Спосіб отримання структурно-однорідних дрібнозернистих сталевих виливків

1 Спосіб отримання структурно-однорідних дрібнозернистих сталевих виливків, що включає розплавлення, заливку та кристалізацію сталевих розплавів, який відрізняється тим, що розплав охолоджують до температури, яка дорівноє 0,5 (Тл + То), де Тл - температура ліквідусу, а То температура в інтервалі тверднення, при якій забезпечується рівність термодинамічних потенціалів рідкої та твердої фаз, і витримують його при цій температурі протягом часу, що дорівнює (4,0 6,0) х ЮС(хв), де С - вміст вуглецю в розплаві в %, після чого розплав кристалізують зі 3 швидкістю тепловідводу (0,3 -1,0) х 10 °С/хв 2 Спосіб по п 1, який відрізняється тим, що рідкий розплав, починаючи від температури ліквідусу і до температури витримування, охолоджують за ступінчастим режимом з температурним (°С) та часовим (хв) кроком, що дорівнює ВІДПОВІДНО (0,2 0,3)(Тл - То) та (1,0 1,5) х ЮС 3 Спосіб по п 2, який відрізняється тим, що рідкий розплав після ступінчастого охолодження до температури 0,5 (Тл + То) кристалізують в подальшому без ізотермічної витримки 4 Спосіб по пп 1, 2, 3, який відрізняється тим, що розплав попередньо перегрівають на величину (0,10 0,14) Тл, °С вище за температуру ліквідусу сталі Винахід відноситься до ливарного та металургійного виробництва , переважно до обробки рідких сталевих розплавів при їх кристалізації ВІДОМІ способи отримання дрібнозернистої глобулітної однорідної структури виливків (патент США, №3669180, кл 164/122, 1972) шляхом повільного охолодження розплаву у спеціальному міксері з одночасним перемішуванням двохфазної рідини Недоліком такого способу с тривала і складна обробка розплаву у процесі кристалізації з обов'язковим використанням перемішуючих пристроїв, можливість отримання лише незначних за масою зразків або виробів, труднощі щодо механічні властивості виробів Недоліком і принциповою ВІДМІНОЮ від запропонованого способу вказаного винаходу є те, що витримування розплаву проводять при надліквідусній температурі, тобто при відсутності переохолодження розплаву і практично малій ймовірності утворення значної КІЛЬКОСТІ центрів кристалізації і, таким чином, подрібнення структури металу Метою даного винаходу є отримання дрібнокристалічної однорідної структури виливків вуглецевої та легованої сталей і підвищення фізико-механічних властивостей та службових характеристик сталевих виробів Поставлена мета досягається тим, що в способі отримання структурнооднорідних дрібнозернистих сталевих виливків, який включає розплавлення, заливку та кристалізацію сталевих розплавів, згідно винаходу, розплав охолоджують до температури, що дорівнює 0,5(Тл+То), де Тл температура ліквідує, а То - температура в інтервалі тверднення, при якій забезпечується рівність термодинамічних потенціалів рідкої та твердої фаз, і витримують розплав при цій забезпечення достатньої ЩІЛЬНОСТІ ПО ВИСОТІ ВИЛИВКІВ та ш Тому даний спосіб має обмежене застосування лише при виробництві виробів з алюмінієвих сплавів Найближчим за сутністю до пропонованого винаходу є патент США №4964453 МПК В 22 D 27/04, 1990, що стосується регульованої кристалізації сталі та дозволяє за рахунок перед кристалізаційного витримування розплаву знижувати макросегрегацію та покращувати 1 ю о ю ю 55057 температурі протягом часу, що дорівнює (4,0 6,0)х10С (хв), де С - вміст вуглецю в розплаві, %, після чого розплав кристалізують зі швидкістю тепловідводу (0,3 1,0)х103 °С/хв Крім того, рідкий розплав, починаючи від температури ліквідує і до температури ізотермічного витримування, охолоджують за ступінчастим режимом з температурним (°С) та часовим (хв) кроком, що дорівнює ВІДПОВІДНО (0,2 0,3)(Тл-То)та (1,0 1,5)хЮС Також рідкий розплав після ступінчастого охолодження до температури 0,5(Тл+То) кристалізують у подальшому без ізотермічної витримки Крім того, розплав попередньо перегрівають на величину (0,10-0,15)Тл, °С вище температури ліквідуса сталі Складність створення глибоких переохолоджень у реальних металевих розплавах робить проблематичним отримання дрібнозернистої структури, тому що вже невеликі переохолодження ІНІЦІЮЮТЬ утворення на підкладках та ріст окремих зародків, що знаходяться у більш вигідних енергетичних станах, які сприяють утворенню крупнозернистої' структури у виливках Ріст кристалів при затвердінні розплавів відбувається досить швидко і лімітується головним чином співвідношенням між відводом тепла від розплаву та виділенням теплоти кристалізації, а зародження кристалів відбувається більш повільно Для отримання дрібнозернистої литої структури необхідно забезпечити виникнення у розплаві максимальної КІЛЬКОСТІ центрів кристалізації при обмеженому їх рості на початковому етапі Кристалізація сплавів на відміну від чистих металів характеризується тим, що при звичайних переохолодженнях зародкові центри, що виникають, відрізняються за ХІМІЧНИМ складом від складу вихідної рідкої фази у ВІДПОВІДНОСТІ З рівнем їх термодинамічних потенціалів У цьому випадку для утворення стійкого зародка твердої фази необхідно проходження у рідкій фазі процесів флуктуації як за густиною утворених асоціативів, так і їх концентраційним складом, в результаті чого ХІМІЧНИЙ склад мікрооб'ємів рідкої фази буде наближуватися до рівноважного з ним складу твердого розчину При цьому, чим ширший інтервал кристалізації розплаву, тим важче, повільніше і при більш глибоких переохолодженнях формуються дозародкові та зародкові центри кристалізації Дослідженнями в'язкості залізовуглецевих розплавів у інтервалі температур кристалізації встановлено, що нижче лінії ліквідує (на 10-20°С) в'язкість ПОБІЛьноохолоджуванИХ розчинів різко зростає, потім, по мірі подальшого зниження температури, незначний плавний ріст в'язкості змінюється другим різким стрибком при температурах, близьких до середини температурного інтервалу між ліквідусом та солідусом Подібна аномальна поведінка в'язкості може бути пов'язана з початком інтенсивного утворення зародків твердої фази у верхній частині інтервалу кристалізації (перший стрибок в'язкості) та переважаючим ростом твердої фази у середній області інтервалу кристалізації (другий стрибок в'язкості) Таким чином, нижче температури ліквідує сталевих сплавів відбувається структурна перебудова розплавів, що затверд і вають, у енергетичне більш вигідну структуру, яка наближається до структури твердих розчинів Щоб подібна перебудова відбулася достатньо повно і це привело б до появи у розплаві великої КІЛЬКОСТІ зародків, які б у подальшому сформували дрібнозернисту глобул ітну структуру виливка, необхідні певні термочасові умови Виходячи з цього пропонується варіант отримання дрібнозернистої структури за рахунок ізотермічної витримки сталевого розплаву, що затвердіває, в інтервалі між температурою ліквідує та температурою То, при якій термодинамічні потенціали рідкої та твердої фаз рівні, і яка проходить приблизно посередині між ліквідусом та солідусом Час проходження структурної перебудови розплаву з подальшим виникненням значної КІЛЬКОСТІ зародків твердої фази при певному переохолодженні, є функцією складу сталевого розплаву, яке в залежності від вмісту домішок (переважно вуглецю) в сталі та у ВІДПОВІДНОСТІ З теоретичними розрахунками акад АН Колмогорова, можна оцінити як [(4,0 6,0) х 10CJ, хв, де С - масова доля вуглецю в сталі, % Зменшення або збільшення часу ізотермічного витримування розплаву недоцільне через зниження ефекту впливу на процес виникнення зародків твердої фази, а також з технологічних міркувань Швидкість охолодження після ізотермічного витримування розплаву має суттєве значення, тому що при значних переохолодженнях (швидкість тепловідводу не менше 5°С/с) відбувається масовий одночасний ріст зародків, за рахунок чого і формується дрібнозерниста глобулітна структура У протилежному випадку більша частина зародків буде захоплена та поглинута сусідніми кристалами, що ростуть, з утворенням крупнозернистої' структури У разі ступінчастого охолодження , завдяки поступовому зростанню ступеню переохолодження розплаву, що грає роль підготовчого періоду, найбільш повно реалізуються процеси енергетичної та концентраційної перебудови розплаву з утворенням теоретично можливої КІЛЬКОСТІ центрів кристалізації При цьому тривалість ізотермічного витримування кожного циклу також функціонально пов'язана з вмістом вуглецю в сталі, зважаючи на можливу швидкість проходження процесу структурної перебудови розплаву Для низьковуглецевих сталей при певних вимогах до структури виливок можливе використання лише ступінчастого режиму обробки без проведення ізотермічної витримки при температурі 0,5(Тл+То) Аналіз відомих тамманівських кривих залежності КІЛЬКОСТІ зародків, що виникають та швидкості їх росту від величини переохолодження розплаву, показує, що одною з важливих умов одночасного виникнення великої КІЛЬКОСТІ зародків твердої фази ще до початку інтенсивного росту окремих кристалів, є часткова дезактивація або часткове видалення нерозчинних домішок за 55057 рахунок перегріву розплаву перед ізотермічною обробкою на величину (0,1 0,14)Т вище за температуру ліквідуса сталі Дослідженнями встановлено, що при перегрівах сталевих розплавів (в залежності від вмісту вуглецю) розплав може знаходитися в області, що відповідає найменшій ЩІЛЬНОСТІ З МОЖЛИВИХ структур залізовуглецевих розплавів - "5-ж" подібної структури ближнього порядку , для якої характерні низькі значення в'язкості та сприятливі умови для розкладення та випливання нерозчинних домішок В умовах ФТІМС НАНУ був досліджений вплив ізотермічної витримки розплавів сталі 40Л в інтервалі кристалізації (Тл=1495°С, Тс=1415°С) та інтенсивності тепловідводу на первинну структуру виливків Розплав в індукційній печі охолоджували від температури розливки до температури 1475°С, витримували протягом 10-30 хвилин і кристалізували в формах з різною інтенсивністю тепловідводу (піщана форма, чавунний кокіль, мідний водоохолоджуваний кокіль або водяне охолодження в кварцевих трубках) Подібний експеримент був проведений в аналогічних умовах плавки, заливки та кристалізації, але без ізотермічного витримування розплаву перед заливкою в форми Металографічними дослідженнями виливків шляхом травлення на мікроструктуру встановлено, що при повільному охолодженні (піщана форма) структури металу з ізотермічною витримкою та без витримки відрізнялися незначно Зі збільшенням інтенсивності тепловідводу відбувається подрібнення первинного зерна більш інтенсивно у зразках, що пройшли ізотермічну витримку, при тому, що зі збільшенням часу витримки розплаву ефект подрібнення зростає Додаткові експерименти показали, що при зменшенні вмісту вуглецю в сталі інтервал часу витримки для одержання ефекту подрібнення також зменшується, а обробка експериментальних даних дозволила встановити зв'язок часового інтервалу витримки з вмістом вуглецю в сталі, як (4 06,0)х10С (хв), де С - вміст вуглецю в сталі в % Значні ВІДМІННОСТІ в структурі зразків отримані при більш високих швидкостях охолодження розплаву при кристалізації (>10°С/с) При цьому зразки з ізотермічною витримкою мали дрібнозернисту глобул ітну структуру, тоді як зразки без ізотермічної обробки були також дрібнозернистими, але мали спрямовану стовпчасту структуру, що пов'язано з послідовним, а не об'ємним, як у випадку ізотермічної витримки, характером затвердіння розплаву Також було встановлено, що перегрів розплаву сталі 40Л у печі на 170°С вищий за температуру ліквідує (Тл=1495°С), з наступною ізотермічною витримкою при температурі 1475°С забезпечував утворення глобул ітної дрібнозернистої структури (номер зерна 6-7) і при менших швидкостях охолодження Підписано до друку 03 04 2003 р Тираж 39 прим ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)236-47-24