ПРОИЗВОДСТВО ШТАМПОВЫХ СТАЛЕЙ МЕТОДОМ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ (статья)

Понкратин Е.И., Ленартович Д. В.
Ссылка доступна только зарегистрированным пользователям.

На промышленных предприятиях для изготовления формообразующей и формоизменяющей оснастки в основном используют устаревшие, не отвечающие возросшим требованиям производства стали, при разработке которых возможности последующего диффузионного упрочнения не учитываются.
Штамповые стали, работающие в условиях непосредственного контакта с горячим металлом, должны обладать оптимальным сочетанием технологических, механических и эксплуатационных свойств, в частности, повышенной прочностью, теплостойкостью, ударной вязкостью, износо-и разгаростойкостью, закаливаемостью, прокаливаемостью, устойчивостью против перегрева и окисления. Стали полутеплостойкого класса типа 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХГМ и др. предназначены для изготовления молотовых штампов, работающих в условиях ударного нагружения при нагреве гравюры в процессе штамповки до температур не выше 500-550 °С. Теплостойкость этих сталей невысока, например для стали 5ХНМ она составляет 400 °С при сохранении твердости 50 HRC.
Анализ литературных источников показывает, что для создания штамповых сталей со специальными свойствами используют в основном комплексное легирование, исходя из назначения инструмента и условий его эксплуатации.
Обычно заводы изготавливают штамповые стали выплавкой и разливкой в слитки для последующей прокатки или проковки. Перспективным является производство штамповых сталей путем выплавки и разливки на МНЛЗ.
Так, в начале 90-х годов на РУП «БМЗ» совместно со специалистами БИТУ и «Интерсталь BY» проводились комплексные исследования, направленные на создание стали для штампов горячего деформирования с условным названием БИС-1, БИС-2 (Белорусские инструментальные стали). Промышленное опробование сталей серии БИС показало, что стойкость штампо-вой оснастки возросла по сравнению со сталью 5ХНМ в 1,4-2,2 раза. Однако в процессе исследований было установлено, что количество дефектов поверхности по трещинам значительно превышает средний уровень дефектов по заводу и выходу годного. Были выявлены причины, приводящие к запороченности поверхности проката дефектами в виде трещин в пределах 68-95 % и браку по рванинам и трещинам до 47-58 % от массы плавки. Металлографическим анализом установлено, что эти дефекты относятся к нарушениям при разливке и нагреве заготовок. Для классификации дефектов были отобраны пробы для металлографического анализа. Установлено, что дефекты макроструктуры, классифицируемые как кристаллизационные трещины, образовались при охлаждении заготовок после разливки во время быстрого нагрева, что привело к развитию трещин напряжения при прокатке. Из-за повышенного количества брака и низкой технологичности дальнейшее производство сталей этого класса было прекращено.
Проанализируем причины повышенного брака и на этой основе рекомендуем технические решения, которые смогут позволить производство сталей для штампов горячего деформирования методом непрерывного литья.
За прототип была взята сталь 5ХНМ, производимая в соответствии с требованиями ГОСТ 5950. В табл.1 приведен химический состав базовой стали и опытных плавок БИС-1 (45ХМН-ФЮТР), БИС-2 (45ХМН-Ф1ЮТР), выплавленных в условиях РУП «БМЗ». В опытных марках сталей был дополнительно введен бор, существенно повышающий выносливость стали после азотирования, что особенно важно для инструмента, работающего в условиях знакопеременных нагрузок, например прошивных игл и др. Присутствие бора наиболее эффективно проявляется в стали одновременно с титаном. Увеличение содержания хрома от 0,8 до 1,2 %, молибдена от 0,3 до 0,65 % и введение ванадия обеспечивают повышение прочности оснастки при увеличенных температурах и теплостойкости азотируемой поверхности оснастки.
После обоснования химического состава опытной стали были разработаны технологические карты на все операции от выплавки до отгрузки готового проката потребителям.
Выплавка стали на РУП «БМЗ» осуществлялась в 100-тонной дуговой сталеплавильной печи. Шихтовка плавки производилась с использованием в завалке 20 т чугуна, 50 т легированного Cr-Ni-Mo-содержащего лома, углеродистого лома и ферроникеля. Процесс выплавки после завалки проводился в соответствии с действующими ТИ. Содержание углерода в стали перед выпуском составляло 0,32-0,38 %.
Температура металла перед сливом в сталеразливочный ковш изменялась от 1678 до 1719 °С. Перед выпуском стали, после отключения печи, присаживали 100 кг кокса и 1500 кг извести, после чего скачивали шлак. При сливе металла в нагретый сталеразливочный ковш на струю подавали ферросилиций до 110 кг на плавку. Температура металла в ковше после слива изменялась от 1604 до 1659 °С. Для усреднения стали по химическому составу и температуре, сталь в ковше продували аргоном 3-5 мин через погружную форму или донную пробку.
Ковш с жидкой сталью передавали на установку «печь-ковш», где одновременно проводили технологические операции по присадке легирующих элементов, продувке стали аргоном через донную пробку, электромагнитное перемешивание. Присадку ферросплавов и алюминия осуществляли из расчета среднего содержания элементов в готовой стали с учетом коэффициента усвоения. Учитывая особенность разливки стали на МНЛЗ-3, для улучшения процесса разливки подбирали соотношение алюминия и титана, исключающее процесс затягивания разливочного стакана и шибера стальковша. Доводку стали до заданного химического состава по углероду 0,45-0,49 % осуществляли за счет ввода углеродсодержащих отходов в виде боя электродов, кокса и пироуглерода.
Следующим этапом была внепечная обработка стали на циркуляционном вакууматоре. После достижения разряжения 0,5-1,0 Мбар продолжительность вакуумирования составляла 12-20 мин. Одновременно подавали аргон с интенсивностью продувки 400-500 л/мин. Температура стали в конце вакуумирования составляла 1554-1572 °С. В процессе вакуумирования осуществляли доводку до заданного химического состава, соблюдая следующую очередность: присадка ферробора проводилась после присадки ферроти-тана с целью связывания титаном азота и более полного усвоения бора. Перед передачей стали на разливку на поверхность металла давали 200 кг вермикулита для защиты и утепления металла. Разливку осуществляли на МНЛЗ-3 в заготовке сечением 300x400 и 250x300 мм. Во время разливки струю металла защищали от вторичного окисления при помощи погружного стакана и пода аргона под крышку промежуточного ковша. Температура металла перед разливкой изменялась от 1552 до 1572 °С. В промежуточном ковше регистрируемого температура изменялась в различных плавках от 1543 до 1526 °С в начале разливки йот 1524 до 1517 °С в конце разливки. Скорость разливки поддерживалась в пределах 0,5-0,6 м/мин на сечении 300x400 ми0,7-0,8м/мин на сечении 250x300 мм. При разливке использовали стандартную шлаковую смесь БС-3. Затем блюмы передавали в сортопрокатный цех для дальнейшей обработки. Часть плавок укладывали в штабель и укрывали колпаками, под которыми металл находился до полного охлаждения. Длительность охлаждения составляла не менее 32 ч. В холодном состоянии металл загружался в нагревательную методическую печь с шагающими балками, где происходил нагрев до температуры деформации на стане 850. Технологический режим нагрева заготовок штамповой стали приведен в табл. 2.
Нагрев производили в соответствии с технологической инструкцией завода по режиму для 3-й группы легированных марок сталей. Другую часть плавок садили в нагревательную печь в горячем состоя заготовок холодного посада сечением 300x400 мм должна быть не менее 3,2 ч. На заготовках горячего посада необходимое качество нагрева обеспечивается за 2,4-2,7 ч. При нагреве заготовок сечением 250x300 мм длительность нагрева может быть снижена до 3 ч на заготовках холодного посада и до 2 ч - на заготовках горячего посада. Температура в нижних зонах печи (II и IV зоны) должна составлять не менее 1300 °С. Для снижения вероятности появления внутренних и поверхностных трещин из-за возникающих напряжений по сечению заготовки посад литых заготовок в нагревательную печь необходимо производить сразу после разливки, т. е. при среднемассовой температуре более 650 °С. Окисление поверхности заготовки, обращенной к своду в печи, в среднем на 17 % выше, чем на боковой или контактной к подине поверхности. Ранее исследованиями было установлено, что количество дефектов по трещине в большей степени наблюдается на широкой грани заготовки, относящейся к большему радиусу разливочной дуги МНЛЗ. В связи с этим перед посадом заготовок в печь, целесообразна кантовка заготовки с большим числом дефектов была обращена к своду печи. Данный технологический прием позволит удалить часть дефектов с окалиной.
После прокатки заготовок на стане 850 охлаждение горячекатаного проката осуществляется на реечном холодильнике с последующей термообработкой в колодцах регулируемого охлаждения.