close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY 04267

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(19)
BY (11) 4267
(13)
C1
(51)
(12)
7
C 22B 9/18,
B 22D 19/10
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ
КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
(54)
(21) Номер заявки: 970514
(22) 1997.10.02
(46) 2001.12.30
ШИХТОВОЙ МАТЕРИАЛ
(71) Заявитель:
Белорусская
государственная
политехническая академия (BY)
(72) Авторы: Кукуй Д.М., Клещенок Г.И., Цейгер
Е.Н. (BY), Носатов В.А. (UA), Баранов И.В.
(BY)
(73) Патентообладатель:
Белорусская
государственная политехническая академия (BY)
(57)
Шихтовой материал для восстановления формообразующей оснастки, преимущественно штампов, методом электрошлакового обогрева, содержащий стружку инструментальных сталей типа 5ХНМ, отличающийся тем, что он дополнительно содержит легирующие брикеты в следующем соотношении компонентов,
мас. %:
стружка стали 5ХНМ
95,7-98,5
легирующие брикеты
1,5-4,3;
причем, состав брикетов следующий, масс. %:
оксид ванадия V2O5
15,5-16,5
углеродосодержащий компонент
17,0-19,5
окалина FenOm
65,0-66,5
жидкое стекло (сверх 100 % сухой композиции)
3-5.
(56)
Мосендз Н.А. и др. Новый способ получения литых двухслойных заготовок штампов. // Кузнечноштамповочное производство. - 1981. - № 3. - С. 6-7.
SU 1498587 A1, 1989.
SU 1615986 A1, 1992.
SU 1221915 A1, 1994.
GB 2132525 A, 1984.
JP 09104928 A, 1997.
JP 07062461 A, 1995.
Изобретение относится к спецэлектрометаллургии, а именно восстановлению формообразующей оснастки (преимущественно штампов) методом электрошлакового обогрева (ЭШО) металла с использованием нерасходуемых электродов для изготовления штампов горячего деформирования.
Известно использование стружки инструментальной стали 5ХНМ в качестве присадочного металла при
изготовлении штамповых кубиков методом ЭШ-наплавки [1]. Сталь 5ХНМ широко используется для горячештампового инструмента, работающего в условиях ударного нагружения и разогрева гравюры в процессе
штамповки до температур 500-550 °С. Стойкость штампового инструмента из этой стали обеспечивается сочетанием повышенной ударной вязкости с определенным условием твердости и прочности металла штампа:
BY 4267 C1
KCU=400-450
кДж/м2,
HRC=38-41, σв=1450-1500 МПа (кованый металл после отжига и упрочняющей термической обработки).
Свойства стали 5ХНМ, наплавленной из стружки методом ЭШО и представляющей металл в литом состоянии при повышенных температурах (400-500 °С), близки к свойствам кованой стали, но значительно уступают свойствам, проявляемых наплавленной сталью при комнатной температуре. В широком диапазоне
параметров последующей термической обработки такая сталь показывает KCU < 350 кДж/м2, HRC < 38,
σв < 1400 МПа, что не в полной мере удовлетворяет требованиям, предъявляемым к штамповому инструменту этого класса.
Задачей, решаемой изобретением., является повышение механических свойств металла рабочего слоя
штампового инструмента. Достигается поставленная задача тем, что для восстановления формообразующей
оснастки (преимущественно штампов) методом ЭШО, шихтовой материал, содержащий стружку инструментальных сталей 5ХНМ. дополнительно содержит легирующие брикеты при следующем соотношении,
мас. %:
стружка стали 5ХНМ
95,7-98,5
легирующий брикет
1,5-4,3
при этом состав легирующих брикетов следующий, мас. % :
оксид ванадия V2O5
15,5-16,5
углеродсодержащий компонент
17,0-19,5
окалина FenOm
65,0-66,5
жидкое стекло (сверх 100 % сухой композиции)
3,0-5,0.
В качестве углеродсодержащего компонента могут быть использованы бой угольных электродов, графитовая руда, древесный уголь.
Применение для наплавки при восстановлении штампов методом ЭШО в качестве основы стружки стали
5ХНМ и легирующего брикета, включающего V2O5, обеспечивает делегирование стали ванадием посредством восстановления оксида углеродом. Известно, что в структуре сталей класса 5ХНМ, легированных ванадием, помимо карбида М3С образуются специальные карбиды МС на основе VC и М23С6, обладающих
значительно большей термической стабильностью в сравнении с карбидом М3С. Количество таких карбидов,
степень их дисперсности и эффект изменения свойств металла определяется легирующим комплексом сталей, содержанием углерода и ванадия, а также режимами упрочняющей термической обработки.
Ванадий оказывает значительное влияние на интенсивность процессов вторичного твердения, что проявляется в увеличении твердости и прочности сталей после закалки и отпуска, а это в свою очередь способствует увеличению их теплостойкости и износостойкости штампового инструмента. Уменьшение чувствительности
к перегреву под влиянием ванадия (при его содержании до 1 %) повышает не только прочность сталей, но и их
пластичность, что проявляется в увеличении одной из важнейших характеристик для штамповых сталей
ударной вязкости. Этот эффект обусловлен прежде всего уменьшением величины зерна, дисперсностью специальных карбидов, а также перераспределением углерода в процессе термической обработки между твердым раствором и карбидными фазами. Уменьшая долю карбидов, выделяющихся при γ → α-превращении,
ванадий вызывает существенное увеличение их дисперсности.
Наличие в составе брикетов окалины позволяет обеспечить содержание углерода в стали на уровне 0,40,5 %, поскольку при более высоком его содержании в сталях класса 5ХНМ, легированных ванадием, в литом состоянии может значительно снижаться ударная вязкость вследствие изменения дисперсности карбидных фаз. С другой стороны, в процессе плавки стружки стали методом ЭШО содержание углерода может
уменьшаться вследствие угара до 15-20 % от исходного содержания его в стали.
Процесс восстановления оксида ванадия V2О5 протекает по следующим реакциям :
V2О5 + 5С → 2V + 5СО,
(1)
V2О5 + 7C → 2VC + CO.
(2)
Изменение энергии Гиббса ∆G, определяющей условие осуществления химической реакции и направление ее протекания, для реакции (1) может быть рассчитано по уровнению : ∆G = = 999,4-0,886 Т, для реакции (2) - ∆G = 790,2-0,866 T.
В соответствии с термодинамическими расчетами температура протекания реакции (1) составляет 1128 К
(855 °С), для реакции (2), 912К (639 °С). Для оксидов железа, составляющих окалину в процессе плавки, с
увеличением температуры протекает диссоциация оксидов в ряду:
Fе2O3 900-990К Fе3О4 1030-1200К FeO.
Термодинамические расчеты показывают, что реакции восстановления Fе3О4 и FeO по уравнению
FenOm + mC → nFe + mCO
(3)
протекают при температурах более 1223 К (950 °С).
2
BY 4267 C1
Таким образом, в процессе плавки стружки стали 5ХНМ с легирующими брикетами преимущественным является процесс восстановления V2О5 с образованием специального карбида VC.
С целью проверки эффективности использования предложенного шихтового материала для восстановления штампов методом ЭШО изготовлены 8 наплавок, одна из которых проведена на шихте, состоящей из
стружки стали 5ХНМ (прототип), а для семи наплавок использованы стружка этой стали и легирующие брикеты с различным соотношением компонентов оксида ванадия, окалины и углеродсодержащего компонента
- электродного боя. Составы шихтовых материалов приведены в таблице.
Соотношения компонентов в шихтовом материале выбраны экспериментальным путем с учетом угара
стружки, который составлял 10-15 %, угара окалины - 20-30 %, усвоения ванадия, составляющего 80-85 %, и
усвоения углеродсодержащего компонента - электродного боя, который составлял 75-85 %. Оптимальное
содержание связующей добавки жидкого стекла находится в пределах 3-5 мас. %, т.к. при его содержании
менее 3 % снизилась прочность прессованных брикетов, а при увеличении содержания жидкого стекла более
5 % качественного изменения структуры и свойств брикета не наблюдалось.
Брикеты изготавливали методом холодного прессования: очищенную от примесей окалину измельчали,
высушивали, смешивали с порошком оксида ванадия и измельченным электродным боем, засыпали в смеситель, куда добавляли гидрофильную связующую добавку жидкое стекло в количестве 3-5 % от массы смеси,
перемешивали в течение 3-4 мин. Полученную смесь компонентов засыпали в прессформу, уплотняли и после сушки горячим воздухом при температуре 100-150 °С в течение 0,5-1 мин брикеты выталкивали из
прессформы. Легирующие брикеты имели цилиндрическую форму Ф40 мм, высотой 20 мм.
Для изготовления наплавок из стружки стали 5ХНМ и легирующих брикетов восстанавливаемый штамп
помещали на поддон кристаллизатора. Предварительно расплавленный шлак АН-15М заливали на изношенную поверхность штампа, разогревали ее с использованием нерасходуемых графитовых электродов на глубину 5-10 мм с последующей подачей стружки стали 5ХНМ и легирующих брикетов с различным
соотношением этих составляющих в шихтовом материале. Напряжение 52-56 В, сила тока 1800-2200 А, удельная мощность обогрева 90-140 Вт/см2, что при использовании флюса АН -15М соответствует температура
1600-1650 °С.
Химическим анализом состава металла наплавок установлено, что содержание легирующих элементов,
входящих в состав стали 5ХНМ, в процессе наплавки изменяется незначительно и оставалось в пределах,
допустимых для их содержания в этой стали в соответствии с ГОСТ 5950-73. Результаты испытаний механических свойств металла наплавок, подвергнутого упрочняющей термической обработки по стандартным для
стали 5XHM режимам (закалка от 870 °С в масло, отпуск при 480 °C), представлены в таблице.
Соотношение компонентов в шихтовом материале, брикетах и механические свойства,
металла наплавок: твердость HRC, предел прочности (σв) и ударная вязкость (KCU)
№№
Соотношение
компонентов в шихте, мас.
%
Содержание компонентов в брикете в
шихте, мас. %
плавок
Стружка
стали 5ХНМ
Брикет
V 2O 5
1
2
3
4
5
6
7
8
100 (прототип)
98,52
98,50
97,60
97,10
96,50
95,70
95,50
1,48
1,50
2,40
2,90
3,50
4,30
4,50
15,0
15,5
16,2
16,5
16,0
15,8
17,1
С (бой
электродов)
18,3
19,5
16,5
17,0
20,2
18,9
18,4
3
Механические свойства
Ока- Жидкое стекло
HRC
лина
сверх 100 %
σв,
МПа
KCU,
кДж/м2
66,7
65,0
67,3
66,5
63,8
65,3
64,5
1280
1450
1510
1412
1550
1580
1560
1605
310
330
385
350
365
300
412
290
3,3
3,0
4,0
3,7
3,5
5,0
4,3
37
40
45
41
45
47
45
48
BY 4267 C1
Оптимальным уровнем твердости, прочности и ударной вязкости обладает металл наплавок при содержании легирующих брикетов 1,5-4,3 % и соотношений компонентов в них: оксид ванадия - 15,5-16,5 %, углерод
(электродный бой) 17,0-19,5 %, остальное окалина (наплавки 3, 5, 7).
По результатам химического анализа в наплавках 3, 5 и 7 содержание ванадия составляло 0,10-0,27 %,
углерода 0,45-0,50 %. В наплавке 2, содержащей ванадий 0,08 %, ударная вязкость возросла незначительно
по сравнению с металлом, выплавленным только из стружки стали 5XHM (наплавка 1). Ванадий в количестве менее 0,1 % преимущественно влияет на изменение прочностных характеристик - увеличение твердости и
предела прочности, что связано с эффектом дисперсионного твердения в процессе закалки и отпуска стали,
микролегированной ванадием, образующим дисперсные включения специальных карбидов.
При содержании ванадия более 0,30 % (наплавка 8) и углерода более 0,50 % (наплавка 6) резко снижается
ударная вязкость металла вследствие увеличения содержания карбидных фаз и укрупнение их включений в
структуре металла. В металле наплавки 4 содержание углерода составляло 0,42 % , что вызвало снижение
прочностных характеристик стали вследствие уменьшения количества карбидных фаз.
Источники информации:
1. Мосендз Н.А. и др. Новый способ получения литых двухслойных заготовок штампов // Кузнечноштамповочное производство. - 1981. - № 3. - С. 6-7.
Государственный патентный комитет Республики Беларусь.
220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
128 Кб
Теги
04267, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа