CC BY
82
УДК 669.14.018.258
Колокольцев В.М., Иванова И.В., Петроченко Е.В.
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ОБРАБОТКА РАСПЛАВА ЛИТЕЙНОЙ ШТАМПОВОЙ СТАЛИ 4Х5В2ФСЛ
Аннотация. Высокотемпературная обработка расплава литой штамповой стали - эффективный и недорогой способ, позволяющий получать высокий комплекс свойств литой отливки.
Экспериментальные работы заключались в определении «критической» точки и режимов проведения обработки расплава стали 4Х5В2ФСЛ. Для этого была получена зависимость кинематической вязкости от температуры нагрева расплава.
«Критическая» точка расплава стали 4Х5В2ФСЛ равна 1760°С. С целью получения благоприятной первичной литой структуры и высоких свойств отливок предложено выдерживать расплав стали при 1710°С не более 5 мин и заливать при температуре 1560°С. Структура литых образцов представлена М-А+специальные карбиды типа МС.
Ключевые слова: литейная штамповал сталь, высокотемпературная обработка, твердость, износостойкость, структура, критическая точка.
4
н
о
о
а
м
К
оа
Достаточно эффективным и при этом недорогим способом, позволяющим получать высокий комплекс механических и эксплуатационных свойств литой отливки из сложнолегированной стали, является высокотемпературная обработка ее расплава (ВТОР).
Суть процесса [1-5] заключается в нагреве металла до определенных критических температур, его выдержки в течение определенного времени, охлаждении до температур разливки и выдержки металла вблизи температуры разливки. Данный метод основан на изучении закономерностей изменения физических свойств жидких сплавов под действием теплового воздействия взаимосвязи структуро-образования и жидкого состояния расплава. Тепловое воздействие в течение определенного времени на расплав позволяет регулировать наследственность шихтовых материалов, нивелировать действие нежелательных примесей и получать сплавы с необходимой структурой, химическим составом и регламентированным содержанием газовых и неметаллических включений, получить отливки с меньшим размером зерна и с повышенной пластичностью и прочностью металла [1].
Экспериментальные работы, проводимые на кафедре ЛП и М ФГБОУ ВПО «МГТУ», были направлены на исследование влияния температурно-временных режимов выплавки стали и скорости охлаждения ее расплава в форме на механические свойства и структурные характеристики литой штамповой стали 4Х5В2ФСЛ.
Химический состав стали 4Х5В2ФСЛ, масс. %:
0,35-0,45 С; 0,8-1,2 81; 0,15-0,45 Мп; до 0,35 N1; до
0,03 8 и Р; 4,5-5,5 Сг; 0,6-0,9 Мо; 1,6-2,2 Ш; 0,6-0,9 V; до 0,3 Си. Данная сталь применяется для изготовления пресс-форм при литье под давлением цинковых, алюминиевых и магниевых сплавов, молотовых и прессовых вставок (сечением до 200-250 мм) при горячем деформировании конструкционных сталей, инструмента для высадки заготовок из легированных
конструкционных и жаропрочных материалов на горизонтально-ковочных машинах.
О температурно-временном режиме расплава можно судить по результатам измерения такого структурно-чувствительного свойства, как кинематическая вязкость [1-5].
Температурная зависимость кинематической вязкости у(1;) расплава стали 4Х5В2ФСЛ представлена на рис. 1.
- нагрев -охлаждение
Температура Т, °С
Рис. 1. Температурная зависимость кинематической вязкости v(t) расплава стали 4Х5В2ФСЛ
При изучении вязкости расплава стали 4Х5В2ФСЛ было обнаружено, что после расплавления образца и нагрева расплава до температуры 1800°С изменение его свойства имело ярко выраженный осциллирующий характер. Условием возникновения осцилляций является наличие в расплаве сравнительно устойчивых во времени двух или более атомных координаций. Наблюдаемое медленное затухание осцилляций свидетельствовало о том, что расплав способен был длительное время пребывать в состоянии частичного равновесия [6].
Обнаруживается гистерезис кривых вязкости. Он объясняется изменениями в структуре расплавов и свидетельствует об исчезновении неравновесных неоднородностей, унаследованных от шихтовых материалов, и о необратимости этих процессов. Перегрев
стали до температуры 1760°С исключает их последующее ветвление.
Были получены уравнения регрессии ВЯЗКОСТНОГО течения расплава стали 4Х5В2ФСЛ, которые позволили рассчитать энергии активации вязкого течения расплава в области жидкого состояния стали, Дж/моль: 2724,01 (при нагреве) и 2742,3 (при охлаждении). Разница в значениях энергий активации при охлаждении и при нагреве свидетельствует об образо-вании кластерных групп, отличающихся по типу и строению от групп до получения равновесного расплава.
Аномальный рост при температуре taH=1760°C свидетельствует об интенсивном разрушении микрогруппировок, соответствующих строению фаз и соединений твердого металла, при нагреве его до этой температуры. То есть расплав стали 4Х5В2ФСЛ можно перевести в равновесное состояние без дополнительной выдержки путем нагрева его до температуры 1760°С.
Были проведены исследования по влиянию температуры выдержки и времени релаксации расплава на структурообразование и свойства стали 4Х5В2ФСЛ при температурах, °С: 1670, 1690 и 1710 в течение 5, 10 и 15 мин при каждой температуре. Расплав стали заливали при температуре t3an=1560°C.
Экспериментальные сплавы получали в индукци-онной печи ИСТ-006 с основной футеровкой. Образцы заливали в литейные формы с различной теплоаккумулирующей способностью - в песчано-глинистую форму (сухую) и чугунный кокиль. Это обусловило различные условия охлаждения расплавов.
Количественный анализ проводили на анализато-ре изображений Thixomet Standard при увеличении от 100 до 1000 крат на шлифах до и после травления.
Испытания на износостойкость (Ки) исследуемых образцов проводили по методике, регламентированной ГОСТ 23.208-79 «Метод испытания материалов на износостойкость при трении о не жестко закрепленные абразивные частицы». Испытания проводились на образцах с размерами 35x35x10 мм. В качестве абразива использовался электрокорунд зернистостью №16П по ГОСТ 3647-80. Мерой износа служило отношение потери веса образца к потере веса эталона, в качестве которого использовали сталь 45.
Твердость образцов по Роквеллу (HRC) определяли на приборе Ernst AT 130D в соответствии с ГОСТ 9012-59.
Механические свойства литых образцов представлены в табл.1.
Анализ полученных экспериментальных данных показал, что твердость изменяется в пределах 40,856,1 ед.; износостойкость - 1,2-1,79; прочность -1040-1280 МПа.
При увеличении температуры выдержки расплава происходит незначительное снижение всех свойств. При этом полученные свойства и структура опытных образцов, залитых в песчано-глинистые формы и кокиль, различны. Литые образцы, охлаждаемые с меньшей скоростью охлаждения в песчано-глинистых фор-
мах, имеют наименьшие показатели свойств, нежели образцы, заливаемые в металлические формы [7].
Таблица 1
Свойства стали 4Х5В2ФСЛ после проведения высокотемпературной обработки ее расплава
Температура выдержки, °С Время выдержки, мин Свойства
HRC, ед. Ки, ед. Ств, МПа
Тип литейной формы ПГФ сухая/кокиль
167G б бб,3/б6,1 1,36/1,79 127G/128G
1G б2,3/б4,1 1,42/1,44 121G/124G
15 б1,7/б3,3 1,49/1,б2 121G/123G
169G б 45,G/46,8 1,38/1,46 1G9G/113G
1G 4G,8/41,6 1,6G/1,74 1G4G/1G5G
1б 47,7/49,9 1,бб/1,66 114G/81G
171G б 47,G/48,1 1,38/1,бб 119G/114G
1G 44,3/4б,2 1,2б/1,44 1G9G/11GG
1б 4б,2/4б,7 1,2G/1,42 1G9G/112G
Структура стали 4Х5В2ФСЛ, расплав которой выдерживался при температуре 1670°С, состоит из двойного эвтектоида (Ф+УС) феррита и карбидов УС в виде тонких длинных пластин или мелких глобулей и мартенситно-аустенитных областей (рис. 2).
б
Рис. 2. Микроструктура литых образцов стали 4Х5В2ФСЛ, расплав которой выдерживался в ковше при температуре 1670°С в течение 5 мин и охлаждался в песчано-глинистой (а) и металлической (б) формах
При дальнейшем увеличении температур выдерж-ки расплава структура литых образцов состоит из мартенситно-аустенитных областей и избыточных
специальных карбидов типа МС, ферритная состав -ляющая отсутствует (рис. 3).
Микроструктуру литых образцов стали 4Х5В2ФСЛ оценивали по ГОСТу 8233-56 при увеличении 1000 крат (табл. 2).
а б
в г
Рис. 3. Микроструктура литых образцов стали 4Х5В2ФСЛ, залитых в песчано-глинистую форму после выдержки их расплава при температуре 1690°С в течение 15 мин (а); в кокиль - при 1690°С в течение 15 мин (б); в песчано-глинистую форму - при 1710°С в течение 5 мин (в) и в кокиль - при 1710°С в течение 5 мин (г)
Повышение температуры выдержки приводит, прежде всего, к измельчению кластерной структуры сплава, отчего доля карбидоподобных микрогруппировок уменьшается. Нагрев до 1710°С способствует обратимому интенсивному распаду этих группировок с разрушением в первую очередь самых слабых связей Бе-С. Это, в свою очередь, увеличивает диффузионную подвижность атомов хрома, который теперь входит в комплексы меньшего размера. Следствием такого превращения является повышенная концентрация углерода в металлической матрице расплава, а затем и в первичных дендритах твердой стали. Этим и обусловлено значительное снижение объемной доли карбидов (Сг, Бе)7С3 и их измельчение.
Выводы
1. На основе выявленной зависимости кинематической вязкости от температуры нагрева определена критическая точка расплава стали 4Х5В2ФСЛ 1;ан=1760°С, при достижении которой возможен перевод расплава в равновесное состояние без дополнительной выдержки.
2. Получены значения энергий активации вязкого течения расплава в области жидкого состояния стали 4Х5В2ФСЛ при нагреве 2724,01 Дж/моль и охлаждении 2742,3 Дж/моль. Это позволило установить, что
кластерные группы до и после равновесного состояния отличаются по типу и строению.
3. Исследования предложенных режимов ВТОР стали показали, что выдержка при температурах вблизи критической температуры приводит к изменению типа, формы и однородности распределения, что, в свою очередь, приводит к изменению свойств.
4. Повышение температуры выдержки расплава до температур 1690-1710°С приводит к формированию более однородной структуры мартенситно-аустенитной с избыточными карбидами типа МС без ферритной составляющей.
Таблица 2
Микроструктура экспериментальных сталей
Температура выдержки 1, °С Время выдержки, мин Тип литейной формы
сухая ПГФ кокиль
Характеристика структуры, балл, средний диаметр зерен цементита
1670 5 Крупноигольчатый мартенсит/ 7 балл Крупноигольчатый мартенсит/ 7 балл
10 Средне- и крупноигольчатый мартенсит/ 6-8 балл Средне- и крупноигольчатый мартенсит/ 6-8 балл
15 Средне- и крупноигольчатый мартенсит/ 6-8 балл Среднеигольчатый мартенсит/ 6 балл
1690 5 Мартенсит крупноигольчатый/ 8-9 балл Средне- и крупноигольчатый мар-тесит/ 6-8 балл
10 Крупноигольчатый мартенсит/ 8 балл Крупноигольчатый мартенсит/ 7 балл
15 Крупноигольчатый Мартенсит/ 7 балл Средне- и крупноигольчатый мартенсит/ 6-7 балл
1710 5 Средне- и крупно игольчатый мартенсит/ 6-7 балл Среднеигольчатый мартенсит/ 6 балл
10 Средне- и крупно игольчатый мартенсит/ 6-7 балл Среднеигольчатый мартенсит/ 6 балл
15 Крупноигольчатый мартенсит/ 7 балл Среднеигольчатый мартенсит/ 6 балл
Список литературы
1. Коваленко Л.В., Панов А.Г. Применение внешних воздействий при затвердевании слитков. М.: Металлургия, 2003. 153 с.
2. Панов А.Г. Роль и место модифицирования расплавов чугунов с точки зрения наследственности сплавов // Металлургия машиностроения, 2006. №5. С. 22-27.
3. Савина Л.Г. Влияние высокотемпературной обработки расплава на структуру и свойства высокоуглеродистых сплавов железа: дис. ... канд. техн. наук. Екатеринбург, 2003. 129 с.
4. Жидкая сталь / Баум Б.А., Хасин Г.А., Тягунов Г.В., Клименков К.А. М.: Металлургия, 1984. 208 с.
5. Стальной слиток: в 3 т. Т.1. Управление кристаллической структурой / Ю.А. Самойлович, В.И. Тимошпольский, И.АТрусова, А.П. Несенчук, А.П. Фоменко; под общ. ред. В.И. Тимошпольского, Ю.А. Самойловича. Мн.: Беларусская Навука, 2000. 583 с.
6. Баум Б.А., Шульгин Д.Б., Булер Т.П.. Осциллирующий характер процесса релаксации металлической жидкости // Свойства металлических расплавов. Екатеринбург, 2008. 357 с.
7. Колокольцев В.М., Иванова И.В. Литейная сталь для штампов горячего деформирования // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2009. №4 (28). С. 15-17.
Сведения об авторах
Колокольцев Валерий Михайлович - д-р техн. наук, проф., ректор ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Россия. Тел.: 8(3519)29-84-02. E-mail: kwm@magtu.ru.
Иванова Ирина Владимировна - аспирант кафедры литейного производства и материаловедения ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Россия. E-mail: ivanova.mgtu@mail.ru
Петроченко Елена Васильевна - д-р техн. наук, доц. кафедры литейного производства и материаловедения ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Россия. E-mail: evp3738@mail.ru.
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
HIGH-TEMPERATURE PROCESSING OF MELT OF CASTING DIE STEEL 4X5B20C
Kolokoltsev Valeriy Mikhailovich - D.Sc. (Eng.), Professor, Rector of Nosov Magnitogorsk State Technical University, Russia. Phone: 8(3519)29-84-02. E-mail: kwm@magtu.ru.
Ivanova Irina Vladimirovna - Postgraduate Student, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Russia. E-mail: ivanova.mgtu@mail.ru
Petrochenko Elena Vasilyevna - D.Sc. (Eng.), Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Russia. E-mail: evp3738@mail.ru.
Abstract. High-temperature processing of melt of casting die steel is an effective and inexpensive method of obtaining a high complex of properties of castings.
The experimental work was to study the search for a «critical» point and high-temperature processing of melt of casting die steel 4X5B2®C.n modes. For this purpose was obtained dependence of kinematic viscosity / heating temperature of the melt.
The «critical» point of melt of casting steel 4X5B20C is 1760°C.
The melt of steel kept at a temperature of 1710°C not more than
5 minutes and filled at a temperature 1560°C for the purpose of obtaining favorable primary cast structure and high properties of castings. The cast samples is M-A+ special carbide type MC.
Keywords: casting die steel, high-temperature processing, hardness, wear resistance, structure, allowing, critical point.
References
1. Kovalenko L.V., Panov A.G. The use of external influences on solidifica-
tion of ingots. Moscow: Metallurgy, 2003. 153 p. t-----------------------------------------------------------------------
2. Panov A.G. The role and place of the modification of molten iron from the point of view of heredity alloys. Metallurgy mechanic engineering. 2006, no. 5, pp. 22-27.
3. Savina L.G. The influence of high-temperature processing of melt structure and properties of high-carbon alloys of iron. PhD dis. Ekaterinburg, 2003, 129 p.
4. Baum B.A., Hasin G.A., Tiagunov G.V., Klimenkov K.A. Molten steel. Moscow: Metallurgy, 1984. 208 p.
5. Samoilovich U.A., Timoshpolsky V.I., Trusova I.A., Nesenchuk A.P., Fomenko A.P. Steel ingot. Ed. V.I. Timoshpolsky, U.A. Samoilovich. Minsk: Belarusian science, 2000. 583 p.
6. Baum B.A., Shulgin D.B., Buler T.P. The oscillating character of the process of the relaxation of the liquid metal. The work of the Institute of metal physics of liquids UGTU-UPI: p. 1. Properties of metallic melts. Ekaterinburg, 2008, 357 p.
7. Kolokoltsev V.M., Ivanova I.V. The foundry steel for stamps of hot deformation. Vestnik Magnitogorskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo uni-versiteta im. G.l. Nosova [Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University]. 2009, no. 4 (28), pp. 15-17.
