книги из ГПНТБ / Электрометаллургия стали и ферросплавов учебное пособие

Глава 19

ВЫПЛАВКА БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ

СВОЙСТВА И ДЕФЕКТЫ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ

Быстрорежущую сталь относят к группе инструментальных сталей, т. е. сталей, используемых для изготовления разнообразного инструмента. Эти стали должны отличаться высокой твердостью,

прочностью и износостойкостью, а в некоторых случаях должны удовлетворять и ряду дополнительных требований, в частности быть стойкими против коррозии, сохранять неизменными размеры и форму инструмента в течение длительного времени, обладать способностью противостоять значительным динамическим нагрузкам.

Строгое разграничение сталей на конструкционные и инструмен­ тальные возможно лишь по области применения, но не по химиче­ скому составу. Вследствие высокой износостойкости и прочности инструментальные стали широко используют и для других целей: для изготовления подшипников качения, пружин, деталей топливной аппаратуры, шестерен, ходовых винтов, червяков и других деталей. В то же время для изготовления некоторых инструментов исполь­ зуют конструкционные, шарикоподшипниковые и другие стали.

В последние годы непрерывно сокращается применение сравни­ тельно простых по составу инструментальных сталей — углероди­ стых и легированных одним или двумя элементами и увеличивается использование высоколегированных, отличающихся повышенными твердостью и прочностью, износостойкостью, теплостойкостью, стой­ костью против коррозии. Значительно возросло число инструмен­ тальных сталей специализированного назначения, т. е. применяемых в ограниченных условиях эксплуатации, в которых они обеспечивают лучшую стойкость.

К числу инструментальных сталей специального назначения от­ носят и быстрорежущую сталь. Ее используют главным образом для изготовления металлорежущего инструмента, предназначенного для резания с высокими скоростями. Кроме того, ее используют для из­ готовления тяжелонагруженных штампов холодного выдавливания, а также для ряда деталей, работающих при нагреве: подшипников качения, игл топливной аппаратуры и т. д.

В готовых изделиях быстрорежущая сталь должна обладать вы­ сокой твердостью (HRC 63—66, а для резания труднообрабатывае­ мых изделий — до HRC 66—69), высокой прочностью и сопротив­ лением пластической деформации, теплостойкостью (красностой­ костью), а для ряда инструмента — возможно лучшей вязкостью.

Твердость стали определяет сопротивление пластической дефор­ мации и контактным напряжениям, возникающим в рабочей кромке инструмента. С увеличением твердости возрастает износостой­ кость, увеличивается возможность получения более чистой и ровной поверхности обрабатываемого металла и самого инструмента, умень­ шается налипание обрабатываемого металла на поверхность режу­ щего инструмента. Инструменты, для которых характерна недоста­

271

точная твердость, не могут быть использованы для резания или де­ формирования обрабатываемых ими деталей: они быстро теряют форму и размеры под действием возникающих напряжений.

Твердость определяется химическим составом и структурой стали и зависит от содержания углерода в мартенсите (а-растворе), количества и дисперсности выделившихся карбидов или иитерметаллидов и от количества остаточного аустенита.

Быстрорежущие стали относят к ледебуритному классу. Они содержат более 0,6% С и приобретают высокую твердость и износо­ стойкость в результате мартенситного превращения при закалке и дисперсионного твердения при высоком отпуске (560—620° С), вызываемого выделением упрочняющей фазы — в основном карбидов вольфрама, молибдена, ванадия.

Твердость инструментальной стали является важнейшим, но не единственным свойством, определяющим эксплуатационные харак­ теристики инструмента. До 70% мелких режущих инструментов ломаются преждевременно до наступления нормального износа, что свидетельствует об очень важном значении прочности’и вязкости инструментальной стали.

Прочность характеризует сопротивление изгибающему или кру­ тящему моменту, а вязкость — сопротивление образованию трещин и разрушению под действием ударных нагрузок. При использовании сталей высокой прочности повышается стойкость инструмента и производительность обработки, становится возможным резание с большей подачей и резание материалов большей прочности. Доста­ точно высокая вязкость в сочетании с высокой прочностью преду­ преждает выкрашивание, образование трещин и поломку инстру­ мента.

В отличие от твердости прочность зависит от большего числа фак­ торов: содержания углерода в а-растворе, напряжений, величины зерна, состояния его пограничных слоев, дисперсности и распреде­ ления карбидов. Поэтому при одних и тех же значениях твердости прочность может изменяться в широких пределах.

Твердость и вязкость изменяются обьшно в противоположных направлениях: высокой твердости соответствуют низкие значения вязкости.

Однако в отличие от твердости, необходимой в поверхностном слое режущей кромки инструмента, высокая прочность и вязкость должны быть свойственны всему сечению инструмента, так как изги­ бающие крутящие и ударные нагрузки, испытываемые инструмен­ том, воспринимаются всем его сечением. Поэтому инструмент целе­ сообразно обрабатывать так, чтобы поверхности его была свойственна высокая твердость, а сердцевина сохранила необходимую вязкость. Такое состояние инструмента может быть достигнуто специальной закалкой и оптимальным легированием.

Присутствие в быстрорежущих сталях 3,8—4,4% хрома придает им способность закаливаться на воздухе. Повышение вязкости до­ стигается легированием элементами, образующими устойчивые кар­ биды, поскольку они способствуют сохранению мелкого зерна. Не­

272

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

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

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

форму ванны целесообразно выбирать, исходя из минимума тепло­ вых потерь, что достигается при более глубокой ванне. Уменьшению тепловых потерь через кладку и более быстрому нагреву металла способствует также более низкая теплопроводность кислых огне­ упоров. Из-за отсутствия длительных периодов рафинирования ме­ талла от фосфора и серы это обеспечивает более высокий тепловой к. п. д. печи, значительное сокращение длительности плавки, умень­ шение расхода электроэнергии и электродов.

Меньшая продолжительность плавки и более высокая термостой­ кость кислых огнеупоров обусловливают более высокую стойкость футеровки в кислых печах: она в несколько раз выше, чем у основной печи. И так как стоимость песка и динасового кирпича намного меньше стоимости магнезитовых огнеупоров, то удельные затраты на футе­ ровку кислых печей в 2,5—3,0 раза ниже, чем основных.

Высокая термостойкость кислой футеровки допускает, кроме того, периодический характер работы с многократными разогревами и охлаждениями печи. Основные огнеупоры при таких условиях рас­ трескиваются, а пропитанные известковым шлаком слои основной футеровки при охлаждении рассыпаются в порошок.

Из сопоставления преимуществ и недостатков кислых печей следует, что кислые печи лучше основных приспособлены для плав­ ления и нагрева металла и значительно уступают им по возможностям получения качественного металла из обычной шихты. В шихту кис­ лых печей, кроме оборотного скрапа, необходимо вводить специально выплавляемую в основных печах шихтовую заготовку или лом с низ­ ким содержанием фосфора и серы. Дефицит и высокая стоимость таких шихтовых материалов ограничивают использование печей с кислой футеровкой.

Емкость кислых печей, как правило, составляет до 10 т, н их применяют в литейных цехах при плавке стали и чугуна для фа­ сонных отливок. К металлу для этих отливок обычно предъявляют менее жесткие требования по содержанию фосфора и серы: содер­ жание фосфора и серы в стали, предназначенной для литья, обычно допускается до 0,05% каждого из этих компонентов. В литейных цехах особое значение приобретают жидкотекучесть металла, воз­ можность агрегата быстро расплавлять и нагревать металл, выда­ вать металл малыми порциями, приспособленность его к периоди­ ческой работе. С этой точки зрения печи с кислой футеровкой более удобны, чем основные. '

Использование кислых печей при выплавке стали для отливок имеет и экономические преимущества, поскольку для футеровки этих печей используют менее дефицитные и более дешевые огнеупор­ ные материалы, меньше, расходуют шлакообразующих, электроэнер­ гии, электродов. Даже высокая вязкость кислых шлаков в литейном производстве приобретает положительное значение, так как при таком шлаке удобнее заполнять формы из малых ковшей.

Однако затруднения с обеспечением фасоннолитейных цехов ло­ мом с. низким содержанием фосфора и серы приводят к тому, что на некоторых заводах у части печей даже в литейных цехах футеровка

278

выполнена из Основного материала, поскольку это Дает возможность использовать оборотный скрап из основных печей в шихте для пе­ чей с кислой футеровкой.

ТЕХНОЛОГИЯ ПЛАВКИ

Принципиальные особенности кислого процесса предопределяют ряд отличий технологии выплавки стали в кислых дуговых печах по сравнению с плавкой в основных печах.

В кислых печах сталь обычно выплавляют методом переплава, применяя или не применяя кипения. Технология без кипения на­ ходит ограниченное применение при переплаве хромистых, хромо­ никелевых, хромокремнистых и хромомолибденовых сталей, так как отсутствие кипения позволяет полнее использовать хром из отходов. В основном же плавка в кислой печи проводится с кипением ванны, поскольку оно, как и в основном процессе, способствует рафиниро­ ванию металла от газов.

Ш и х т о в ы е м а т е р и а л ы . Ввиду того, что в процессе кислой плавки фосфор и сера не удаляются, а их содержание в стали за счет вводимых добавок даже несколько увеличивается, шихтовые материалы должны содержать фосфора и серы минимум на 0,01% меньше, чем допускается в готовой стали. Сообразно с этим собствен­ ные отходы не должны превышать 50% от массы завалки, а остальную часть должны составлять скрап и отходы основной мартеновской или электропечной углеродистой стали.

Меньшая активность закиси железа в кислых шлаках и более высокая вязкость шлаков затрудняют окисление углерода. Но так как кислые шлаки менее проницаемы и для газов (азота и водорода), то интенсивность окисления углерода в кислой печи не имеет такого большого значения, как в основной. Плавка стали в кислых печах даже при скорости выгорания углерода 0,3% С/ч позволяет получать сталь, содержащую 3—4 см3 на 100 т стали, что в 1,5—2 раза меньше, чем в стали, выплавленной в основных печах. Ввиду этого кислые плавки шихтуют на выгорание меньшего количества углерода. Ших­ товые материалы должны внести такое его количество, чтобы в период кипения окислилось 0,1—0,2% С. В случае необходимости недостаю­ щее количество углерода в завалку вносят в виде кокса, электрод­ ного боя или малофосфористого и малосернистого чугуна.

Металлический лом не должен быть ржавым, так как окислы же­ леза, растворяя S i02, способствуют разрушению кислой футеровки. При использовании сильно окисленного лома вредное действие окис­ лов железа можно нейтрализовать, добавив в шихту необходимое для их ошлакования количество кварцевого песка.

В остальном требования к шихтовым материалам и порядку за­ валки их в печь аналогичны требованиям, предъявляемым к исходным материалам при основной плавке.

П е р и о д п л а в л е н и я . Процесс плавления проводят так же, как и в основных печах. Поскольку же шихта кислых печей, как правило, более легковесна и более склонна к образованию мостов, ее необходимо сталкивать чаще, чем в основных печах. По этой же

279

причине к моменту проплавления колодцев под электродами может оказаться мало жидкого металла, он может сильно перегреться, в результате чего может начаться восстановление кремнезема подины. Видимым эффектом этого процесса служит выделение из печи белого дыма, содержащего моноокись кремния SiO. При появлении такого дыма необходимо поднять электроды и столкнуть шихту.

Для уменьшения угара железа и легирующих элементов в период плавления в печь присаживают шлак от предыдущей плавки, квар­ цевый песок или отработавшую формовочную землю и известь или известняк. К моменту полного расплавления ванна покрыта желе­

периода при проведении кислой плавки решают в основном те же задачи, что и при проведении основного процесса, за исключением дефосфорации металла.

Вследствие высокого содержания закиси железа в шлаке окисле­ ние углерода и вызванное этим кипение ванны могут начаться без дополнительных присадок окислителей, когда металла прогреется до определенной температуры. Скорость окисления углерода при этом составляет 0,2—0,3% С/ч. Для повышения интенсивности окисления углерода и кипения ванны необходимо хорошо нагреть металл или дополнительно присадить окислители. Присадку в печь железной руды и продувку ванны газообразным кислородом осу­ ществляют так же, как и в основной печи. В этом случае окисление углерода происходит со скоростью, не меньшей скорости его окисле­ ния в основных печах.

Вызвать интенсивное кипение ванны можно также присадкой извести. Известь разрушает в кислом шлаке устойчивые группи­ ровки железа с кремнекислородными комплексами, вследствие чего увеличиваются активность закиси железа и окислительная способ­ ность шлака. В этом смысле присадки извести действуют как при­ садки в шлак железной руды. Кроме того, окись кальция резко снижает температуру плавления кислых шлаков и увеличивает их жидкоподвижность, что также увеличивает их окислительную способность, так как повышение жидкотекучести шлаков облегчает подвод закиси железа к месту реакции.

Необходимо учитывать, что наличие в шлаке свободной окиси кальция вызывает интенсивное разъедание кислой футеровки и, следовательно, присадками извести для разжижения шлаков и уве­

Из-за более низкой активности МпО в кислом шлаке при кислом процессе более полно, чем при плавке в основной печи, окисляется марганец. Наличие в шихтовых материалах повышенного коли­ чества марганца приводит не только к его большому угару, но и со­ провождается разрушением футеровки, так как окислы марганП3 в шлаке действуют аналогично окислам железа и кальция.

280