Шихтовку из отходов углеродистых сталей, чугуна и никеля осуществляют так, чтобы по расплавлении содержание углерода в металле было не менее 0,60%. Для раннего формирования шлака по ходу плавления в ванну присаживают 1,0—1,5% извести. После полного расплавления шихты шлак частично скачивают и обновляют, а в хорошо нагретую ванну присаживают железную руду. В окисли тельный период корректируют содержание в металле никеля. В конце окислительного периода температура металла должна быть несколько выше температуры выпуска. Содержание углерода в металле должно составлять 0,09—0,11%, фосфора — не более 0,010%.
По классическому варианту диффузионного раскисления, еще применяемому на некоторых заводах, восстановительный период плавки стали 18Х2Н4ВА начинают с введения присадок на вновь наведенный шлак порошка кокса с последующим (спустя 30—50 мин) раскислением ферросилицием. В начале восстановительного периода присаживают ферровольфрам, а после значительного раскисления шлака — феррохром. После феррохрома присаживают сплав АМС.
Более прогрессивной является технология плавки с глубинным раскислением металла в начале восстановительного периода. По этой технологии в начале восстановительного периода в ванну при саживают сплав АМС (3 кг/т), ферровольфрам, феррохром и шлако образующую смесь из извести, плавикового шпата и шамотного боя (3,0—3,5%). На расплавленный шлак присаживают порошок кокса. Чтобы предупредить науглероживание металла, шлак необходимо поддерживать в жидкотекучем состоянии присадками плавикового шпата.
После просветления шлак раскисляют молотым 75%-ным ферро силицием (4,5—5,5 кг/т), присаживаемым в несколько приемов. Заканчивается рафинировка под белым шлаком, рассыпающимся при охлаждении в белый порошок.
Перед выпуском плавки в металл вводят на штанге алюминий в количестве 0,5—0,6 кг/т. Сразу после алюминия в ванну присажи вают ферротнтан (из расчета введения 0,06—0,07% Ti), который, связывая азот и измельчая зерно, улучшает механические свойства стали. Во время выпушка после наполнения 1/3 ковша под струю металла вводят силикокальцнй (примерно 1 кг/т). Этим достигается уменьшение загрязненности стали строчечными включениями глино зема и некоторое улучшение механических свойств ее (главным обра зом ударной вязкости). Кроме того, при раскислении силикокальцием сталь получается более жидкотекучей, в результате чего улучшается поверхность слитка.
При выплавке стали 18Х2Н4ВА методом переплава шихту состав ляют из отходов хромоникелевых сталей (60—70%), углеродистых отходов с низким содержанием фосфора, ферромолибдена и никеля. Содержание углерода в шихте должно быть таким, чтобы по распла влении его содержание в металле было не менее 0,25%; при этом во время окисления можно окислить 0,15—0,16% С. Содержание никеля должно соответствовать нижнему пределу в готовом металле, а хром шихтуют, ориентируясь на его среднее содержание. Ферро
246
молибден можно вводить в завалку или присаживать в конце плавле ния.
По окончании продувки ванны кислородом шлак скачивают начисто. Рафинировку проводят так же, как и при выплавке методом с полным окислением.
С т а л и , с о д е р ж а щ и е а л ю м и и и и. Условия произ водства сталей, легированных алюминием, в значительной мере определяются образованием в них специфических дефектов. К ним относят пятнистую ликвацию, грубое шиферное строение излома, повышенное загрязнение неметаллическими включениями и волосо винами. Хромоалюмиииевым сталям свойственно и низкое качество поверхности слитков и заготовок, что объясняется повышенной вяз костью их в жидком состоянии и плохими литейными свойствами. При разливке зеркало поднимающегося металла бывает покрыто пленками окислов и корками, ухудшающими поверхность слитков.
Установлено, что пятнистая ликвация и шиферный излом в зна чительной степени вызываются образованием при кристаллизации стали нитридов алюминия и ванадия. Поэтому технология выплавки этих сталей строится таким образом, чтобы обеспечивалась высокая степень рафинирования от образующихся при введении алюминия окисных включений и ограничивалась возможность выделения ни тридов при охлаждении стали в изложницах.
Стали этой группы выплавляют преимущественно с полным оки слением. Окислительный период проводят без существенных измене ний обычной технологии. Окисление заканчивают при содержании углерода 0,17—0,20%, фосфора не более 0,015%.
Вначале восстановительного периода шлак обрабатывают коксом
ипорошком ферросилиция. Феррохром присаживают в раскислен ный металл. Легирование алюминием проводят в печи после полного удаления шлака. Если шлак не удалять, то алюминий восстанавли вает кремнезем шлака, в связи с чем возникает трудность в получе нии металла необходимого состава.
Чушковый алюминий вводят на поверхность металла, и ванну выдерживают при выключенном токе до полного расплавления алю миния. После чего из извести и плавикового шпата заводят шлак. Для расплавления шлака и подогрева металла печь включают на 15—20 мин, после чего металл сливают.
Если в металле должен содержаться и ванадий, то феррованадий присаживают после легирования алюминием.
Образующийся после этого печной шлак (25—30% А120 3, 50—
60% СаО, 8—10% MgO, 0,05—1,0% FeO и 1,5—2,0 S i02) по своим физико-химическим свойствам приближается к известково-глино земистому синтетическому шлаку и обладает высокой рафинирую щей способностью. Выдержка металла в печи под таким шлаком и обработка им жидкого металла в ковше во время выпуска плавки обеспечивает снижение в 2—3 раза содержания серы и удаление большей части неметаллических включений.
Пораженность легированной алюминием стали дефектом, носящим название «пятнистой ликвации», уменьшается, если в металле со
247
держится сравнительно мало азота и при кристаллизации отсутствуют условия для выделения нитридов. Поэтому стали этой группы целе сообразно выплавлять в электропечах большой емкости (при этом содержание азота в металле будет несколько ниже) и разливать в сравнительно небольшие изложницы (в этом случае в меньшей мере развиваются ликвацнонные процессы). Для получения удовлетво рительной поверхности слитков металл при разливке необходимо
защищать от воздействия атмосферы. |
электропечах |
||
С т а л и , |
с о д е р ж а щ и е |
к р е м н и й. В |
|
выплавляют |
хромокремнистомарганцовпстые, хромокремпистые и |
||
другие легированные кремнием |
стали ответственного |
назначения, |
|
из которых изготавливают детали самолетов, трубы переменного сечения н другие ответственные изделия.
Стали этой группы выплавляют как с полным окислением, так и методом переплава. Окислительный период плавки для рассматри ваемых сталей бывает обычным.
Восстановительный период начинают с присадки на голое зеркало металла силикомарганца, феррохрома и комплексных сплавов (на пример силпкохрома). После присадки ферросплавов наводят извест ковый шлак, раскисляемый одновременно порошками 75%-ного ферросилиция и кокса.
За 3—4 мин до выпуска металла из печи в него присаживают алю миний. При повышенном содержании алюминия в стали могут поя виться дефекты излома — «сколы», возникновение которых обусло влено выделением по границам зерна нитридов алюминия. Поэтому при производстве стали ЗОХГСА и ЗОХГСНА в заготовках крупного сечения присадки алюминия недолжны превышать 0,5 кг/т. Поскольку, однако, повышенная присадка алюминия (до 1 кг/т) уменьшает пора жение этой стали волосовинами, при производстве профилей сече нием менее 150x 150 мм, когда вследствие значительных обжатий в процессе прокатки пленки нитридов разрушаются, количество при саживаемого алюминия может быть увеличено.
Во время выпуска в ковш присаживают силикокальций в коли честве 2—3 кг/т.
Существенно улучшить качество металла типа стали ЗОХГСА можно обработкой плавки в ковше жидкими синтетическими шлаками. После такой обработки содержание серы в готовом металле может быть уменьшено до 0,005%; значительно уменьшается загрязненность стали неметаллическими включениями, улучшаются пластические свойства на поперечных образцах, уменьшается поражение волосо винами. При этом, однако, следует учитывать, что обработка кремний содержащих сталей синтетическим шлаком сопровождается замет ным восстановлением из шлака алюминия.
Глава 16
ВЫПЛАВКА ШАРИКОПОДШИПНИКОВОЙ СТАЛИ
СВОЙСТВА И ДЕФЕКТЫ ШАРИКОПОДШИПНИКОВОЙ СТАЛИ
Шарикоподшипниковую сталь применяют главным образом для изготовления шариков, роликов и колец подшипников.
В процессе работы эти элементы подшипника находятся под воз действием высоких знакопеременных напряжений. Каждый участок рабочей поверхности шарика или ролика и дорожки колец испыты вает многократное нагружение, распределяющееся в пределах очень небольшой опорной поверхности. В результате в каждом участке поверхности возникают местные контактные знакопеременные на пряжения порядка 3—5 Ми/м2 (300—500 кгс/см2) — сжимающие на поверхности контакта и растягивающие у ее контура. Напряжения вызывают упругую и незначительную остаточную деформации эле ментов подшипника. Многократное повторение деформации приво дит к появлению усталостных трещин, выкрашиванию поверхности подшипника, в результате чего при качении возникают удары, под действием которых разрушения усиливаются и подшипник выходит из строя.
Помимо усталостного разрушения, дорожки колец подшипника и сами тела качения (шарики и ролики) подвергаются истиранию. Причиной механического разрушения — истирания являются тан генциальные напряжения, вызываемые силами трения при скольже нии контактирующих поверхностей. В результате истирания от поверхности металла отделяются тонкие чешуйки, что вызывает увеличение зазора между кольцами и телами качения и усиление абразивного износа.
Величина истирания зависит от точности изготовления и сборки подшипника, условий его нагружения, смазки, наличия абразивных частиц, химически активной среды и от ряда других причин. При интенсивном истирании поверхностные слои металла могут изнаши ваться настолько быстро, что в них не успевают появиться усталост ные трещины. В этом случае подшипник выходит из строя еще до усталостного разрушения.
Внекоторых случаях детали подшипников подвергаются совме щенным раздавливающим и изгибающим нагрузкам, нагрузкам дина мического характера (ударным).
Всоответствии с этим шарикоподшипниковая сталь должна обла дать высокими упругими свойствами и высоким сопротивлением усталости при малой хрупкости, отличаться высокой износостой костью и прочностью. Так как детали подшипников работают, соприкасаясь отдельными точками рабочих поверхностей, особое значение для шарикоподшипниковой стали приобретает ее физико
химическая однородность и чистота по неметаллическим включе ниям. Присутствие в стали скоплений твердых карбидов, неметалли ческих включений, волосовин, трещин и других концентраторов
Н9
напряжений вызывает быстрый износ отдельных участков поверх ности и преждевременный выход из строя подшипника.
В качестве материала для изготовления деталей подшипников наиболее широко используется разработанная еще в 1901 г. высоко углеродистая (0,95—1,15% С) хромистая (0,40—1,65% Сг) сталь (например, сталь ШХ15, содержащая 0,95—1,10% С; 1,30—1,65% Сг; 0,20—0,40% Мп; 0,15—0,35% Si; не более 0,027% Р; 0,02% S; 0,25%
Си и 0,30 Ni, нлп сталь ШХ15СГ, в которой больше Мп —• 0,90—1,20% п Si — 0,40—0,65%). По своему составу и свойствам эта сталь при мыкает к группе инструментальных сталей (см. гл. 19), по по приме нению она является конструкционной специального назначения.
Высокое содержание в подшипниковых сталях углерода сообш,ает нм после термической обработки высокую прочность и стойкость против истирания. Высокая поверхностная твердость рассматривае мой стали определяется концентрацией углерода в мартенсите, и по этому она одинакова для всех подшипниковых сталей. Твердость внутренних слоев зависит от глубины прокалнваемости, зависящей в свою очередь от содержания хрома.
Хром замедляет превращение аустенита в перлит и тем самым увеличивает прокаливаемость стали. Поэтому чем крупнее детали подшипников, тем с большим содержанием хрома применяют сталь для их изготовления.
В системе железо—хром—углерод образуется сложный карбид (Fe, Сг)3С п твердый раствор хрома в железе. Высокая твердость карбидов хрома повышает износостойкость стали. Кроме того, хром увеличивает стойкость мартенсита против отпуска, уменьшает склон ность стали к перегреву, придает ей мелкозернистую структуру. Но при высоком содержании хрома (более 1,65%) трудно получить однородную структуру, поэтому в шарикоподшипниковых сталях обычно содержится не более 1,65 96 Сг.
Марганец, как и хром, увеличивает твердость и сопротивляемость стали истиранию и одновременно способствует росту зерна при нагреве, в результате чего при термической обработке может образо ваться крупнозернистая структура перегретой стали. Отрицательное влияние на вязкость шарикоподшипниковой стали оказывает крем ний.
Но марганец и кремний являются раскислителями, и чем выше их содержание, тем полнее бывает раскислена сталь. Поэтому при-, сутствие этих элементов во всех марках шарикоподшипниковой стали желательно, но не более 0,35% Si и 0,40% Мп. Исключение соста вляет сталь марки ШХ15СГ, применяемая для изготовления крупных деталей. Повышенное содержание марганца и кремния в этой стали объясняется тем, что эти элементы уменьшают критическую скорость закалки, снижая тем самым склонность стали к короблению и трещинообразованню при закалке.
Вредными примесями для шарикоподшипниковой стали являются фосфор, медь и никель.
Фосфор увеличивает склонность стали к образованию крупно зернистой структуры при нагреве, повышаетхрупкость стали и умень
250