Способ обработки поверхности металлической заготовки из стали и сплавов

 

Сущность изобретения: оплавление ведут в два прохода, с изменением направления перемещения оплавленной зоны на обратное при втором проходе, причем первый проход осуществляют со скоростью перемещения зоны 3,9-4,2 мм/с при линейной плотности тока дуги 1,9-2,2 А/мм диаметра заготовки, а второй проход - со скоростью 3,7-4,1 мм/с при линейной плотности тока дуги 2,5-2,9 А/мм, между проходами при этом осуществляют выдержку в течение 12,- 20 с, кроме того, на дугу накладывают постоянное магнитное поле, аксиальное продольной оси заготовки, напряженность которого устанавливают равной 3300-4000 А/м. 1 табл.

ÄÄ5U„, 1749279 А1 (я)5 С 22 В 9/20

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

Изобретение относится к электрометал- 20%), имеющиеся при механическом удалелургии, точнее к способам оплавленйя боко- нии этого слоя, Кроме того, условия форми8QA поверхности заготовок, являющихся. рования оплавленного слоя, связанные с электродами для вакуумного дугового пере- его кристаллизацией от тела заготовки в ее . + плава, на глубину дефектного сЛоя.:, поверхности; обеспечивают удаление газо- . О

Известен способ плазменно-дуговуого . вых пузырей, включений, окисных плен.. 1 3 переплава поверхностного слоя слйтклов и Однако известный способ не позволяет заготовок, включающий горизонтальное сущлествейно повысить выход годного ме- сО расположение заготовки в герметической: талла и производительность вследствие некамере, нагрев ее поверхностй плазменны- большой площади пятна нагрева и ми разрядами и относительное перемеазе- различной глубины проплааления поаерх- а ние заготовки и разрядов. В зависимости от ности по длине и периметру заготовкйиз-за состава обрабатываемых слитков в качестве постоянной скорости ее перемещения отноплазмообразующего газа используют инер- сительно плазмотронов, ведущей к более тйые смеси или их смеси с водородом; сильному нагреву концевой части заготовУказанный процесс является альтерна- ки. Осуществление процесса при давлении тивным способом подготовки слитков к пе- не менее 1 атм прейятствуетудалению газов реплаву йли прокатке, основанных йа из поверхностного слоя в частности азота удалении дефектного слоя, и позволяет су- меньше 0;022% и кислорода меньше щественно сократить потери металла (до 0,002%..

1 (2 1) 4828595/02 (22) 24,05.90 (46) 23.07.92, Бюл, N 27 (71) Московский институт стали и сплавов и

Всесоюзный институт легких сплавов (72) Г.И, Доронин, Ф.Г. Феоктистов, Е.В.

Петров; Г1.Б. Покровский, А.А. Кулагин, С.Б;

Скачков, С.А. Созинов, Л,Н. Белянчиков, Г.Г.

Щенйиков и С,Н; Саунин (56) Патон Б.Е, и др, Плазменно-дуговой переплав поверхностного слоя слитков и заготовок, — Сталь, 1987, ЛЬ 1, с.35-38.

Авторское свидетельство СССР

N 1272725, кл..C22 В 9/20, 1985. (54) СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ

МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ЗАГОТОВКИ ИЗ СТАЛИ

И СПЛАВОВ

2 (57) Сущность изобретения: оплавление ведут в два прохода, с изменением направления перемещения оплавленной зоны на обратное при втором проходе, причем первый проход осуществляют со скоростью перемещения зоны 3,9 — 4,2 мм/с прилинейной плотйости тока дуги 1,9-2,2 А/мм диаметра . заготовки, а второй проход — со скоростью

3,7-4,1 мм/с при линейной плотности тока дуги 2,5-2,9 А/мм, между проходами прил этом-осуществляют выдержку в течейие 12,—

20 с, кроме того, на дугу накладывают постоянное магнитное поле, аксиальйое продольной оси заготовки, напряженность которого устанавлива от равной 3300-4000 . Я

А/м. 1.табл.

1749279

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ оплавления поверхности металлической заготовки, включающий крепление заготовки в электрододержателе, ее вертикальное коаксиальное расположение в кольцевом нерасходуемом электроде (KH Э), возбужде- ние между заготовкой и КНЭ электрического разряда, взаимное перемещение заготовки и разряда вдоль продольной оси заготовки. При этом зазор между боковой поверхностью заготовки и КНЭ устанавливают равным 0,1-0,4 диаметра заготовки, а отношение плотности тока на боковой поверхности заготовки к линейной скорости ее перемещения поддерживают равным 305000 A,с/см, Известный способ позволяет сплавлять боковую поверхность заготовки по всему ее периметру с большой производительностью, снизить содержание газов в поверхностном слое за счет ведения процесса в вакууме, в том числе азота до

0,021%.

Однако этот процесс не исключает возможность неравномерного оплавления заготовки по ее длине и периметру вследствие отсутствия связи энергетических параметров нагрева с движением заготовки, а также отсутствия средств принудительного перемещения дугового разряда по поверхности

КНЭ с целью предотвращения привязки его к какому-либо отдельному участку поверхности заготовки, что снижает выход годного и не позволяет снизить содержание газов по всей площади поверхности заготовки и на всю глубину дефектного слоя.

Цель изобретения — повышение выхода годного заготовок за счет равномерного оплавления поверхности и снижения содержания газов в поверхностном слое.

Критерием вйхода годного при оплавлении металлической заготовки в КНЭ является равйомерность проплавления всей поверхности на глубину залегания дефектов, в противном случае наличие под поверхностью заготовки необработанного дефекта в виде трещины, газовой поры или . включения ведет к снижению выхода годного.

Равномерность проплавления поверхности электрода зависит от сочетания параметров, определяющих достаточный нагрев заготовки в КНЭ no ee периметру и перемещение фронта оплавления по длине заготовки, т.е. параметров линейной плотности тока и скорости взаимного перемещения заготовки и КНЭ. Были определены количественные величины этих параметров при опускании и подъеме заготовки в КНЭ, заявленные в формуле изобретения, причем проплавление поверхности на глубину залегания дефектов предпочтительно в два прохода, что позволяет на первом этапе (при

5 ходе заготовки вниз) отогнать легкоплавкие возгоны и газы, присутствующие на поверхности заготовки и проплавить ее на незначительную глубину (1-2 мм), а на втором— проплавить поверхность на глубину залега10 ния дефектов (до 5 мм), Нагрев заготовки на первом проходе при ее опускании при линейной плотности тока меньше 1.9 А/мм, и скорости больше

4,2 мм/с определяет слишком быстрое пе15 ремещение КНЭ и заготовки и недостаточное предварительное проплаеление заготовки, в связи с чем, при втором проходе заготовки в КНЭ часть газов и возгонов, не удаленных на первом этапе, попадает в

20 дуговой разряд и, далее, в металл, Нагрев заготовки при ее опускании при линейной плотности тока больше 2,2 А/мм и скорости меньше 3,9 мм/с ведет к неполному отгону возгонов, повторно попадающих в металл, а

25 также появлению на поверхности трещин, особенно при оплавлении сложнолегированных сплавов, вследствие черезмерно интенсивного нагрева, Нагрев заготовки на втором проходе

30 при ее подьеме при линейной плотности тока меньше 2,5 Аl мм и скорости больше 4,1 мм/с не обеспечивает проплавление повер хности на глубину залегания дефектов. Нагрев заготовки при ее подъеме при

35 линейной плотности тока больше 2 9 А/мм, и скоростй меньше 3,7 мм/с определяет черезмерную глубину проплавления, возможность повторного попадания газов в металл заготовки и образование повторных

40 трещин при оплавлении электродов, Равномерность оплавления по длине заготовки за два прохода определяется временем выдержки ее после первого прохода, необходимого для усреднения температуры

45 перед вторым проходом; Начало второго прохода после выдержки в течение меньше

- 12 с не позволяет осуществить равномерное распределение тепла по длине заготовки и ведет к большей глубине проплавления за50 крепленного конца заготовки, выдержка в течение больше 20 с. обуславливает интенсивный нагрев свободного конца заготовки и большую глубину его проплавления.

Равномерность проплавления электро55 да по его диаметру и увеличение ресурса работы КНЭ достигнуто принудительным перемещением дугового разряда в кольцевом зазоре путем воздействия на нее поперечным магнитным полем соленоида, в котором дуга ведет себя как гибкий провод1749279 ник, нэ который действует сила, отклоняющая дугу в направлении, перпендикулярном плоскости, образованной вектором тока и напряженности поля, т.е, вращающая дугу в зазоре между электродом и заготовкой. 5

Напряженность поля 3300-4000 А/м является оптимальной для вращения дуги безее погасания. При напряженности поля меньше 3300 А/м величина возникающей электромагнитной силы недостаточна для 10 смещения дуги в зазоре, при напряженности больше 4000 А/м величина силы такова, что может привести к отрыву одного из опорных пятен дуги от КНЭ или заготовки, погасанию дуги и снижению выхода годно- 15 го, Способ осуществляют нэ опытно-промышленной печи, содержащей вакуумную камеру с установленными в ней вертикаль ным штоком электрододержателя, КНЭ и coi e- 0 ноидом. Установка снабжена приводом штока, источниками питания КНЭ и соленоида. Оплавляют заготовки диаметром 100—

160 мм сплавов ЭП280, ЭП196 и ЭИ692 с . содержанием азота, ограниченным ТУ43-66 25 и ГОСТ 5632-61, полученные разливкой в кокиль расплава индукционной выплавки.

Глубина залегания дефектов (трещин, окисных плен, неметаллических включений и газовых пузырей) не превышает 4-5 мм, 30 содержание отдельных элементрв составляет в поверхностном слое, соответственно, для сплавов ЭП280, ЭП196 и ЭИ692, %: углерод 0,26; 0,16; 0,13; кремний 0,5: 0,5; 0.6; сера 0,04; 0,03; 0,02; азот 0,1; 0,1; 0,03; кис- 35 лород 0.03. На глубине до 5 мм располагаются неметаллические включения, трещины и полости. Заготовку крепят в шток электрододержателя, камеру печи герметизируют и вакуумируют до давления около 15 Па. За- 40 тем устанавливают заготовку внутри КНЭ, располагая ее нижний торец на уровне КНЭ, м возбуждают между боковой поверхностью заготовки и КНЭ электрический разряд силой тока до 2 кА и напряжением около 40 В. 45

Одновременно с возбуждением дуги на зону ее горения накладывают постоянное магнитное поле укаэанной ориентации напряженностью 3300 — 4000 А/м, обусловливающее вращение дуги вокруг горизон- 50 тальной оси заготовки, Далее заготовку опускают со скоростью

3,9 — 4,2 мм/с до достижения разрядом уровня штока электрододержателя, поддерживая линейную силу тока 1,9-2,2 А/мм. После выдержки заготовки в крайнем нижнем положении 12 — 20 с линейную силу тока увеличивают до 2,5-2,9 Аlмм и поднимают заготовку в верхнее положение со скоростью 3,7 — 4,1 мм/с, осуществляя оплавление поверхности за двойной проход заготовки.

Затем установку обесточивают и после остывания заготовки извлекают ее из камеры печи. Содержание элементов для указанных сплавов в поверхностном слое заготовок, : углерод 0,17; 0,09; 0,1; кремний 0,3; 0,3; 0,4; сера 0,001; 0,0008; 0,001; азот 0,004; 0,005;

0,003; кислород не более 0,001 (табл.1).

Рентгеноскопический анализ и макроисследования пбказывают отсутствие в поверхностном слое заготовок трещин и полостей, Соответственно, выход годного увеличивается в 2 — 3 раза, содержание газов и примесей существенно снижается.

Формула изобретения

Способ обработки поверхности металлической заготовки из стали и сплавов, включающий зажигание электрической дуги в зазоре между боковой поверхностью вертикально установленной заготовки и охватывающим ее кольцевым нерасходуемым электродом, оплавление боковой поверхности заготовки электрической дугой на глубину залегания дефектного слоя. взаимное осевое перемещение заготовки и кольцевого электрода отйосительно друг друга с регулированием плотности тока дуги и линейной скорости перемещения ее вдоль оси заготовки, отличающийся тем, что, с целью повышения выхода годного за счет равномерного оплавления поверхности заготовки и снижения содержания газов в поверхностном слое, оплавление поверхности заготовки ведут в два прохода с изменением направления перемещейия оплавленной зоны на обратное при втором проходе, причем первый проход осуществляют co скоростью перемещения зоны 3,9 — 4,2 мм/с при линейной плотности тока дуги 1,9 — 2,2 А/мм диаметра заготовки, а второй проход — со скоростью 3,7 — 4,1 мм/с при линейной плотности тока дуги 2,5 — 2,9 А/мм, между проходами осуществляют выдержку в течение

12 — 20 с, при этом на дугу накладывают постоянное магнитное поле, аксиальное продольной оси заготовки, напряженность которого равна 3300-4000 Аlм, 1749279

На лрвненность наг нитного поли,А/мм

Сойервамне газов,4, на глубине, нн

1-2

33алнчне трез!им нв глубине, >в>

Скорость перемещение, мм/с

Орем н выдержки заготовки> с

3-5 вниэ вверх

Кислород дзот

Азот Кислород

3-2 3-5

1

2

1

1

2

1

2

1 l

1

0,028 " 0,002

0,029 0,002

0.,021 ll>002

0,024 0,002

l0

14 а

Составитель Ф.Феоктистов

Техред М.Моргентал Корректор О,Кравцова

Редактор Н.Гунько

Заказ 2566 Тираж . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретенйям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-353 Раушская наб., 4!5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

Опыт 3Ь>нейнав олотность тока, 4/мн, при перемещении

ы р вниз 1 вверх — — " — 4---"

Предпвга- . еный

1 19 25, 2 2,0 2,7

3 2,2 2>9 . 4 1 ° 8 2,7

5 2,3 2,7

6 2,0 2,4

7 20 30

8 2,0 . 2,7

9 . 2,0 2,7

10 2,0 2,7

11 2,0 2,7

12 2 D 27

13 2 О 2>7

14 .2,0 2>7

15 20 . 27

33эвес тный

16 7

17 .7

3 9

4,2

4

4

3,8

4 3

4

4

3>7 3300

4 . 3700

4,1 4000

4 3700

4 3700

4 3700

4 3700

4 3700

3.6 3700

4,2 3700

4 3260

4 4050

4 3700

12

17

17

17

17

l7

37

17

17

17

17

17

31

0,004

0,005

0.004

0,022

0,023

0,024

0,022

0„026

О,Э24

0,021

0,026

0,027

0,026

0,02

0,021

0,00!

0,001

0,0009

0,002

0 003

0,002

0,002

0,003

0,003

0,002

0,002

0,002

0,003

0,003

0,002

0,005

0,004

0,003

0,028

0,О28

0,029

0,028

0,023

0,026

0,027

0,028

0,029

0,03

0,029

0 > 03

0,001

0,0008

0,001

0,002

0,003

0,003

0,003

0,002

О;003

0,003

0,003

0,002

0,003.

0,002

0,002