Введение к работе
Актуальность темы. Одной из главных причин, сдерживающих применение экономичной и высокостойкой металлургической оснастки и инструмента из литого металла (штампов, пресс-форм, кокилей и т.п.), является недостаточная технологичность инструментальных сталей.
Многие новые оригинальные по составу легированные стали, обладая высокими эксплуатационными свойствами, часто имеют низкие механические и литейные характеристики, а также больщую структурную неоднородность.
Для широкого применения литейной оснастки необходимо совершенствовать технологию ее получения на основе как традиционных, так и новых физико-химических методов воздействия на структуру и свойства сталей.
Модифицирование является известным способом повышения качества сталей. Однако, проблема выбора модификаторов и оптимизации их концентраций для новых инструментальных сталей еще не решена и имеет актуальное значение.
Вибрация применяется в различных производственных процессах. Это - перспективный способ управления процессом кристаллизации с целью получения отливок с заданными свойствами.
Вместе с тем, широкое распространение вибрационной обработки расплавов затруднено несовершенством теоретических и технологических разработок в этой области.
Эмпирические данные по воздействию вибрации на процесс кристаллизации металлов и сплавов являются противоречивыми и нуждаются в теоретическом обобщении. Известные концепции построены в основном на базе равновесной термодинамики. Вместе с тем очевидно, что воздействие упругих колебаний на; кристаллизующийся объем металла должно подчиняться закономерностям неравновесной термодинамики.
Разработка аналитических моделей, обобщающих многочисленные литературные данные и построенных на принципах термодинамики неоі ратимых процессов, является поэтому актуальной.
Фактически нет теоретических работ по анализу характера воз, ствия на процесс рафинирования вибровозмущающей силы, различно ориентированной в пространстве. Мало данных, описывающих парамет] движения неметаллических включений в расплавленном металле при у; занном воздействии. Прогнозирование результатов процесса вибрации ного рафинирования, особенно для повышения качества ответственны: стальных отливок, несомненно актуально.
Практически отсутствует оборудование для внепечной вибрацио: ной обработки расплавов, что делает актуальной разработку и созд ние мощных компактных и надежных вибрационных устройств, особен» для использования в процессах разливки и кристаллизации сталей.
Недостаточно изучено влияние технологических факторов вибра' ционной обработки, модифицирования и процесса литья стали в кера' мическую форму, а тем более их комбинированного воздействия на структуру и свойства литого металла.
Целью работы является разработка технологии обработки литей инструментальных сталей вибрацией и.модифицированием с целью пові шения качества отливок.
В работе решены следующие задачи: .
разработка на основе принципов термодинамики необратимых процессов математических моделей воздействия вибрации на процесс образования и роста зародышей твердой фазы, а также диспергирова зерна литого металла при его кристаллизации|
постановка задачи и решение векторных уравнений сил, дейс вующих на частицу примеси в расплаве железа; определение парамет движения неметаллических включений при воздействии на расплав ви ровозмущающей силы, произвольно направленной в пространстве;
- разработка технологии обработки отливок из инструментальных злей на основе оптимизации режимов комбинированной обработки шей модификаторами (бором, титаном, цирконием и иттрием) и 5рацией с целью улучшения структуры, физико-механических и техно— пческих свойств литого металла.
Научная новизна. На основе принципа термодинамики необратимых цессов о разделении полного приращения изобарно-изотермического 'енциала открытой системы на две части: внешнюю, определяющую действие извне вибрационным полем, и внутреннюю, характеризующую цесс внутри системы, разработана методика теоретического анализа яния энергии вибрации на процесс кристаллизации; в результате лось выявить термодинамические закономерности воздействия внеш-энергетических факторов на кристаллизационный процесс. Разработаны аналитические модели по оценке влияния колебатель-скорости вибрации на величину неравновесного радиуса зарождения щой фазы и число зерен в единице объема затвердевающего распла-модели имеют нелинейный характер, позволяют прогнозировать и івлять дисперсностью структуры металла. Проведено математическое моделирование влияния параметров -виб-и сплава (направления в пространстве вектора вибровозмущающей , скорости и ускорения колебаний) на характер движения неметал-ских включений, при этом теоретически показан и расчетом оценен кг нарастания скорости и пути колебательного движения включений изменении наклона к горизонту (до вертикали) вибровозмущающей ; полученные данные позволяют увязать воедино и убедительно їнить противоречивые результаты многих известных исследований їброобработке металлов и сплавов.
Разработаны и оптимизированы параметры нового технологического юса комбинированной обработки жидкой стали вибрацией и модифи-
цированием. Определен вид и рассчитаны параметры математических моделей, позволяющих достаточно точно проводить расчет эффективш режимов как комбинированной обработки, так и факторов литейной технологии: температуры заливки металла и подогрева керамической формы, обеспечивающих получение стальных отливок для пресс-форм высокого качества.
Практическая ценность работы. Разработана новая эффективная технология комбинированной обработки инструментальных сталей моді фицированием и вибрацкей в горизонтальной плоскости. В результаті улучшена структура, физико-механические и технологические свойст; литого металла для заготовок пресс-форм.
Оптимальные технологические режимы комбинированной обработкі стали для металлургической оснастки модифицированием и вибрацией опробованы в условиях действующего производства на Уфимском мото> ростроительном производственном объединении и применены для полу чения пресс-форм литья под давлением из литого металла вместо де формированного.
В результате исследования металла заготовок деталей пресс-формы "блок цилиндров" получено повышение прочности на 20 %, пла тичности вдвое, трещиноустойчивости на 15 %.
Разработано новое устройство для вибрационной обработки рас ва. Конструкция устройства защищена авторским свидетельством, ус но опробована в лабораторных и промышленных условиях, что делает перспективным его использование в литейном и других видах произв ства.
Экономический эффект от внедрения данной технологии обработ кристаллизующейся стали по заводу на годовую программу (в ценах I9SI года) составил более 10,5 тысяч рублей на каждую пресс-форы
Публикации. По материалам диссертации имеется 7 печатных ра
бот и 2 авторских свидетельства на изобретение.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсядеш на: УІ Всесоюзной конференции по ультразвуковым методам интенсификации технологических процессов (Москва, 1987); X и XI всесоюзных конференциях по проблемам слитка "Совершенствование процессов разливки и кристаллизации стали и сплавов" (Жданов, 1987; Волгоград, 1990); X Всесоюзной конференции "Физико-химические основы металлдф-гических процессов" (Москва, 1991); I и П конгрессах сталеплавильщик ков РФ (Москва, 1992; Липецк, 1993); научно-технических конференциях Московского вечернего металлургического института (Москва, 1987-1993).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников, приложения. Работа изложена на /J>J страницах машинописного текста, содержит 34 рисунка и 12 таблиц, список использованных ис-точников из 120 наименований.