значительно увеличивает вязкость хром; более эффективно влияют вольфрам, молибден и ванадий. Присадка 0,1—0,2% V действует так же, как 0,4—0,5% Мо или 0,8—1,2% W.
Значительно повышает вязкость стали никель. Однако никель способствует сохранению остаточного аустенита, распад которого в процессе службы инструмента изменяет его служебные характе ристики. По этой причине содержание никеля в инструментальной стали ограничивают так, чтобы оно не превышало 0,4%. Тем не менее в структуре закаленной стали присутствует до 20—35% ау стенита, для более полного превращения которого в мартенсит тре буется многократный отпуск при 520—600° С. В готовом инструменте из быстрорежущих сталей аустенит практически отсутствует.
Фосфор и сера увеличивают хрупкость стали, причем фосфор придает хладноломкость, а сера — красноломкость. Поэтому для инструментальных сталей фосфор и сера являются вредными приме сями и содержание фосфора допускается до0,03%, серы — до0,015%. При таком содержании фосфора и серы, при мелком зерне, почти полном отсутствии аустенита, оптимальном количестве карбидов и их равномерном распределении быстрорежущие стали после дис персионного твердения при отпуске сохраняют удовлетворительную вязкость и отличаются высокой прочностью.
Для режущего стального инструмента, работающего при высоких нагрузках и в условиях значительного разогрева режущей кромки, очень важной является теплостойкость стали, т. е. ее особенность сохранять необходимые структуру и свойства при нагреве. Тепло стойкость определяется стойкостью твердого раствора (металличе ской матрицы) против распада при нагреве, природой и дисперсностью выделившихся из него карбидов и их стойкостью против коагуляции, температурой фазового (а —>у) превращения. Теплостойкость харак теризуется минимальной температурой, при которой наступает за метное изменение стойкости инструмента.
Различают быстрорежущие стали нормальной и повышенной теплостойкости.
За нормальную принимается теплостойкость широко распростра ненной стали Р 18 (18% W). Она сохраняет твердость не менее HRC 60 при нагреве до 615—620° С. Увеличение теплостойкости до 640— 650° С позволяет повысить стойкость инструмента в 2—3 раза, а при увеличении теплостойкости до 700—725° С стойкость инструмента возрастает в 10— 15 раз.
Всталях нормальной теплостойкости дисперсионное твердение вызывается выделением карбидов вольфрама, молибдена и в неболь шом количестве — ванадия. Для получения необходимых свойств эти стали должны содержать 9— 18% W, 6—9% Мо при 1,0—2,5% V. Стали такого типа (Р18, Р12, Р9, Р6МЗ, Р6М5, Р9М4 и др.) исполь зуют наиболее широко: их производство составляет 80—90% общего производства быстрорежущих сталей.
Всталях повышенной теплостойкости выделяется больше карбида ванадия, более устойчивого против коагуляции. В сталях, легиро ванных кобальтом, выделяется, кроме того, интерметаллид. Такие
18 Зак. 824 |
273 ■ |
Стали (Р18Ф2, Р9Ф5, Р18Ф2К5, Р9К10, Р10Ф5К5 и др.) сохраняют твердость HRC 60 до температуры 650° С.
Теплостойкость 700—725° С характерна для сплавов, у которых при дисперсионном твердении выделяются интерметаллиды.
Теплостойкость быстрорежущих сталей (как и жаропрочных) возрастает с усложнением состава стали, когда она легируется не одним, а несколькими элементами. Это приводит к выделению при дисперсионном твердении карбидов более сложного состава и обра зованию легированного феррита, что увеличивает их стойкость при нагреве.
Особенности химического состава быстрорежущих сталей обус ловливают особенности строения литой структуры. Для этих сталей характерен большой температурный интервал кристаллизации и значительные различия в составе и плотности кристаллизующихся фаз — металлической основы и карбидов. При охлаждении вначале образуются зерна 6-раствора, а затем кристаллизуется легкоплавкая эвтектика (карбиды и аустенит). Эвтектика выделяется по границам ранее образовавшихся зерен в виде сетки, часто принимая скелето образную форму. При последующем охлаждении из аустенита выделяются вторичные карбиды.
Чем медленнее происходит кристаллизация, тем грубее выделения эвтектики. Сетка эвтектики раздробляется и почти полностью устра няется только при уменьшении поперечного сечения в процессе горячего деформирования в 10— 15 раз. Но раздробить крупные скоп ления карбидов и получить хорошую однородную структуру удается только при 30—40-кратном уменьшении сечения при деформиро вании.
Для уменьшения карбидной ликвации быстрорежущие стали необходимо разливать на мелкие слитки (массой 100—400 кг). Не плохие результаты получены при отливке слитков массой 750— 1000 кг прямоугольного сечения 250—500 мм, но при этом усложняется тех нология кузнечного передела.
Для улучшения структуры и измельчения карбидов в металле, разлитом на слитки круглого или квадратного сечения массой 750— 1000 кг, ковку заготовок быстрорежущей стали часто ведут с одной или несколькими осадками. Уменьшение карбидной неоднородности может быть достигнуто также в результате предварительной гомоге низации слитков.
' ТЕХНОЛОГИЯ ПЛАВКИ
Необходимость разливки быстрорежущих сталей на мелкие слитки ограничивает возможность выплавки их в крупных печах. Как пра вило, быстрорежущие стали выплавляют в печах емкостью до Ют.
Высокое содержание в быстрорежущих сталях вольфрама, мо либдена, а иногда и кобальта и их большая плотность способствуют насыщению этими элементами футеровки печи. Поэтому быстроре жущие стали необходимо выплавлять в специализированной печи. Это стабилизирует усвоение элементов, позволяет точнее выдерживать
274
заданный состав стали и выплавлять металл с содержанием дорого стоящих элементов ближе к нижнему допустимому пределу.
Быстрорежущие стали содержат большое количество легирующих элементов (3,8—4,4% Сг, 4,5—19,0% W, 1,0—5,0% V), которые могут быть окислены и потеряны со шлаком. В связи с этим прове дение окислительного периода на плавках с использованием в за валку отходов этих сталей нецелесообразно.
Выплавка быстрорежущих сталей на свежей шихте также затруд нительна, так как при этом в восстановительной период необходимо присаживать ферровольфрам, феррохром, феррованадий в количестве, составляющем почти половину массы жидкого металла в печи. По этой причине и с позиций экономики и технологии быстрорежущие стали целесообразно выплавлять методом переплава.
Отходы быстрорежущих сталей переплавляют без окисления или с продувкой ванны кислородом. Оба метода позволяют исполь зовать в завалке большое количество отходов и обеспечивают высо кое усвоение легирующих элементов.
При выплавке без окисления шихта состоит из отходов выплав ляемой стали или стали, близкой ей по составу (до 80%), ферроволь фрама и феррохрома. Так как на плавках методом переплава фосфор не окисляется, то в состав шихты необходимо включать отходы сталей с низким содержанием фосфора или мягкое железо.
При загрузке в корзину ферровольфрам дается поверх всей шихты в центр корзины, феррохром — к стенкам, мягкое железо — в цен тральную часть. Такое расположение шихты в корзине обеспечивает в печи попадание мягкого железа под электроды, феррохрома — к откосам печи, а ферровольфрама — в центр печи между электро дами. При таком распределении шихты достигается максимальная скорость плавления, малый угар и незначительное науглероживание ферровольфрама от электродов.
Желательно, чтобы содержание вольфрама и хрома в шихте было несколько ниже нижнего допустимого предела в готовой стали. Это гарантирует от необходимости разбавления металла в печи мягким железом, если шихта была взвешена недостаточно точно и содержание этих элементов после расплавления окажется несколько выше ожи даемого.
Перед завалкой в количестве 1,5—2,0% на подину дают шлаковую смесь из извести или известняка, шамота и плавикового шпата.
Плавление ведется на максимальной мощности. По ходу плавле ния в печь дополнительно присаживают известь и плавиковый шпат.
После полного расплавления шихты ванну тщательно перемеши вают, отбирают пробу металла и начинают раскисление шлака.
Впроцессе плавления часть ванадия, хрома и вольфрама окисляется
ипереходит в шлак. Для их восстановления шлак обрабатывают порошками кокса и 75%-ного ферросилиция. Момент присадки пер вой раскислительной смеси считается началом рафинировки.
По получении анализа первой пробы присаживают необходимое количество феррохрома. Подбором соответствующей марки ферро хрома одновременно корректируют содержание углерода. Рекомен
18* |
275 |
дуется так рассчитывать содержание углерода в шихте, чтобы кор ректировку по содержанию хрома можно было проводить более де шевым углеродистым феррохромом.
Если откорректировать содержание углерода присадками ферро хрома невозможно, то шлак после частичного раскисления разре шается скачивать. Скачивание раскисленного шлака допускается также при получении магнезиального шлака или при неудовлетвори тельной основности.
После науглероживания наводят основной шлак из смеси извести и плавикового шпата; шлак периодически раскисляют смесью по рошков кокса и ферросилиция. Рафииировку проводят под белым или слабокарбидным шлаком, но перед выпуском карбидный шлак пере водят в белый.
Легирование металла ванадием и корректировку состава по вольф раму проводят не позднее чем за 20—40 мин до выпуска (в зависимо сти от количества вводимых ферросплавов). За 2—3 мин до выпуска на штанге вводят примерно 0,3 кг алюминия на одну тонну плавки.
Продолжительность рафинировки 1,0— 1,5 ч.
На плавках быстрорежущих сталей обязательно часто и тщательно перемешивать ванну. Это связано с тем, что ферровольфрам медленно растворяется в металле и часть его может остаться на подине. Пере мешивание способствует более равномерному распределению его
вобъеме ванны.
Впоследнее время для интенсификации процессов при выплавке быстрорежущих сталей все чаще используют газообразный кислород. Продувка ванны кислородом уменьшает длительность расплавления, способствует увеличению температуры металла и ускоряет процесс растворения ферровольфрама, способствует повышению однород ности стали и удалению из нее газов.
Но введение в ванну газообразного кислорода увеличивает сте пень окисления ценных легирующих элементов. Для уменьшения потерь вольфрама, хрома и ванадия в состав шихты целесообразно вводить отходы стали кремнистых марок или ферросилиций из рас чета содержания в завалке 0,5—0,7% Si. Окисление кремния и же леза сопровождается быстрым нагревом металла, благодаря чему извлечение вольфрама из шихты на плавках с продувкой кислородом может оказаться даже выше, чем на плавках без окисления.
При выплавке быстрорежущих сталей методом переплава с ис пользованием газообразного кислорода феррохром в завалку не дают, а присаживают его в начале рафинировки. В остальном технология плавки не отличается от описанной выше.
Глава 20
КИСЛЫЙ ПРОЦЕСС В ДУГОВЫХ ПЕЧАХ
ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА И ОБЛАСТЬ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
Футеровка кислых печей состоит почти из чистого кремнезема и, как отмечалось, шлаки кислого процесса обычно насыщены S i0 2. Высокая вязкость кислых шлаков замедляет диффузионные процессы в ванне, и поэтому в кислой печи реакции между металлом и шлаком протекают с меньшей скоростью, чем в основных.
Высокое содержание в шлаке окиси кремния исключает возмож ность перехода из металла в шлак фосфора и серы, поэтому в печах с кислой футеровкой отсутствуют условия для проведения важнейших металлургических процессов — дефосфорации и десульфурации металла. Кроме того, в печах с кислой футеровкой возможно восста новление кремния из футеровки углеродом, марганцем и более ак тивными к кислороду элементами, что ограничивает при проведении кислого процесса возможности легирования металла. Это служит причиной того, что в дуговых печах с кислой футеровкой выплавляют ограниченный сортамент стали, включающий лишь простые средне углеродистые (0,25—0,40% С), а также хромоникелевые, хромомолиб деновые и некоторые другие среднеуглеродистые легированные стали. Выплавка в них сложнолегированных сталей и сплавов, содержащих марганец, титан, алюминий, цирконий и др., практи чески невозможна.
В то же время в отношении тепловой работы печи кислая футе ровка предпочтительнее. По сравнению с основными кислые шлаки обладают более высоким омическим сопротивлением, что позволяет нагревать жидкий металл более короткой дугой на высокой ступени напряжения печного трансформатора. Это улучшает передачу тепла металлу и увеличивает электрический к. п. д. установки, так как электрические потери в цепи определяются главным образом силой тока.
Доля жидкого периода плавки (суммарная продолжительность окислительного и восстановительного периодов) в кислых печах намного меньше, чем в основных, так как при проведении кислой плавки не выполняют рафинирования от фосфора и серы и вводят меньшее количество легирующих присадок. Большой удельный вес по времени периода плавления позволяет полнее использовать мощ ность трансформатора, ввиду чего кислые печи целесообразно обо рудовать трансформаторами более высокой удельной мощности, чем
вслучае основных печей. Это позволяет быстрее расплавлять металл
исокращает длительность плавки в целом.
Всвязи с отсутствием условий для дефосфорации и десульфурации металла геометрия ванны кислых печей может отличаться от геоме трии ванны основных печей. Для печей с кислой футеровкой удель ная поверхность зеркала металла не имеет особого значения, поэтому
277