| Формула изобретения Способ изготовления слитков булатной стали, характеризуется тем, что расплав содержащий 1-4% углерода, остальное железо, перегревают над линией ликвидус на 200-650°С и под слоем шлака выдерживают с постоянной температурой в течении 4-7 час, затем перегретый и выдержанный расплав заливают в футерованную изложницу центрифуги с заполнением всего объема изложницы от центра до внешней ее стенки, вращают изложницу центрифуги с постоянной скоростью для обеспечения коэффициента гравитации в периферийной части изложницы от 20 до 300, при обеспечении объемного равномерного охлаждения расплава со скоростью охлаждения не более 5°С/с, а затем после охлаждения отливки в изложнице до температуры 730°С центрифугирование прекращают и далее отливку охлаждают естественным путем, при этом величину перегрева расплава вместе с футеровкой излонсницы устанавливают обеспечивающей прохождение процессов кристаллизации в силовом гравитационном поле до достижения расплавом температуры начала процессов кристаллизации в обычных условиях. |
Область техники
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для производства слитков булатной стали, предназначенных для изготовления особо прочных деталей, режущего инструмента и холодного оружия. Булат, это литая углеродистая сталь, обладающая естественным узором и не об кновенна, высокими свойствами.
Предшествующий уровень техники
Первым подробно описал литой индийский булат, или вутц, русский ученый Павел Петрович Аносов, опубликовавшем в 1841 году сочинение «О булатах» «Булатом называется, писал он, сталь, имеющая узорчатую поверхность: на некоторых булатах узор виден непосредственно после полировки, на других же— не прежде, как поверхность подвергается действию какой-либо слабой кислоты». Установлено, что булаты содержат много углерода— 1,2— 1,7%. В отдельных образцах булата найдено 2% углерода и даже больше. Значит, индийский булат не обычная углеродистая сталь, а «сверхуглеродистая». Известно, что с увеличением содержания углерода в стали ее твердость, износостойкость и прочность после закалки возрастают. Этим объясняется высокая прочность булатных клинков. Наряду с прочностью, ш ийский булат обладал высокой пластичностью, вязкостью и упругостью. Булатная сабля легко сгибалась на 90— 120°, не ломаясь.
Индийский булат поставлялся в виде разрубленной пополам лепешки литой стали— вутца. Вутц имел диаметр примерно 12,5 см, толщину около 1 см и массу примерно 1 кг. Характерно, что вутц, также как и откованные клинки, имел естественный рисунок. Булатные слитки имели своеобразные узоры, не похожие на рисунок на готовых клинках. Какова природа естественного узора на изделиях из литой стали? Почему его характер определял свойства этой стали? Как в древности умудрялись ковать «сверхутлеродистуто» сталь, близкую по составу к чугуну? Чем объясняется необыкновенная острота лезвий булатных клинков? Почему методами современной металлургии невозможно выплавлять сталь, подобную древнему булату?
Известны SU . s 1079337 от 15.03.1984 на «Способ формирования булатного узора в стальной заготовке»; SU 1668423 от 07.08.1991. на «Способ изготовления булатной стали», патент SU s 1823882 от 23.06.1993 на «Способ получения булатной стали (его вариантов)». RU Na 2022686 от 15.11.1994 на «Способ изготовления слитков булатной стали», RU Jfs 2051184 от 27.12.1995 на «Способ изготовления булатной стали», RU 2051977 от 10.01.1996 на «Способ получения булатной стали», RU Ns 2103380 от27.01.1998 на «Способ изготовления булатной стали» (принят в качестве прототипа).
Известные работы по получению отливок булатной стали не обеспечивают получение комплекса свойств, которыми обладал булат, получаемый индийскими мастерами.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по получению стали, подобной древнему булату, за счет применения новой технологии получения композитной отливки булата в градиентном силовом поле центрифуги.
Достигаемый при этом технический результат заключается в получении булатной стали с сверхуглеродистой составом, близким по составу к чугуну.
Указанный технический результат достигается тем, что способ изготовления слитков булатной стали, характеризуется тем, что расплав содержащий 1-4% углерода, остальное железо, перегревают над линией ликвидус на 200-650°С и под слоем шлака выдерживают с постоянной температурой в течении 4-7 час, затем перегретый и выдержанный расплав заливают в футерованную изложницу центрифуги с заполнением всего объема изложницы от центра до внешней ее стенки, вращают изложницу центрифуги с постоянной скоростью для обеспечения коэффициента гравитации в периферийной части изложницы от 40 до 300, при обеспечении объемного равномерного охлаждения расплава со скоростью охлаждения не более 5°С/с, а затем после охлаждения отливки в изложнице до температуры 730°С центриф гирование прекращают и далее отливку охлаждают естественным путем, при этом величину перегрева расплава вместе с футеровкой изложницы устанавливают обеспечивающей прохождение процессов кристаллизации в силовом гравитационном поле до достижения расплавом температуры начала процессов кристаллизации в обычных условиях.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Описание фигур чертежей
Для лучшего понимания изобретения ниже приведен чертеж, на котором:
на фиг. 1 - схема разреза отливки и градиентность твердости по сечениям в соответствие с таблицей 1.
Лучший вариант осуществления изобретения
Согласно настоящего изобретения рассматривается способ изготовления слитков булатной стали путем получения композитной отливки булата в градиентном силовом поле центрифуги. Авторами изобретения показано, что при кристаллизации расплавов в силовом градиентном поле центрифуг создаются предпосылки к формированию металлического слоистого композита. При этом в течение времени существования расплава выше ликвидус в каждом круговом сечении вращающейся изложницы процессы кристаллизации происходят при соответствующему радиусу коэффициенте гравитации, обеспечивая, при прохождении фронта кристаллизации, форсированную диффузию, преимущественную кристаллографическую ориентацию кристаллов, величину сформированного зерна и плоское перемещение двухфазной зоны фронта кристаллизации от внешней стенки изложницы к центру. В каждом круговом сечении отливки от внешней кольцевой стенки изложницы к центру при кристаллизации в градиентном силовом поле центрифуги, формируется своя, уникальная структура, придавая отливке свойства металлического композита, в том числе характерное многообразие узоров. Процессы, происходящие при подобной кристаллизации металлов и сплавов подробно описаны авторами в патентах RU N2K2 2296175, 2312156, 2299924. Для опытного подтверждения изобретения был выполнен ряд плавок углеродистой стали.
При этом шихту или мастер сплав расплавляют с перегревом над температурой ликвидус на 200-650°С. В процессе плавления используют шлак, защищающий покрываемый им металл от воздействия газовой среды печи. В качестве сшггетического шлака может быть использован плавиковый шпат, оксиды Са, А1, и пр. материалы. Можно использовать также известь, двуокись кремния и др.
В процессе приготовления расплава в него вводят раскислитель, например двуокись кремния Si02 (приблизительно 30%) и окись алюминия А Оз (приблизительно 70%)
Далее перегретый и рафинированный расплав без соприкосновения струи расплава с воздухом заливают во вращающуюся изложницу ротора центрифуги. Термодинамические характеристики футерованной изложницы обеспечивают скорость охлаждения залитого расплава не более 5°С/с. Футеровка перед подачей расплава прогревается до 300-400°С. Величина перегрева расплава должна обеспечивать, вместе со скоростью охлаждения залитого сплава в изложнице, время нахождения расплава в жидкой фазе достаточного для прохождения процесса кристаллизации в силовом, градиентном поле центрифуги до начала процессов кристаллизации в обычных условиях. Скорость вращения ротора центрифуги обеспечивает величину коэффициента гравитации у внешней кольцевой стенки изложницы в диапазоне 20-300. Изменяя в названном диапазоне величину коэффициента гравитации, получаем заданную величину изменения свойств сечений металлического композита. Перегретый расплав заливают во вращающуюся изложницу ротора центрифуги до полного заполнения полости изложницы от дальней кольцевой стенки изложницы до центра. Центрифугирование продолжается до достижения остывающей отливки температуры завершения всех процессов кристаллизации в обычных условиях.
Для решения этой задачи предлагается метод, суть которого состоит в следующем.
Слабоперегретый расплав с содержанием углерода от 1 до 4%
,остальное железо, с минимальным содержанием примесей( чем меньше примесей , тем выше качество булатной стали.), перегретый над линией ликвидуса на 250- 650 С выстаивается под слоем шлака в течении 5-7 часов с постоянной температурой и после рафинирования тем или иным методом, заливается в изложницу радиуса R с термодинамическими характеристиками, обеспечивающими объемное охлаждение расплава со скоростью не выше 5°С/с, вращающуюся с постоянной скоростью, обеспечивающей в точке максимального радиуса изложницы значение выбранного коэффициента гравитации от 20 до 300. В зависимости от требуемой структурной неоднородности (характер потребного узора) величина перегрева заливаемого расплава вместе со скоростью охлаждения расплава в данной изложнице должна обеспечить завершение процесса кристаллизации расплава в силовом поле центрифуги до наступления процессов кристаллизации в обычных условиях. Количество заливаемого расплава обеспечивает полное заполнение изложницы от центра до внешней стенки изложницы. Кристаллизация расплава происходит в градиентном силовом поле центрифуги, распределенном по величине коэффициента гравитации от 9,8 в центре изложницы и до максимального заданного значения у внешней стенки изложницы. При этом в ходе кристаллизации в каждом круговом сечении отливки, происходят процессы форсированной диффузии, формирования кристаллографической ориентации, формирования зеренной структуры при соответствующем данному значению радиуса R коэффициенте гравитации, что предопределяет особенности структуры и величину зерна при преимущественной кристаллографической ориентации кристаллов а, следовательно, и основных физико-механических свойств в каждом круговом сечении отливки. Образуется металлический слоистый композит.
Далее дается выдержка во времени, необходимая для остывания отливки во вращающейся с постоянной скоростью изложнице центрифуги до температуры завершения естественных процессов кристаллизации - 830°С. После завершения этих процессов, вращение прекращается, и после естественного остывания отливка извлекается.
Дальнейшая обработка слитков осуществляется с нагревом до
температуры 720 - 750 С.
Установка, реализующая предлагаемое изобретение, представляет собой центрифугальную машину с вертикальной осью, на которой закреплен вращающийся ротор с изложницей. Ротор приводится во вращение электродвигателем с регулируемой скоростью вращения. Заданная скорость вращения ротора центрифуги стабилизируется специальной электронной системой стабилизации заданных оборотов. Нужные термодинамические характеристики изложницы кристаллизатора, обеспечивающих скорость охлаждения не выше 5°С/с, обеспечиваются констр ктивным исполнением футеровки изложницы и предварительным подогревом внутренней поверхности изложницы, перед заливкой расплава, пламенем газовой горелки до 250-300°С. Корпус ротора выполнен из констр кционной стали толщиной 5 мм и состоит из нижней несъемной части и верхней, съемной крышки. Внутренняя часть несъемной части и крышки содержат футеровку толщиной 25 мм, сформированную из смеси шамотной крошки, огнеупорной глины и графита в пропорции 7/3/2, для придания изложнице нужных термодинамических характеристик, а также 5 мм слой графита, для защиты футеровки от теплового удара при заполнении изложницы расплавом.
Расплав при экспериментах приготовлялся в графитовом ковше индукционной печи, под слоем флюса (расплав зеленого промышленного стекла с добавкой извести) и перед заливкой во вращающуюся изложницу кристаллизатора выдерживался при температуре 1600°С в течении 4 часов. Перед заливкой производилось раскисление алюминием. При этом температура падала до 1560 ...1580°С. После очистки зеркала расплава от продуктов раскисления, производилась заливка его в изложницу вращающегося кристаллизатора.
Были выполнены три группы плавок по две в каждой серии с двумя режимами кристаллизации, при различном составе шихты. В качестве шихты (мастер-сплава) в одной группе плавок использовалась высококачественная инструментальная сталь У12А, в другом - низкоуглеродистая сталь с белым заэвтектическим чугуном в соотношении 50:50, в третьем низкоуглеродистая сталь зауглероженная графитом до 1,7% углерода. При проведении плавок третьей группы, низгоуглеродистая сталь предварительно была подвергнута очистке по нашему методу (RU N° 2312156) и фактически представляла из себя технически чистое железо. В одном режиме кристаллизации обороты ротора центрифуги обеспечивали максимальное значение коэффициента гравитации равного 200, во втором режиме максимальное значение коэффициента гравитации задавалось равным 60. Температура заливаемого расплава составляла 1560 ...1580°С. По истечении 30 мин вращение ротора с расплавом прекращалось и происходило охлаждение отливки до комнатной температуры.
Отливку в виде диска разрезали по радиусной образующей на сегменты-образцы (заготовка 1, заготовка 2. заготовка 3, заготовка 4) (фиг. 1), на которых проводились исследования структуры и проводились экспериментальные ковки, прокатка и прессование образцов. Качество узора отливок проверялось на шлифе травлением в растворе хлорного железа 15% в несколько приемов по десятку секунд с промежуточной шлифовкой (таблица 1, а которой представлены данные по твердости по окружным сечениям 1, 2,. 3, 4, 5, 5, 7. 8 отливки стали У12А, фиг. 1).
Таблица 1
jvfo сечения HRC
отливки
1 50-52 2 64-65
3 80-84
4 70-74
5 67-70
6 68-72
7 64-68
8 65-60
Механическая обработка полученных слитков осуществлялась с предварительным нагревом до температуры 700-750°С. Полученные слитки булата имеют широкую гамму характерных узоров, удовлетворительно обрабатываются (ковка и прокат) и обладают высокими характеристиками прочности и гибкости.
Результаты проведенных опытных отливов слитков булатной стали при различных вариантах химсостава и величине коэффициента гравитации в процессе кристаллизации показали, что решающим звеном технологии получения булатной стали с высоким свойствами прочности, пластичности и гаммы узоров является изобретенный и предлагаемый способ получения отливок булатной стали при кристаллизации в градиентных силовых полях центрифуг.
Промышленная применимость
Настоящий способ позволяет изготавливать композитные отливки булатных сталей с градиентными по радиусу свойствами, обладающие всеми свойствами знаменитых булатов, высоким содержанием углерода, характерным многообразием узоров, высокой прочностью при высокой пластичности в отливках и готовых изделиях после обработки давлением и ковкой. Полученные полуфабрикаты найдут применение при изготовлении особо прочных деталей машин и механизмов, уникального ряда режущего инструмента и холодного оружия со свойствами на тысячи лет забытыми.