество валков и т.п.
Несмотря на то, что прокатные валки являются сменной частью прокатного оборудования, они могут оказывать существенное влияние на качество прокатной продукции, поскольку непосредственно контактируют с ней. Валки должны отвечать современным требованиям как по качеству, так и иметь приемлемый уровень стоимости их производства.
Качество прокатных валков находится под строгим наблюдением производителей и пользователей. Но поиски способов повышения стойкости валков не прекращаются. Что касается чугунных валков, то это, в первую очередь, легирование и модифицирование чугуна перспективными химическими элементами. Они могут воздействовать на структуру и свойства чугуна, прежде всего, за счет создания дополнительных центров кристаллизации. В настоящее время самыми распространенными модифицирующими элементами, которые ис-
пользуются для валкового чугуна, являются ниобий, титан, ванадий, молибден, бор и др.
Особый интерес из применяемых модификаторов для валкового чугуна представляет бор, поскольку из всех элементов именно он по своим атомным характеристикам наиболее близко подходит к углероду [2].
Бор (borum, старое название boracium и boron; химическая формула - В) - химический элемент III группы периодической системы Менделеева, атомный номер 5, атомная масса 10,811, кристаллы серовато-черного цвета (очень чистый бор бесцветен).
Влияние бора на свойства железа подобно влиянию углерода, но в несколько раз более сильное. Добавка бора способствует измельчению зерна железа и дает возможность использовать термическую обработку для повышения его свойств [3].
В условиях литейной лаборатории МГТУ им. Носова провели исследования по влиянию температурного режима термической обработки на валковый чугун, модифицированный бором. Исследования осуществляли в два этапа.
Первый этап состоял в выборе рационального содержания бора в валковом чугуне. Чугун, который модифицировали бором, по химическому составу соответствовал рабочему валковому чугуну марки ЛПХНМД-71И (табл. 1).
По известному химическому составу (см. табл. 1) выплавили валковый чугун с различным содержанием бора.
Химический состав изготовленных образцов представлен в табл. 2.
Таблица 2
Химический состав изготовленных образцов
Номер плавки Химический состав, %
C S S< Р< Cr Ni Mo B
1 3,16 0,83 0,91 0,03 0,048 1,77 4,36 0,40 0,06
2 3,13 0,82 0,91 0,027 0,047 1,77 4,34 0,40 0,09
3 3,14 0,80 0,91 0,020 0,048 1,77 4,33 0,40 0,04
Таблица 1
Рекомендуемый химический состав рабочего слоя валкового чугуна в ОАО «Магнитогорский завод прокатных валков»
Марка чугуна Химический состав чугуна, %
ЛПХНМд-71 C Si Mn S< P< Cr Ni Mo Mg
3,0-3,4 0,7-1,2 0,5-1,2 0,1 0,15 1,4-2,0 4,0-4,7 0,2-0,5 <0,03
ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
Макроструктура образцов хорошая, а микро-структурапредставленанарис. 1.
Равномерное распределение структурных составляющих в чугуне соответствует лучшим эксплуатационным характеристикам сплава. Как видно из рис. 1, наиболее равномерное распределение этих составляющих (цементита и металлической основы) соответствует образцу чугуна № 1 с содержанием бора 0,06%. Поэтому для проведения исследований температурного режима термической обработки чугуна были взяты именно эти образцы.
в
Рис. 1. Микроструктура образцов чугуна с различным содержанием бора (х100), %: а - 0,06; б - 0,09; в - 0,04
Обычно для валковых чугунов применяют термическую обработку - отпуск, который служит не только для снятия внутренних напряжений, но и обеспечивает искусственное старение металла валка. Образцы № 3 (см. табл. 2) одинаковых размеров и химического состава нагревали с одинаковой скоростью (15°С /ч) до разных температур: 300, 450 и 550°С и выдерживали 2 ч, а затем охлаждали на воздухе.
Микроструктуры образцов чугуна с различными температурами отпуска приведены на рис. 2.
Микроструктура образцов представляет собой металлическую матрицу, состоящую из аустенита и мартенсита, и карбидов (цементитная фаза).
Результаты исследования механических свойств полученного чугуна представлены в табл. 3.
Из данных табл. 3 видно, что отпуск валкового чугуна, проведенный при температуре 300°С, на твердость и микротвердость его существенно не влияет. Повышение данных характеристик наблюдается при применении отпуска более высоких температур -450 и 550°С.
Повышение микротвердости металлической матрицы объясняется ростом количества мартенсита при повышении температуры отпуска, а повышение микротвердости цементитной фазы - способностью бора упрочнять цементит.
в
Рис. 2. Микроструктура образцов после термической обработки (х100): а - отпуск 300°С; б - отпуск 450°С; в - отпуск 550°С
Таблица 3
Свойства модифицированного бором валкового чугуна до термообработки и после
Темпе- ратура отпуска, 0С Характеристика образцов
Микротвердость цементита, HV Микротвердость металлической матрицы, HV Твердость, HRC
Без проведения отпуска 566, 627, 681 399, 390, 409 50,0; 50,0; 51,0
300 612, 536, 677 412, 392, 403 50,0; 51,0; 51,0
450 883, 801, 860 371, 447, 540 57,0; 57,0; 57,0
550 965, 995, 1254 473, 513, 566 62,0; 62,0; 62,0
После введения бора в чугун в его цементитной структурной составляющей образуется карбидная фаза бора, которая в отличие от обычных карбидных фаз используется в качестве упрочняющейся составляющей [4].
Бор имеет большое сродство к углероду, поэтому он способен заменять атомы углерод в решетке цементита. Формула цементита в таком случае принимает вид Ре3СпБ1-п. Речь идет о борокарбиде, т. е. бо-роцементите, в которых часть атомов углерода в решетке цементита замещены атомами бора [5].
При повышении температуры соотношение бора и углерода в цементите изменяется - способность замены атомов углерода бором повышается, и цементитная фаза становится более твердой. Изменений в размерах карбидной фазы не наблюдали, а повышение температуры отпуска, в исследованных пределах, не влияет на коагуляцию и рост карбидов
Из данных табл. 3 видно, что с ростом температуры отпуска твердость испытуемого чугуна марки ЛПХНМд-71(И) повышается. Она является одной из основных характеристик рабочего слоя валка, к которым предъявляют особые требования. Так как износостойкость находится в прямой зависимости от твердости, то повышение температуры отпуска будет положительно влиять и на износостойкость.
Список литературы
1. Металлоснабжение и сбыт. URL: http: //www.metalinfo.ru.
2. Мчедлишвили В.А., Ховрина В.В. Бор, кальций, ниобий, цирконий в чугуне и стали: пер. с англ. и под ред. С. М. Винарова. М.: Металлур-гиздат, 1961. 448 с.
3. Металловедение и термическая обработка стали и чугуна: справ. изд.: в 3 т. / МЛ. Бернштейн, Г.В. Курдюмов, B.C. Меськин и др.; под общ. ред. А.Г. Рахштадта, Л.М. Кауткиной, С.Д. Прокошкина, A.B. Супова. Т. 2. Строение стали и чугуна. М.: Интермет Инжениринг, 2005. 528 с.
4. Кюку Д., Нэва Н. и Фасевич Ю. Влияние бора на структуру и свойства стали // Сборник 65 мирового литейного конгресса. 2002. С. 45-48.
5. Крукович М.Г., Прусаков Б.А., Сизов И.Г. Пластичность борированных слоев. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. 384 с.
Bibliography
1. Magazine «Metailosupply and sale» //www.metalinfo.ru
2. Boron, calcium, columbium, and zirconium in iron and steel/Published for The Engineering Foundation by John Wiley & Sons, inc., New York Charman & Hall, ltd., London, 1961
3. Metallography and heat treatment of steel and iron: Refer. pub. in 3th v./M. L. Bernshtein, G. V. Kurdumov, V. S. Meskin and others/pub. by A. G.Rahshtadta, L. M. Kautkinoi, S. D. Proshkin, A. V. Supova. T.2. Structure of steel and iron. - M.: Intermet Engeneering, 2005. - 528 p.: il.
4. D. Kukuy, N. Nevar and Yu. Fasevich (Belorussian State Polytechnic Academy, Minsk, Belarus) The effect of boron on the structure and properties of a cast steel //Proceedings of 65th World Foundry Congress Gyeongju, Korea, 2002
5. Krukovich M. G., Prusakov B. A., Sizov I. G. Plasticity of boroned layers. -М.: FIZMATLIT, 2010. - 384 p.
УДК 621.74
Сушко Т.И., Леднев A.C., Пашнева T.B., Турищев В.В., Руднева И.Г.
ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВКИ «КОРПУС» МЕТОДОМ лвм
В настоящее время в ОАО «КБХА» (г. Воронеж) для разработки технологического процесса получения новых литых изделий применяется метод «Проб и ошибок», что приводит к браку, многократному исправлению модельной оснастки, лишним плавкам металла и, как следствие, к длительному сроку освоения новых изделий и удорожанию конечной продукции. Несмотря на огромный опыт проектирования литнико-во-питающих систем в ОАО «КБХА», освоение новых изделий занимает длительный период времени. Причина этого - чрезвычайная сложность процессов формирования отливки в случае метода ЛВМ и отсутствие универсального метода проектирования ЛПС.
Для сокращения сроков и стоимости подготовки производства, а также снижения себестоимости отливок целесообразно использовать системы автоматизированного моделирования литейных процессов (САМ ЛП), предназначенные для моделирования литейных процессов заполнения формы металлом, затвердевания, образования усадочных раковин, макро- и микропористости, развития напряжений, цель которых - ускоренный поиск оптимальных параметров процесса затвердевания.
Целью данной работы являлось исследование процесса формирования отливки «Корпус», получаемой методом ЛВМ с помощью компьютерного моделирования в САМ ЛП ЬУМРЬтс'.
LVMFlow - профессиональная САМ-система компьютерного 3Б моделирования литейных процессов, позволяющая автоматизировать рабочее место технолога-литейщика и снизить затраты времени и средств на подготовку новых изделий. Современный подход к разработке технологического процесса получения качественных отливок основан на интенсивном использовании компьютерной техники, необходимого программного обеспечения и технологическо-
го оборудования на всех циклах отработки. Рабочее место технолога-литейщика оснащается компьютерной техникой для работы с конструкторской программой твердотельного моделирования SolidWorks, которая позволяет на основе исходного чертежа детали быстро создавать трехмерную модель отливки с ЛПС, а также сопутствующую документацию.
В зависимости от сложности получаемой отливки поиск оптимальной конструкции ЛПС с помощью САМ ЛП LVMFlow занимает 1-3 дня. При этом участие технолога-литейщика сводится к минимуму: ему остается лишь задать параметры моделирования и, после того как программа самостоятельно проведет расчет и подготовит результаты для просмотра, выбрать оптимальный вариант.
При необходимости, трехмерная модель передается технологу-программисту, который подготавливает управляющую программу для изготовления модельной оснастки на станках с ЧПУ.
Таким образом, внедрение LVMFlow служит основой для создания на предприятии системы сквозного проектирования литейной технологии, которая позволит производить изделия с требуемым уровнем качества в кратчайшие сроки.
С целью сокращения сроков отработки технологического процесса получения качественных литых изделий от ОАО «КБХА» поступило задание на проведение компьютерного моделирования отливки «Корпус».
Изделие «Корпус» представляет собой конструкцию, состоящую из двух цилиндров, пересекающихся под прямым углом с массивными фланцами (рис. 1).
Учитывая особенности геометрии изделия и предъявляемые эксплуатационные требования, было определено расположение отливки в форме - горизонтальное -для обеспечения получения плотного металла.
