ИССЛЕДОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ МЕТАЛЛА УДЛИНЕННЫХ СДВОЕННЫХ СЛИТКОВ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛЫХ ПОКОВОК

Гаманюк Сергей Борисович

канд. техн. наук, доцент

Волгоградского государственного технического университета,

РФ, г. Волгоград

E -mail: gamanuk@mail.ru

Руцкий Дмитрий Владимирович,

канд. техн. наук, доцент

Волгоградского государственного технического университета,

РФ, г. Волгоград

E -mail: tecmat@vstu.ru

Зюбан Николай Александрович

д-р техн. наук, профессор,

заведующий кафедрой «Технология материалов»

Волгоградского государственного технического университета,

РФ, г. Волгоград

E -mail: tecmat49@vstu.ru

RESEARCH OF CHEMICAL HETEROGENEITY EXTENDED DUAL METAL BARS USED FOR HOLLOW FORGINGS

Sergey Gamanyuk

cand. techn. sciences, associate professor
of Volgograd State Technical University, Russia, Volgograd

Dmitry Rutskii

cand. techn. sciences, associate professor
of Volgograd State Technical University, Russia, Volgograd

Nikolai Zyuban

doctor of technical sciences, Professor, Head of Department “Materials Technology”
Volgograd State Technical University ,

Russia, Volgograd

Исследование выполнено в рамках к онкурса СП-2015 (СП-4573.2015.1).

АННОТАЦИЯ

В данной статье авторы приводят результаты исследования химической неоднородности металла удлиненных сдвоенных слитков и получаемых из них полых поковок. Из представленных результатов видно, что поковки, изготовленные из опытных сдвоенных и сравнительных слитков обычной геометрии, имеют более однородный химический состав. Заготовки из удлиненного сдвоенного прибыльного слитка характеризуются более равномерным содержанием углерода по высоте, что упрощает режим окончательной термической обработки и исключает необходимость проведения дифференцированного отпуска крупногабаритных изделий, изготавливаемых из слитков большой массы.

ABSTRACT

In this article, the authors present the results of the study of chemical heterogeneity of the elongated metal bars and double derived from these hollow forgings. From these results, it is seen that the forging produced from experimental and comparative dual ingots conventional geometry have a homogeneous composition. Bars of elongate double profitable ingot characterized by a uniform carbon content adjustment, which simplifies the treatment of the final heat treatment and eliminates the need for bulky differentiated holiday products made from ingots of large mass

Ключевые слова: слиток; химическая неоднородность; кристаллизация; сера; фосфор; углерод; ликвация.

Keywords: ingot; chemical inhomogeneity; crystallization; sulfur; phosphorus; carbon; segregation

Длительность изготовления уникальных особоотвественных крупногабаритных изделий, от составления технического задания до получения готовой продукции, может достигать нескольких месяцев, при этом до получения готового изделия оно проходит несколько этапов металлургического передела: разливка и затвердевание, ковка, термическая обработка, механическая обработка. На каждом из которых возможно образование дефектов, значительное развитие которых может привести к отбраковке изделия на этапах передела. Заготовкой для получения уникальных крупногабаритных поковок, является кузнечный слиток, масса его может достигать 900 т, продолжительность затвердевания крупных слитков (в зависимости от массы) может составлять 7 более суток. При затвердевании крупных слитков значительное развитие получают явления ликвации и усадки, которые приводят к значительной химической и физической неоднородности литого металла слитка и как следствие ухудшению качества металла, получаемых из него поковок [1; 2].

Для повышения качества крупногабаритных поковок необходимо получить крупный слиток с минимальным развитием дефектов. В настоящее время для производства полых поковок предлагают использовать полые слитки, применение которых позволяет снизить трудоемкость процесса ковки путем исключения таких операций как, закатка прибыли под патрон, осадка, прошивка. Исключение операций свободной ковки позволяет значительно сэкономить энерго и трудозатраты на стадии ковки.

Применение полых слитков для получения полых поковок применяется не на всех машиностроительных предприятиях. Ограничение использования связано со сложностью организации направленности процесса затвердевания полых слитков. При неудовлетворительной организации направленности процесса затвердевания, вызванной особенностями применения различных конструкций стержня и литейной оснастки, могут получать значительное развитие явления ликвации и усадки и как следствие значительное развитие дефектов усадочного и ликвационного происхождения [3; 4].

Сложности получения полого слитка высокого качества являются причиной ограниченного его применения в условиях промышленного производства. В настоящее время на машиностроительных предприятиях специализирующихся на производстве поковок ответственного назначения для получения полых поковок используют удлиненные слитки (Н/D более 2,5) отливка которых производится в неразъёмные изложницы.

При этом возможность получения нескольких поковок из одного слитка ограничена из-за развивающейся в крупном прибыльном слитке химической и физической неоднородностей, являющихся причиной неоднородности механических свойств по длине и сечению поковок. Из этих соображений полые поковки ответственного назначения изготавливаются, как правило, по схеме один слиток – одна поковка.

Для решения данной проблемы к освоению предлагаются кузнечные слитки, отливаемые в имеющиеся на заводах изложницы. Для длинномерных полых гладких и ступенчатых деталей предлагается использовать сдвоенные слитки, отливаемые в составную из двух полуформ изложницу с прямой и обратной конусностью, соответственно в верхней и нижней частях [1; 2; 5]. В качестве полуформ могут использоваться существующие на предприятии изложницы, соосно устанавливаемые друг на друга и сопрягаемые со стороны максимальных внутренних диаметров.

В данной статье авторы приводят результаты исследования химической неоднородности металла удлиненных сдвоенных слитков и получаемых из них полых поковок.

Для проведения данных исследований были отлиты удлиненные сдвоенные слитки. После разливки и затвердевания из слитков были изготовлены продольные осевые темплеты. На образцах, вырезанных с различных горизонтов слитка отбирались пробы для химического анализа. Химический анализ образцов проводился спектральным методом, на приборе ARC-Met 930 погрешность измерений соответствовала ГОСТ 18895–97.

На рисунке 1 представлены фактические значения химической неоднородности в удлиненных сдвоенных слитках массой 2,99 т и 51 т, и обычных прибыльных слитках – массой 2,88 т и 50 т.

В удлиненном слитке массой 2,99 т суммарная ликвация углерода составляет 30 %, а в обычном прибыльном слитке массой 2,88 т – 38 % соответственно.

В слитках большей массы 50 и 51 т химическая неоднородность удлиненного слитка (å_С=68 %) заметно меньше, чем обычного слитка (å_С=100 %). Суммарная ликвация углерода в удлиненном слитке в 1,5 раза меньше, чем в обычном.

Рисунок 1. Химическая неоднородность удлиненных сдвоенных и сравнительных прибыльных слитков обычной геометрии. а – слиток 2,99 т сталь марки 38ХН3МФА; б – слиток 2,88 т сталь 38ХН3МФА; в – слиток 50 т сталь 20; г – слиток 51т сталь20

Высокая химическая однородность сдвоенных слитков обусловлена тем, что из-за большего развития площади охлаждающей поверхности в сдвоенных слитках значительное развитие получает горизонтальная составляющая затвердевания, которая вследствие высокого температурного градиента имеет высокую скорость продвижения, что подавляет ликвационные процессы и приводит к скоплению примесей вблизи усадочной раковины. Более равномерное распределение примесей по высоте и сечению удлиненных сдвоенных слитков и протяженная усадочная раковина, сосредоточенная в осевой части слитка способствуют применению этих слитков для получения полых поковок.

С учетом выявленных особенностей строения и механизма затвердевания удлиненных сдвоенных слитков, на ПО «Баррикады» была проведена опытная отливка слитков новой геометрии (сдвоенные прибыльные двухконусные с прямой и обратной конусностью соответственно в верхней и нижней части) массой 42,26 т (H/D~4) с последующим изготовлением из них 2-х заготовок с выходом годного 66 %. Ранее эти изделия изготавливались из слитков массой 24,2 т (H/D~2) с выходом годного металла в поковку 58 %. Химическая неоднородность заготовок оценивалась по сечению проб отобранных с первого Iк (донная часть) и второго IIк (верхняя часть слитка) конца поковок (рисунок 2).

Химическая неоднородность заготовок, полученных из сдвоенных слитков выше, чем в сравнительных. Ликвация по углероду снизилась в 4 раза, по сере и фосфору, в среднем, в 3 раза (рисунок 2).

Рисунок 2. Химическая неоднородность заготовок из удлиненного сдвоенного прибыльного и обычного слитков

Из представленных результатов видно, что поковки, изготовленные из опытных сдвоенных и сравнительных слитков обычной геометрии, имеют более однородный химический состав. Заготовки из удлиненного сдвоенного прибыльного слитка характеризуются более равномерным содержанием углерода по высоте, что упрощает режим окончательной термической обработки и исключает необходимость проведения дифференцированного отпуска крупногабаритных изделий, изготавливаемых из слитков большой массы.

Заключение

Увеличение H/D до 4,0 приводит к уменьшению химической неоднородности слитков, как малой массы 1,7 т, так и большой массы 50 т. В удлиненных сдвоенных слитках развитие химической неоднородности меньше в 1,3–3 раза, чем в обычном прибыльном слитке (Н/D~2,0).

Использование удлиненных сдвоенных прибыльных слитков для производства полых поковок позволило снизить химическую неоднородность в изделиях в 4 раза. Использование сдвоенного слитка массой 42,26 т., для получения трубных длинномерных заготовок позволило повысить выхода годного металла в поковку на 8 %.

Список литературы:
1. Жульев С.И. Оптимизация процессов производства кузнечных слитков для поковок ответственного назначения с использованием САПР–технологий : дис. … докт. техн. наук. – В., 1991. – 372 с.
2. Руцкий Д.В. Ликвация в крупных кованных изделиях / Д.В. Руцкий, С.И. Жульев, К.Е. Титов // Проблемы черной металлургии и материаловедения. – 2008. – № 2. – С. 21–27.
3. Федоров Д.Н. Исследование усадочных дефектов в удлинённых сдвоенных бесприбыльных слитках и их использование для производства крупных полых поковок : дис. … канд. техн. наук. – В., 2005. – 166 с.
4. By Sang-Hun OH A Study on the Fabrication of a Large Hollow Ingot by CAE / By Sang-Hun OH, Jung Namkung, Seog-Ou, Cho, Dong-Hee Lee // 18th International Forgemasters Market and Technical Proceedings, Pittsburgh, PA. – 2011, USA. – P.179 – 182.
5. Nazaratin V.V., Analysis of technologies used to make hollow ingots and prospects for their improvement / V.V. Nazaratin, O.A. Kobelev, M.V. Efimov, A.A. Selyutin, P.M. Yavtushenko // Metallurgist. – 2013. Vol. 56, Nos. 9–10.