Способ получения литых заготовок. Относится к технологиям получения литых заготовок для инструмента холодного и горячего деформирования, механообработки, например высечки, обрубки, протяжки, ковки, штамповки, сверления, резания и т.п., технологической оснастки «типа роликов » машин непрерывной разливки стали, прокатных станов, термических печей, валов, валков, осей различного назначения, в том числе колесных и других изделий. В заявленном способе получения литых заготовок плавление, получение заданного химического состава и кристаллизацию металла заготовки ведут в едином плавильном пространстве с использованием приемов электрошлакового переплава, управляя структурой отливки, заданной условиями эксплуатации, при этом структурой отливки управляют введением мощности, большей, чем необходимо для расплавления металла, достаточной для получения структуры слитка с осевой кристаллизацией, дальнейшим увеличением вводимой мощности достигают структуры слитка, находящейся между осевой и радиальной, и структуры с радиальной кристаллизацией, а введением химических элементов через флюс соответствующего состава и/или твердых компонентов достигают равноосной структуры заготовки.

[0001] Способ получения литых заготовок с требуемой кристаллической структурой, в котором плавление, получение заданного химического состава и кристаллизацию металла заготовки ведут в едином плавильном пространстве с использованием приемов электрошлакового переплава, управляя структурой отливки, заданной условиями эксплуатации, при этом для получения структуры слитка с осевой кристаллизацией на этапе плавления подводят первую мощность, большую, чем необходимо для расплавления металла, для получения структуры слитка, находящейся между осевой и радиальной, и структурой с радиальной кристаллизацией на этапе плавления подводят вторую мощность, превышающую первую мощность, а получение равноосной структуры слитка обеспечивают введением химических элементов через флюс соответствующего состава и/или твердых компонентов.

[0002] Способ по п.1, в котором плавление, получение заданного химического состава и кристаллизацию металла заготовки ведут в плавильном пространстве, организованном с использованием отработанных изделий.

[0003] Способ по п.2, в котором в качестве расплавляемого металла используют отработанные изделия из стали одной или более марок.

Изобретение относится к технологиям получения литых заготовок для инструмента холодного и горячего деформирования, механообработки, например высечки, обрубки, протяжки, ковки, штамповки, сверления, резания и т.п., технологической оснастки «типа роликов » машин непрерывной разливки стали, прокатных станов, термических печей, валов, валков, осей различного назначения, в том числе колесных и других изделий.

Традиционно указанную номенклатуру заготовок изготавливают из металла, обработанного давлением, поскольку такие операции, как ковка и прокатка, устраняют литейные дефекты, обеспечивая качество металла и эксплуатационную стойкость изделий. Существенным недостатком этой технологии считаются значительные потери металла на всех переделах, от выплавки, разливки, ковки (прокатки) до получения готового инструмента и оснастки, что ухудшает экономические показатели производства.

Известен технологический процесс изготовления литых заготовок (В.В. Куниловский, В.К. Крутиков. Литые штампы. Л. «Машиностроение », 1987 г.). Процесс включает в себя выплавку металла в металлургическом агрегате и его разливку с кристаллизацией слитка в литейной форме. Несмотря на преимущества в экономии металла, известная технология ограничена в получении необходимого качества металла отливки, в первую очередь, однородности химического состава, макро- и микроструктуры металла по объему слитка, что отрицательно сказывается на эксплуатационной стойкости изделий.

В источнике описан процесс получения одного типового изделия - литого штампа только для горячего деформирования, при этом авторы утверждают, что технология получения литых заготовок не нашла широкого применения, это подтверждает и практика. По-видимому, преимущества известного процесса изготовления литых заготовок определенным образом «нивелируется » необходимостью применения индивидуальных литейных форм, причем зачастую одноразового использования, а также трудоемкостью изготовления этих форм. Для широкой номенклатуры получаемых изделий эти недостатки приобретают особенно существенное значение.

Известным способом невозможно получить качественные заготовки для таких изделий, условия эксплуатации которых сильно различаются между собой по температуре обрабатываемого металла, величине, скорости и направлению нагрузки на рабочую поверхность инструмента и т.д. В смысле направления нагрузки на рабочую поверхность инструмент, технологическая оснастка испытывают сжимающие, изгибающие, растягивающие, скручивающие усилия или их сочетания, причем изменяющиеся во времени.

Удовлетворение требования по направлению нагрузки определенным образом связано с осью слитка. В технологии с ковкой реализацию направленности нагрузки осуществляют заданием оси ковки и степенью укова заготовки. В известной технологии получения литых штампов это требование без дополнительных организационных дорогостоящих приемов по управлению кристаллизацией охлаждающейся в форме отливки осуществить практически невозможно.

Таким образом, в машиностроении существует задача по созданию технологии производства литых заготовок, позволяющей сочетать значительную экономию металла с необходимым качеством металла литых заготовок для широкой номенклатуры изделий, отличающихся требованиями эксплуатации. В заявленном способе плавление, получение заданного химического состава и кристаллизацию металла заготовки ведут в едином плавильном пространстве с использованием приемов электрошлакового переплава, управляя структурой отливки, заданной условиями эксплуатации.

В качестве характеристики структуры отливки, заданной условиями эксплуатации, в данном способе принимается направленность кристаллизации относительно оси слитка, которую различают по типу осевой, радиальной и находящейся между ними, а также равнооосной. При этом структурой отливки управляют введением мощности, большей, чем необходимо для расплавления металла, достаточной для получения структуры слитка с осевой кристаллизацией, дальнейшим увеличением вводимой мощности достигают структуры слитка, находящейся между осевой и радиальной, и структуры с радиальной кристаллизацией, а введением химических элементов через флюс соответствующего состава и/или твердых компонентов достигают равноосной структуры заготовки.

Прием управления величиной мощности, вводимой в плавильное пространство, позволяет управлять величиной жидкокристаллической ванны и соответственно структурой отливки. Экспериментально установлено, что введение мощности, большей, чем необходимо для расплавления металла, достаточно для получения структуры слитка с осевой кристаллизацией, характеризующейся расположением осей кристаллизации примерно до 30 ° к оси слитка. Дальнейшим увеличением вводимой мощности достигают структуры слитка с радиальной кристаллизацией, характеризующейся расположением осей кристаллизации примерно от 45 ° к оси слитка. При наличии условий эксплуатации, не предъявляющих особых требований к направленности структуры отливки, заявленным способом возможно получать структуру, характеризующуюся расположением осей кристаллизации между осевой и радиальной.

Независимо от вводимой мощности, управление процессом кристаллизации металла заготовки путем введения химических элементов через флюс соответствующего состава и/или твердых компонентов, осуществляемое также в едином плавильном пространстве, позволяет получить заготовки с равноосной структурой. Причем приемы по получению осевой структуры в совокупности с введением химических элементов позволяют получать равнооосную мелкозернистую структуру отливки, а приемы по получению радиальной структуры позволяют получать равнооосную крупнозернистую структуру отливки.

Таким образом, заявленный способ позволяет осуществлять в едином плавильном пространстве под жидким оксидным расплавом (флюсом), который в этом случае является нагревателем, плавление, получение заданного химического состава и кристаллизацию металла заготовки. При этом количество переделов, необходимых для получения качественной заготовки, снижается до одного при исключении литьевых потерь металла.

Опытно-промышленные испытания показывают, что получение заготовок в каждом конкретном случае с организованной структурой удовлетворяет эксплуатационным требованиям по направлению нагрузки относительно оси слитка, существенно отличающимся между собой требованиями эксплуатации будущих изделий широкой номенклатуры.

В частном случае исполнения способа плавление, получение заданного химического состава и направленную кристаллизацию металла заготовки ведут в плавильном пространстве, организованном с использованием отработанных изделий. При этом в качестве расплавляемого металла используют отработанные изделия из стали одной или более марок. Таким образом, способ имеет дополнительные преимущества экономического характера в виде возможности использования отработанных изделий, что является немалым преимуществом для предприятий, изготавливающих, ремонтирующих и эксплуатирующих такие изделия.

Пример 1. Литые заготовки для инструмента горячего деформирования, условия эксплуатации которого диктуют радиальную структуру, получали в водоохлаждаемой форме сечением (310 ×160) мм. Инструментальную сталь марки 4Х5МФС плавили с вводимой мощностью 240 кВА. Полученную заготовку порезали вдоль оси отливки, поверхность шлифовали и протравили реактивами. Исследования поперечного темплета показали, что оси кристаллизации расположены под углом от 45 до 70 ° к оси отливки (фиг. 1). На машиностроительный завод была поставлена опытно-промышленная партия литых заготовок для изготовления формообразующих деталей пресс-форм. Производственные испытания при обработке алюминиевых и медных сплавов показали увеличение эксплуатационной стойкости литого инструмента по сравнению с кованым в 3,2-3,8 раза.

Пример 2. Литые заготовки с осевой направленностью кристаллизации для технологической оснастки типа «ролик » получали в водоохлаждаемой форме диаметром 320 мм плавлением легированного металла отработанного ролика из стали марки 24X1МФ с вводимой мощностью 275 кВА. Из центральной части одной заготовки вырезали и подготовили для изучения макро- и микроструктуры продольного темплета. Результаты исследования показали наличие качественного литого металла с осями кристаллизации, расположенными под углом от 17 до 23 ° к оси заготовки (фиг. 2). Производственные испытания роликов на машине непрерывного литья стали в условиях металлургического предприятия показали увеличение регламентирующей стойкости оснастки в 1,7 раза по сравнению с роликами, полученными традиционным способом.

Пример 3. В плавильном пространстве размерами (300 ×150 ×300) мм, одна из сторон которого образована отработанным штампом из стали марки 5ХНМ, а противоположная сторона имеет выпуклую гравюру, плавили с вводимой мощностью 116 кВА металл марки 5ХНВ, полученный из отработанного другого инструмента. Физические, химические, металлографические, механические исследования и испытания полученной заготовки показали, что отработанный штамп надежно соединяется с наплавленным слоем высокого качества, оси кристаллизации которого расположены под углом от 32 до 45 ° к оси заготовки (фиг. 3). Молотовые штампы, изготовленные из полученных таким образом заготовок, эксплуатировали на прессах с массой падающей части 4 и 1 т для штамповки изделий из хромоникелевых сталей типа 18Х2Н4МА формы «шатун прицепной » и «рычаг клапана выпуска ». Срок службы данной технологической оснастки по сравнению с коваными штампами увеличился в среднем в 2,5 раза.

Пример 4. По условиям эксплуатации инструмент холодного деформирования из ледебуритной высокохромистой стали марки Х12М должен иметь равнооосную мелкозернистую структуру. Для этого заготовки диаметром 90 мм и массой 9,8 кг получали в водоохлаждаемой форме с вводимой мощностью 34,5 кВА, добавив во флюс в качестве модификатора окись циркония в количестве 50 г. Одну из заготовок порезали вдоль оси отливки, поверхность шлифовали и протравили реактивами. Исследования темплета показали наличие мелкозернистой, равноосной структуры по высоте и сечению отливки (фиг. 4). Вырубные и прошивные пуансоны и матрицы, изготовленные из полученных в данном примере заготовок, эксплуатировали на кривошипных прессах для вырубки изделий из листа толщиной 8-10 мм. Срок службы изделий по сравнению с коваными увеличился в 1,5-2,0 раза.

Приведенные примеры иллюстрируют, что в едином плавильном пространстве можно получать литые заготовки с различной структурой, заданной условиями эксплуатации. Полученные из этих заготовок изделия - инструмент горячего деформирования по примеру 1, технологическая оснастка «ролик » по примеру 2, молотовый штамп по примеру 3, изготовленный из отработанного инструмента, а также инструмент холодного деформирования по примеру 4, обладающие повышенной эксплуатационной стойкостью в сравнении с аналогами, подтверждают возможности использования способа для широкой номенклатуры изделий. Экономические преимущества заявленного способа заключаются в совокупности организационных достоинств с достижением качества металла литых заготовок, учитывая, что даже незначительное увеличение эксплуатационной стойкости изделий позволяет экономить металл, снизить трудоемкость изготовления изделий, уменьшить объем механообработки и сократить простои при переналадке оборудования.