THE DEVELOPMENT OF THE TECHNOLOGY OF THE HEAT TREATMENT OF THE PRESSING EQUIPMENT

Abstract

It is given the results of analysis of the complex research works at the problem of warning of the pressing equipment premature going out of action. The analysis was made by specialists of the Krasnoyarsk metallurgical plant.

Full Text

Повышение стойкости прессового инструмента при экструзии профилей из алюминиевых сплавов в условиях КраМЗа является одной из основных задач предприятия. На основании исследований причин преждевременного выхода инструмента из строя было установлено, что его стойкость определяется стабиль- ностью структуры и свойств материала при циклич- ных нагрузках и высокой температуре матриц в про- цессе прессования. Наиболее значимым дефектом структуры, наличие которого способствует образова- нию больших внутренних напряжений, является лик- вационная полосчатость, связанная с неоднородным распределением карбидообразующих элементов. К понижению стойкости инструмента также приводит наличие в структуре крупного и неоднородного зерна аустенита и грубых неметаллических включений. Для повышения надежности работы прессовых матриц решены следующие задачи: выбор и обоснование технологических операций и их параметров, позволяющих получить требуемое качество исходных заготовок инструментальных сталей; выполнение исследований на заготовках инстру- ментальных сталей, обработанных по предложенным технологическим схемам. В различных источниках [1-4] рекомендуется для изготовления поковок с однородной структурой ста- лей 3Х3М3Ф и 4Х5МФ1С проводить гомогенизаци- онный отжиг при температуре на 20-60 °С выше АС3 с выдержкой 5-8 ч. Авторы работы [2] предлагают вы- сокотемпературный нагрев заготовок совмещать с нагревом под ковку. В работах [1; 3] показано поло- жительное влияние отжига - гомогенизации, который проводился при Т = 1 180-1 200 оС с выдержками 25-35 ч. Однако при таком нагреве происходят значи- тельный рост зерна аустенита и высокие потери мате- риала за счет окалинообразования [4]. В работе исследовали слитки, выплавленные в ду- говой сталеплавильной печи (ДСП) и после электро- шлакового переплава (ЭШП), а также поковки, изго- товленные из них. На слитках и поковках были иссле- дованы химический состав стали, структура и механи- ческие свойства. При проведении данной работы в процессе выплавки осуществляли анализ химическо- го состава стали 3Х3М3Ф с целью определения наи- более оптимального содержания основных легирую- щих элементов в пределах требований ГОСТ 5950 и получения стабильного качества стальных заготовок. В исследованиях были опробованы разные схемы ков- ки и последующей предварительной термической об- работки поковок. Полученные результаты позволили определить режимы, при которых в поковках гаранти- руются необходимый уровень механических свойств и структура, обеспечивающая эти свойства. Известно, что оптимальной исходной структурой поковок, под- вергающихся дальнейшей механической и оконча- тельной термической обработке, является структура зернистого перлита [5]. На основании выполненных исследований были разработаны и введены требова- ния к качеству структуры сталей в соответствии со шкалами следующих стандартов: ГОСТ 5950, ГОСТ 5939, ГОСТ 801. Методика проведения исследований. Химиче- ский состав инструментальных сталей определяли на пробах, отобранных из ковша при литье слитков из ДСП, а также от слитков после ЭШП в донной и лит- никовой частях. Слитки проходили горячую ковку по двум схемам: первая схема включала осадку мерных заготовок; вторая - осадку, перебивку на квадрат, его обкатку, повторную осадку (степень деформации меньше 10 % за проход и меньше 50 % - за операцию), обкатку в размер - биллетировка (степень деформации меньше 5-6 % за проход, 25-30 % - за операцию), с сохранением оси исходной заготовки (рис. 1). Слитки под ковку нагревались по двум режимам: Т = 1 100-1 150 °С (производственная техно- логия). Т = 1 180-1 200 °С (экспериментальная техно- логия). Поковки, полученные по двум схемам ковки с раз- ными параметрами нагрева, подвергли отжигу по ре- жимам, приведённым в табл. 1. Порядок проведения операций отжига следующий: режим 1 - отжиг Þ изотермическая выдержка; режим 2 - отжиг Þ изотермическая выдержка Þвысокотемпературный нагрев Þ изотермическая выдержка; режим 3 - отжиг Þ изотермическая выдержка Þвысокотемпературный нагрев Þ изотермическая выдержка Þ отжиг Þ изотермическая выдержка; режим 4 - высокотемпературный нагрев Þ изо- термическая выдержка. image Рис. 1. Схема ковки поковок Определение массовой доли химических элемен- тов осуществляли спектральным методом на рентге- нофлюоресцентном спектрометре Спектроскан. Содержание углерода оценивали на экспресс анализа- торе АН7529. Термическую обработку образцов про- водили в лабораторных муфельных и типа СНО5.55/01 печах. Механические свойства сталей определяли на разрывной машине ЦД10 согласно ГОСТ 1497 в литом состоянии, после ковки и терми- ческой обработки. Микроструктуру исследовали на металлографическом микроскопе NEOPHOT - 21 при увеличениях 100-500 крат. Структуру анализировали по ГОСТ 5950, ГОСТ 5939, ГОСТ 801. Параметры термической обработки поковок Наименование операции термообработки Температу- ра, °С Время вы- держки, ч Отжиг 860-880 2 Изотермическая выдержка 680-700 4-6 Высокотемпературный на- грев 900-920 4-5 Примечание. Нагрев до заданных температур осуществ- лялся со скоростью не выше ~ 70 °С/ч; при переходе от од- ного температурного режима к другому регламентированное охлаждение выполнялось со скоростью 30-40 °С/ч. Результаты исследований и их обсуждение. На начальном этапе исследований проводили оценку влияния способа получения литых заготовок из стали марки 3Х3М3Ф для изготовления прессовых матриц. Изучали слитки, полученные с ДСП и последующего электрошлакового переплава. Анализ химического состава показал, что содержание легирующих эле- ментов (молибдена, ванадия и никеля) в различных пробах, отобранных при выплавке слитков ДСП, су- щественно различается (табл. 2). Установлено, что после ЭШП наблюдается меньший разброс концен- траций хрома, ванадия, молибдена и марганца: так, диапазон разброса по хрому уменьшается примерно в 3,5 раза. Определено, что содержание этих элементов в слитках ЭШП сопоставимо в разных плавках и по длине. Отмечено, что в слитках ЭШП наблюдается тен- денция к некоторому повышению концентрации ос- новных легирующих элементов. Относительное изме- нение содержания элементов в слитках ЭШП по от- ношению к слиткам ДСП составляет + 4,2 - 22,6 %. Это можно объяснить, в первую очередь, недостаточ- но большим набором статистических данных. Однако полученные результаты сопоставимы с общими пред- ставлениями о влиянии ЭШП на химический состав [6]. Это может быть связано как с особенностями электрошлакового процесса кристаллизации слитка, так и с его размерами. Таблица 1 Химический состав слитков стали 3Х3М3Ф Таблица 2 Слиток Номер пробы Массовая доля элементов, % Cu Mn C P Si S Ni Cr Mo V ДСП 1 0,14 0,23 0,32 0,030 0,27 0,014 0,26 3,20 2,51 0,42 2 0,10 0,49 0,27 0,027 0,25 0,010 0,39 3,32 2,85 0,44 3 0,11 0,42 0,37 0,023 0,30 0,011 0,24 3,01 3,08 0,49 4 0,14 0,40 0,27 0,21 0,019 0,36 3,48 2,47 0,56 ЭШП 1 (дон) 0,11 0,50 0,23 0,41 3,47 2,80 0,46 2 (дон) 0,14 0,47 0,40 0,016 0,22 0,008 0,26 3,41 3,15 0,55 3 (дон) 0,13 0,45 0,37 0,013 0,36 0,008 0,27 3,37 3,20 0,53 4 (дон) 0,09 0,45 0,26 0,014 0,17 0,010 0,38 3,36 2,76 0,45 1(литник) 0,12 0,50 0,22 0,40 3,49 2,71 0,47 2(литник) 0,13 0,47 0,25 0,26 3,34 3,27 0,53 3(литник) 0,15 0,47 0,23 0,26 3,38 3,13 0,54 4(литник) 0,10 0,45 0,15 0,40 3,45 2,76 0,46 ГОСТ Не бо- 0,2- 0,27- Не 0,1- Не Не 2,8- 2,5- 0,4- 5950 лее 0,5 0,34 более 0,4 более более 3,5 3,0 0,6 0,3 0,030 0,030 0,35 В донной части исследуемых слитков ЭШП про- изошло снижение содержания вредных примесей - фосфора и серы, соответственно, в 2,0 и 1,5 раза. Это подтвердило эффективность рафинирования металла при обработке шлаком в процессе ЭШП. Полученные результаты по снижению содержания фосфора пока- зывают возможность обесфосфоривания, рассмотрен- ную в работе [6], однако ЭШП не является процессом, пригодным для его удаления. На втором этапе работы выполняли испытания ме- ханических свойств на образцах, отобранных от литых заготовок, полученных в ДСП, кованых электродах под ЭШП, слитках ЭШП и поковках из стали 4Х5МФ1С (табл. 3). Анализ механических свойств показал, что проч- ностные характеристики как в литом состоянии, так и после ковки имеют одинаковый разброс значений, коэффициент вариации u составляет ~ 1,1 %. Однако это не относится к пластичности, которая в поковках более стабильна (u = 7,6 %) по сравнению с литым материалом (u = 11,9 %). Исследование поковок, полученных с разными степенями деформации: 5,2 единицы (первая схема ковки) и 11,5; 16,3 единицы (вторая схема ковки), по- казало, что с увеличением степени деформации на- блюдается тенденция к возрастанию прочностных свойств. Усложнение схемы ковки по второму вариан- ту (рис. 1) способствует измельчению зерна аустенита до 8 баллов, что гарантирует получение после оконча- тельной термической обработки на готовом инстру- менте более высокие значения ударной вязкости. Это утверждение согласуется с данными работы [7]. По- ковки, полученные по второй схеме ковки, имеют высокий уровень механических свойств: предел прочности - 1 735-1 755 МПа; предел текучести - 1 610-1 660 МПа; относительное удлинение - 9,4-12,0 %; относительное сужение- 37-47 %; ударная вязкость - 34 - 38 Дж¤см2; твердость HRC 45-49. На заключительном этапе работы исследовали микроструктуру поковок из стали 3Х3М3Ф и 4Х5МФ1С, полученных по разным схемам ковки и подвергнутых различным видам отжига. При ковке заготовок из стали 3Х3М3Ф по второй схеме изменя- ли температурно-временные параметры нагрева заго- товок и поковок. Температура нагрева заготовок была повышена на 80-50 °С относительно серийной техно- логии, а время выдержки увеличено до 4-5 ч. Охлаж- дение поковок проводилось на воздухе, россыпью до температуры 100-150 °С. Сравнительные исследова- ния поковок, изготовленных по двум схемам ковки, показали, что усложнение схемы ковки и увеличение температуры нагрева и времени выдержки, способст- вовало снижению ликвационной неоднородности до 3-4 баллов ГОСТ 801 по сечению поковок и измель- чению аустенитного зерна до 8 баллов. На основании результатов микроисследований образцов, отобранных от поковок, отожженных по режимам 1-4 были определены требования к струк- туре. Показано, что структура поковок, изготовлен- ных по первоначально разработанной промышленной технологии (режим 1), характеризуется наличием ликвационной полосчатости 6-7 баллов, представ- лена на рис. 2, а. Дополнительное назначение вы- сокотемпературного нагрева до (910 ± 10) °С и последующей изотермической выдержки при Т = (690 ± 10) °С (режим 2) позволило измельчить зерно аустенита до 9 баллов по ГОСТ 5939 (рис. 2, в, г) и уменьшить структурную полосчатость до 4 баллов ГОСТ 801 (рис. 2, б). Механические свойства слитков, выплавленных в ДСП и методом ЭШП, кованых электродов и поковок из стали 4Х5МФС Таблица 3 № образ- ца, способ вы- плавки Вид полу- фабриката Механические свойства Предел прочно- сти, МПа Предел текуче- сти, МПа Относительное удлинение, % Относительное сужение, % KCU, Дж¤смІ HRC Х S u Х S u Х S u Х S u Х S u Х S u 1, ДСП Слиток 1540 14,2 0,92 1395 22,4 1,6 9 3 33,3 34,6 4,67 13,5 - - - - - - 2, ДСП Слиток 1565 10 0,64 1405 10 0,71 10,6 2,1 19,8 33,7 2,93 8,69 - - - - - - 3, ДСП Слиток 1,6 т 1620 20 1,23 1480 14,2 0,96 10,6 0,63 5,94 41,5 17,3 4,17 42,7 2,1 4,92 48 0,63 1,32 4, ДСП Слиток 3,0 т 1660 - - 1515 10 0,66 10,8 0,89 8,24 46,3 0,84 1,81 39,8 1,38 3,47 47 0,77 1,62 5, ДСП Электрод 1535 17,3 1,13 1370 14,2 1,04 11,6 1,26 10,9 42,9 2,57 5,99 44,3 3,19 7,2 45 0,95 2,11 6, ДСП Электрод 1510 14,2 0,94 1365 10 0,73 12,2 0,63 5,16 47,3 0 0 48,4 1,1 2,27 46 0,71 1,56 7, ЭШП Поковка 1600 28,3 1,77 1460 28,3 1,94 10,4 1,26 12,11 40,3 1,55 3,85 40,7 2,1 5,16 45 0,71 1,58 8, ЭШП Рассека- тель, по- ковка 1755 4,9 0,28 1610 21,9 1,36 9,4 1,09 11,6 37 2,34 6,32 34,1 1,34 3,93 49 0,32 0,65 9, ЭШП Поковка матрица 1735 4,9 0,28 1658 26,8 1,62 12 - - 47 2,47 5,26 38,7 0,45 1,16 45 0,89 1,98 Технологические процессы и материалы image image image а б image image в г Рис. 2. Ликвационная полосчатость (а, в) и зерно аустенита в структуре поковок: а, в - ´ 100; б, г - ´ 500 После отжига по режимам 3, 4 в поковках была по- лучена однородная структура зернистого перлита 4 балла ГОСТ 5950 (рис. 3, а). Однако отжиг сталей по режиму 4 привел к увеличению твердости поковок до HB 241-255. Обработка резанием поковок с такой твёрдостью оказалась весьма затруднительной. На практике установлено, что удовлетворительная токар- ная обработка обеспечивается при твердости в преде- лах HB 207-240, и это подтверждается данными рабо- ты [3]. На основании проведенных исследований было рекомендовано проводить термическую обработку поковок по режиму № 3. Таким образом, на основании проведенных микроисследований были определены требования к структуре поковок, которая гарантирует получение необходимых эксплуатационных свойств инструмента. image image а б Рис. 3. Зернистый перлит (а) и бейнит (б) в структуре поковок из стали 4Х5МФ1С: а, б - ´ 500 При исследовании было обнаружено, что низкие скорости охлаждения после высокотемпературного отжига или выгрузка поковок из печи с температуры значительно меньше 450-500 °С привели к формиро- ванию неоднородной структуры. В таких поковках была выявлена структура, состоящая из перлита, зерен полиэдрического феррита или бейнита (рис. 3, б). Рас- пад аустенита по промежуточному бейнитному меха- низму при медленном охлаждении обусловлен осо- бенностью исследуемых сталей в соответствии с тер- мокинетическими диаграммами распада аустенита. В этих сталях области перлитного и бейнитного пре- вращений разделены температурным интервалом вы- сокой устойчивости переохлажденного аустенита [8]. При этом линии начала и окончания бейнитного рас- пада смещаются вниз до температуры 350 °С и влево, частично перекрывая область мартенситного превра- щения. Возникновение структуры нижнего бейнита приводит к повышению твердости, высоким внутрен- ним напряжениям и нестабильности механических свойств инструмента. Кроме того, недостатки струк- туры после предварительной термической обработки не устраняются при выполнении окончательной тер- мообработки, а наследуются прессовым инструмен- том, снижая эксплуатационную стойкость. Таким образом, на основании исследований заго- товок для прессовых матриц из сталей 3Х3М3Ф и 4Х5МФ1С разработаны рекомендации по технологии получения поковок и определены требования к струк- туре: Инструментальные штамповые стали для произ- водства прессовых матриц необходимо подвергать ЭШП. Поковки изготавливать ковкой по усложненной схеме при повышенной до 1 180-1 200 °С температуре нагрева и выдержке заготовок при этой температуре не менее 4 ч. Охлаждение поковок осуществлять рос- сыпью на воздухе. Технология термической обработки поковок должна включать двойную фазовую перекристаллиза- цию и сфероидизирующие изотермические выдержки, регламентированый нагрев и охлаждение. Состояние структуры поковок должно соответ- ствовать следующим требованиям: ликвационная полосчатость не выше 4 баллов по шкале № 5 ГОСТ 801; зернистость перлита не выше 4 баллов по шкале № 1 ГОСТ 5950; балл аустенитного зерна не ниже 8 по ГОСТ 5939.