Спосіб отримання заготовок сталей і сплавів методом струменевого формування

Способ получения заготовок сталей и сплавов методом струйного формования, включающий расплавление металла и его распыление инерт 28547 350-400°С выше Тл (ликвидуса), что способствует гомогенизации жидкого металла, увеличению степени переохлаждения распыляемых частиц и подавлению дендритного структурообразования. Струйное формование производится на кристаллизатор, предварительно подогретый до (0,50,6)Тл для повышения плотности нижнего слоя заготовки. Регулировка заданного расстояния между форсункой и поверхностью заготовки обеспечивает сохранение постоянного температурного режима в ней. Температурный интервал формообразования выбирается в межкритической области температур Тл – Тс, между границами выливаемости и питания (при затвердевании), в зависимости от диаграммы состояния напыляемой стали или сплава. Это позволяет контролировать содержание жидкой фазы в пределах 8-20%. Ниже этой границы в заготовке образуется открытая пористость (более 10%), что затрудняет последующую горячую механическую обработку и вызывает повышенную окисляемость металла при нагреве. Увеличение температуры в формируемом слое заготовки (в интервале Тл - Т выливаемости) вызывает повышение содержания жидкой фазы до 20-30 %. При этом механические свойства металла снижаются до уровня материалов, получаемых методом жидкофазного спекания порошков. Разработанная технология обеспечивает получение заготовок с плотностью 92-97%, с однородной, бездендритной, дисперсной микроструктурой и более высокими физико-механическими характеристиками сплавов. Новый способ струйного формования предлагается использовать для получения биметаллических и сложнолегированных сплавов, которые невозможно изготовить с помощью известных технологий. Реализация способа осуществляется следующим образом. Подготовленная в соответствии с выплавляемой маркой сплава шихта укладывается в тигель индукционной печи. После расплавления поверхность жидкого металла засыпается шлаком. При достижении температуры Тл + (200¸250)°С, вводится лигатура, после чего расплав подвергается перегреву на 350-400°С выше температуры ликвидуса. Перед распылением температура снижается до Тл + (150¸200)°С и шлак удаляется. После этого расплав сливается в подогретый до (0,4¸0,5)Тл металлоприемник. Через кварцевую вставку струя Æ 6-8 мм поступает в зону диспергирования форсунки, где происходит распыление расплава азотом. Кристаллизатор предварительно нагревается до температуры (0,5-0,5)Тл. Одновременно с началом слива металла он подается в зону распыления. Заданная скорость механизма привода кристаллизатора в горизонтальной плоскости обеспечивает необходимую и равномерную высоту напыляемого слоя. Перемещение поддона кристаллизатора по направлению вертикальной оси дает возможность сохранять заданный температурный интервал в заготовке, что обуславливает процесс кратковременного спекания и получение материала с плотностью 92-97%. Порошок, не попавший на кристаллизатор, скапливается в порошкосборнике, остывает в течение часа до температуры 30-40°С, после чего выгружается и используется по назначению как отдельный продукт. Различные технологические режимы получения заготовок методом струйного формования представлены в таблице на примере инструментальных сталей (типа Р6М5Ф3, Х12М), имеющих Тл=1380°С и Тс=1230°С по равновесной диаграмме состояния. Пример 1. Технология получения заготовок в соответствии с формулой изобретения. Расплав нагревается до 1750°С (на 370°С выше Тл), что способствует гомогенизации жидкого металла, увеличению степени переохлаждения распыляемых частиц и формированию однородной ячеистой структуры. Струйное формование производится на предварительно подогретый до 780°С (0,56Тл) кристаллизатор, для повышения плотности нижнего слоя заготовки. С началом распыления его нагрев отключается. Температурный интервал между границами питания и выливаемости для указанных сплавов составляет 50°С (12701320°С). Для поддерживания постоянной температуры формообразования tф=1290°С, между форсункой и поверхностью заготовки задается расстояние 815 мм с последующим его увеличением при скорости перемещения кристаллизатора в вертикальном направлении - 4 мм/с. Это позволяет контролировать содержание жидкой фазы в пределах 8-20%. Ниже этой границы в заготовке образуется открытая пористость (более 10%), выше - в стр уктуре кристаллизующи хся сплавов образуются участки грубых эвтектических включений, резко снижающих механические свойства. Пример 2. Расплав нагревался до критической температуры tp=1730°C, ниже которой не происходит структурных изменений в жидких сталях и теряется эффект перегрева для кристаллизующегося металла. Распыление производилось на кристаллизатор, нагретый до минимально необходимой температуры tк=700°C, при которой температура формообразования заготовки tф=1270°С соответствует границе питания. Ниже этого предела не происходит смачивания между распыленными порошинками и увеличивается пористость. Пример 3. В данном случае жидкий металл нагревался до температуры, соответствующей верхней границе оптимального интервала перегрева. Это обеспечивает высокую степень гомогенизации и переохлаждения расплава, способствует формированию однородной (бездендритной), дисперсной микроструктуры распыляемых частиц. Необходимо учитывать, что высокий нагрев жидкого металла увеличивает его степень переохлаждения, особенно при высоких скоростях кристаллизации. В связи с этим ограничен подогрев кристаллизатора до 830°С, который может повысить tф до границы выливаемости и выше, что обуславливает избыточное содержание жидкой фазы и, соответственно, ухудшение свойств сплавов. Пример 4. Расплав нагревался до более высокой температуры (tp=1800°C), чем в примерах 1 и 3. Преимуществ в микроструктуре и свойствах металла это не дает, но увеличивает энергозатраты при выплавке и угар легирующи х элементов. После перегрева температура расплава снижается до 1580-1550°С. Распыление производится на кристаллизатор, подогретый до температуры вы 2 28547 ше технологической (tк=900°C). Это приводит к увеличению температуры в формируемом слое заготовки (tф=1350°С) выше границы выливаемости и вызывает повышение содержания жидкой фазы более 30%. При этом механические свойства металла снижаются до уровня материалов, получаемых методом жидкофазного спекания порошков. Пример 5. В отличие от примера 1 расплав готовился к распылению по обычной технологии, без перегрева. В результате гомогенизация жидкого металла неудовлетворительная, а степень переохлаждения при кристаллизации не более 2030°С. Микроструктура заготовок имеет дендритную морфологию, обуславливающую ликвацию легирующи х элементов. Распыление на слабо подогретый кристаллизатор (tк=650°C) обуславливает недостаточную температуру формообразования (tф=1250°С и ниже) для качественного спекания частиц и приводит к повышению пористости нижнего слоя, а также увеличению его толщины. Повышается неравномерность распределения пористости по высоте заготовки. Пример 6. Расплав подвергался перегреву, как описано в примере 1, а распыление жидкого металла велось на неподвижный в направлении вертикальной оси кристаллизатор (предварительно подогретый до 800°С). При этом в верхнем слое увеличивается содержание жидкой фазы до 25% и более. Распределение пористости неоднородное: в нижнем слое заготовки - до 20%, в верхнем - около 2%. Чтобы такая заготовка соответствовала предъявляемым требованиям, необходимо механически удалять (фрезерованием) около 20% объма металла. Пример 7. Данный пример соответствуе т параметрам прототипа. Он заключается в расплавлении металла, нагреве до 1630°С (на 250° выше температуры ликвидуса), выдержке 15-20 мин., охлаждении до температуры слива и распылении инертным газом на фиксированный в вертикальном направлении кристаллизатор. Получаемые заготовки характеризуются неравномерной пористостью по сечению (4-30%), дендритной микроструктурой материала, с высоким содержанием эвтектической составляющей. Указанные недостатки связаны с тем, что не учитывается состояние расплава при распылении, а постоянное расстояние между форсункой и кристаллизатором не позволяет регулировать температурный режим формируемой заготовки. Распыление на холодный кристаллизатор обуславливает высокую пористость (до 30%) нижнего слоя металла. Сравнение структуры и свойств заготовок, полученных по различным температурным режимам, в том числе с воспроизведением параметров прототипа, показало преимущество нового способа струйного формования. Разработанная технология позволяет исключить трудоемкие процессы компактирования порошков (прессование, вакуумное спекание) и обеспечивает получение высокоплотных (92-97%) заготовок необходимой формы и размеров с микроструктурой, близкой к порошковый материалам, не содержащей грубых включений эвтектики. Предложенный способ предлагается использовать для получения биметаллических и сложнолегированных сплавов, которые невозможно изготовить с помощью известных технологий. Таблица Способ tp, °C расплава tф, °С формообразования tк, °С кристаллизатора Средняя пористость, % Средний % жидкой фазы Тип микроструктуры пример 1 (изоретение) 1750 1290 780 6 14 однородная ячеистая пример 2 1730 1270 700 8 10 однородная пример 3 1780 1320 830 5 18 однородная пример 4 1800 1350 900 4 30 участки эвтектики пример 5 1680 1250 650 10 8 пример 6 1750 1340 780 12 24 участки эвтектики 1630 1330 20 14 22 дендритная с эвтектик пример 7 прототип неоднород. Прочность на изгиб, МП А* 2300 2000 2100 1800 2200 1900 1700 1400 1900 1600 2000 1700 1800 1550 * Прочность на изгиб - для непрокатанных образцов, термообработанных по стандартным режимам: числитель - сталь Р6М5ФЗ, знаменатель – X12М. 3 28547 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2002 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 35 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 4