VÝSLEDKY DOSAŽENÉ PRI ELEKTROSTRUSKOVÉM PRETAVOVÁNÍ NÁSTROJOVÝCH OCELÍ THE RESULTS REACHED AT ELECTRO-SLAG REMELTING OF TOOL STEELS Pavel Horecka a Ladislav Jílek b a VÍTKOVICE, a. s., Pohranicní 20, 706 02 Ostrava - Vítkovice, CR, E-mail pavel.horecka@vitkovice.cz b VÍTKOVICE, a. s., Pohranicní 20, 706 02 Ostrava - Vítkovice, CR, E-mail ladislav.jilek@vitkovice.cz Abstrakt Strucný popis zarízení pro ESP ve VÍTKOVICE - Výzkum a vývoj, spol. s r. o. Postup pretavování a následného kování nástrojových ocelí. Výsledky metalografických rozboru, hodnocení mikrocistoty. Výsledky dosažené pri provozním nasazení nástroju vyrobených z pretavených ocelí. Abstract The brief description of ESR device in VÍTKOVICE R&D. Remelting and forging of tool steels. Results of metalographical examinations and testing of microcleanes. The results reached during practical using of tool made of remelted steels. 1. ÚVOD Zvyšování životnosti nástroju je duležitým cílem mnohých výrobních závodu. Hlavní tlak vyvíjejí výrobci automobilu a jejich subdodavatel. vetšiny kováren i dalších oblastí strojírenské výroby, predevším tech, které vyrábejí pro automobilky, ponevadž jde o hromadnou výrobu. V této oblasti pusobí silné tlaky na snižování ceny, pricemž náklady na nástroje zde predstavují nezanedbatelnou položku. Životnost nástroju lze zvyšovat nekolika zpusoby: volbou jiného materiálu nebo modifikaci stávajícího materiálu, úpravou tepelného zpracování, zvyšování jakosti povrchové vrstvy chemicko-tepelným zpracováním nebo zpracováním laserem a nekolika dalšími zpusoby. Mezi nejosvedcenejší metody patrí elektrostruskové pretavování (ESP), kterým se zvyšuje cistota osvedcených nástrojových ocelí. 2. POPIS VYBUDOVANÉHO ZARÍZENÍ Používáme jednosloupové zarízení s pohyblivým krystalizátorem a pevným dnem, které je schématicky znázorneno na obr. 1. Zarízení se skládá z vozíku (1), na nemž je postavena medená vodou chlazená kokila krystalizátor (2). Rovnež medené dno krystalizátoru (3), umístené na vozíku, je chlazeno vodou. Do krystalizátoru zasahuje elektroda (4), která je uchycena v horním držáku (5). Držák se pohybuje po sloupu stroje (6). Na sloupu se pohybuje i dolní držák (7), která zvedá krystalizátor a to jak v prubehu pretavby, tak pri stripování. Ke dnu krystalizátoru je pripojen jeden pól od zdroje proudu, druhý pól je pripojen k držáku elektrody. Zdrojem proudu je vícestupnový transformátor, který umožnuje pracovat s proudem až 14 ka ve 20 napetových stupních 29 až 80 V. 1
Obr.1 Schéma zarízení pro ESP postaveného ve VÍTKOVICÍCH V&V Fig. 1 Schematic chart of the device built in VÍTKOVICE R&D Jde tedy o zarízení s posuvným krystalizátorem. Predností tohoto usporádání je, že umožnuje vyrábet dlouhé ingoty bez nutnosti používat drahý dlouhý krystalizátor. Výhoda dlouhých ingotu je zrejmá z obr. 2, na kterém je znázorneno využití pretaveného slitku v závislosti na jeho rozmerech. využití (%) 100 90 Obr. 2. Závislost využití pretaveného slitku na jeho prumeru a délce [1] 80 70 Ø 400 Ø 500 Ø 600 Ø 1000 Fig. 2. Good useable part of the ingot in dependence on ingot diameter and length 0 01 2 3 4 délka ingotu (m) 5 Je zrejmé, že štíhlejší slitek má vyšší využití. Rešení uvažuje s využíváním zejména lité elektrody o maximální hmotnosti 2500 kg. Zatím máme k dispozici krystalizátor o prumeru vnitrním 440 mm a výšce 1050 mm. Prevážne používáme vlastní elektrody prumeru 300 mm o hmotnosti 1650 kg. Pretavený slitek má hmotnost okolo 1150 kg. Pretavené slitky z nástrojových ocelí se musí podrobit rízenému vychlazování. Pro tuto operaci byla porízena elektrická vozokomorová pec s automatickým rízením fy LAC Rajhrad. Je tak vytvoren výrobní cyklus výroby a zpracování oceli - výroba elektrod konvencním zpusobem - elektrostruskové pretavení další zpracování (TZ, kování na požadovaný rozmer apod.). 2
Pohled na zarízení je na obr. 2 a 3. Obr. 2. Pohled na zarízení ESP Fig. 2. View of our ESR device Obr. 3. Pretavování elektrody Fig. 3. Remelting of an electrode Máme rovnež zvládnuto pretavování kontislitku prumer 320 mm a elektrody ve forme kované tyce. Režim vychlazování se rídí znackou oceli a obsahem vodíku. Došli jsme k poznatku, že v prípade zvýšeného obsahu vodíku musí být režim vychlazování mnohem pomalejší než u konvencních ingotu srovnatelných rozmeru. Lze to vysvetlit tím, že vmestky a jiné strukturní nehomogenity pusobí jako tzv. pasti, muže se v nich hromadit vodík. Po elektrostruskovém pretavení je techto nehomogenit minimální množství a je tedy vetší nebezpecí popraskání vlivem zvýšeného obsahu vodíku. 3. TECHNOLOGIE PRETAVOVÁNÍ Elektrodu je treba predem upravit tak, že se na dolním konci vytvorí startovací kolík. Je vhodné ho predlít. Horní konec je treba upravit tak, aby se mohl uchytit do celistí držáku elektrody. Do krystalizátoru nasype vhodná struska predehrátá na 600 C. Z doporucovaných rafinacních strusek, byly zvoleny dva druhy. Oba se skládají z tavidla kazivce a oxidické složky. V prvém prípade je oxidickou složkou oxide hliníku v pomeru CaF 2 : Al 2 O 3 7:3. Tato struska se nazývá univerzální. Oxidická složka u druhého typu strusky je tvorena kombinací oxidu hliníku a oxidu vápníku s pomerem CaF 2 : Al 2 O 3 : CaO - 6:2:2. Tato struska má vyšší rafinacní úcinek. Po vsypání strusky se zapne proud a zacíná prvá fáze zvaná startování. Trvá okolo pul hodiny. Na jejím konci dochází k roztavení strusky a zacne vlastní proces pretavování, který je znázornen na obr. 4. Na konci elektrody, který zasahuje do strusky, se vytvárí natavená vrstvicka, která stéká a odkapává. Na roztaveném povrchu, který je ve styku se struskou, 3
dochází k rafinaci. V krystalizátoru se vytvárí tekutá lázen, v níž dochází k vyplouvání hrubých vmestku. Pod ní ocel usmernene tuhne. elektroda Obr. 4. Schéma prubehu pretavování roztavená struska Fig. 4. Scheme of remelting process krystalizátor roztavený kov natavená vrstva likvidus utuhlý kov solidus Podle [3] pri elektrostruskovém pretavování dochází k rafinaci dvema mechanizmy: vyplouváním vmestku a chemickou reakcí. Chemická reakce probíhá na povrchu elektrody, kde je vrstvicka roztaveného kovu velmi tenká, na povrchu kapky a na rozhraní roztavená kovová lázen struska. K vyplouvání vmestku dochází v lázni. Pokud je lázen vpohybu, je vyplouvání ztíženo. Malé vmestky o velikosti pod 10 µ jsou odstranovány predevším prvým mechanismem, u vmestku nad 10 µ se uplatnují oba mechanismy. V roztaveném kovu probíhají odsirující reakce: [S] + (CaO)? (CaS) + [O] (CaS) + 3/2 {O 2 }? (CaO) + {SO 2 } Dále dochází k dezoxidaci podle vztahu: [Ti] + 2[O]? (TiO 2 ) 2[Al] + 3[O]? (Al 2 O 3 ) [Si] + 2[O]? (SiO 2 ) Podle [2] dochází i k odstranování vodíku 2(OH - )? {H 2 O} + (O 2- ) 2(OH - ) + C grafit? {H 2 O} + {CO} e - Dle našich zkušeností jsou odsirování a oxidace významné, zmena obsahu vodíku však je malá, což souhlasí i se zahranicními poznatky [4]. Zatímco odsírení je jev žádoucí, oxidace je jev nežádoucí. K jejímu omezení se vetšinou do lázne pridává hliník. Na našem zarízení máme dávkovac na hliník ve forme krupice. 4
4. VÝVOJ CHEMICKÉHO SLOŽENÍ Porovnání zmeny chemického složení u taveb nástrojových ocelí je uvedeno v tabulce 1. Tabulka 1. Zmena chemického složení pri pretavování nástrojových ocelí Table 1. Changes in chemical composition during remelting process C Mn Si P S Ni Cr Mo V Al W tavba celk. CSN, GOST % 19554 0,40 0,50 1,02 0,025 0,009 4,97 1,16 0,87 R16 0,38 0,50 0,94 0,027 0,005 4,86 1,08 0,94 19554 0,39 0,40 0,97 0,023 0,008 5,16 1,16 0,93 R22 0,41 0,39 0,87 0,025 0,004 5,34 1,15 0,95 19663 0,55 0,74 0,47 0,019 0,016 1,44 0,98 0,33 0,13 0,028 R17 0,56 0,69 0,42 0,018 0,005 1,44 0,98 0,32 0,13 0,017 19663 0,55 0,73 0,45 0,022 0,014 1,62 1,24 0,34 0,16 R24 0,003 Kov 19663 0,57 0,82 0,18 0,012 0,003 1,65 1,10 0,5 0,09 R28 0,57 0,82 0,18 0,015 0,002 1,63 1,10 0,52 0,09 0,016 19678 0,28 0,37 0,27 0,016 0,012 4,06 0,65 1,21 R26 0,29 0,38 0,30 0,011 0,006 3,89 0,69 1,27 19735M 0,68 0,47 0,36 0,018 0,014 1,13 0,26 2,21 R19 0,69 0,45 0,36 0,019 0,007 1,09 0,25 2,23 38ChN3MFA 0,37 0,50 0,29 0,020 0,011 3,18 1,34 0,36 0,15 R35 0,37 0,33 0,23 0,015 0,002 3,00 1,31 0,39 0,13 38ChN3MFA 0,36 0,35 0,27 0,015 0,009 3,04 1,30 0,40 0,14 R36 0,37 0,35 0,33 0,014 0,002 3,09 1,31 0,40 0,14 38ChN3MFA 0,37 0,36 0,32 0,016 0,010 3,11 1,27 0,39 0,14 R37 0,36 0,49 0,25 0,020 0,002 3,00 1,30 0,37 0,14 obsah síry(%) 0,02 0,015 0,01 0,005 Obr. 5. Snížení obsahu síry pri elektrostruskovém pretavování Fig. 5. Reduce of the sulphur content during remelting process 0 R13 R16 R17 R18 R19 R22 R24 R25 R26 R28 R30 císlo tavby elektroda elektroda vakuovaná struska 7:3 struska 6:2:2 Zmena obsahu síry je na obr. 5. Lze ríci, že pri elektrostruskovém pretavo-vání se obsah legur témer nemení, obsah síry se snižuje dvakrát až trikrát. Provedený pocet taveb nedovoluje vyslovit širší závery. 5
U nekolika taveb byla provedena chemická analýza struskových kolácu po pretavení, výsledky jsou v tabulce 2. Na grafu obr. 6 je pak uvedena zmena chemického složení strusky v prubehu pretavování. Tabulka 2 Chemické složení strusky po pretavení Table 2 Chemical composition of slag after remelting tavba C S CaO SiO 2 Al 2 O 3 MgO MnO FeO Cr 2 O 3 P 2 O 5 CaF 2 % R11 0,04 0,044 5,69 3,67 16,48 0,33 0,39 0,23 0,02 0,01 73,95 R12 0,03 0,027 5,57 1,96 13,56 0,32 0,11 0,15 0,04 0,01 75,18 R13 0,03 0,027 6,05 3,03 15,31 0,38 0,40 0,19?0,01 0,01 75,26 R19 S 0,03 0,024 10,12 2,12 27,80 0,17 0,23 0,17 0,01?0,01 59,59 K1 0,02 K2 0,02 0,029 0,026 6,04 4,80 2,08 2,01 25,33 29,12 0,16 0,15 0,20 0,20 0,14 0,16?0,01 0,01?0,01?0,01 64,10 62,26 R22 0,03 0,021 26,69 4,40 30,78 0,57 0,13 0,12?0,01 0,01 37,31 R24 0,02 0,007 6,59 1,44 27,85 0,35 0,14 0,12 0,28 0,01 63,24 R24 0,03 0,005 4,39 1,29 27,52 0,41 0,12 0,04 0,18 0,01 64,56 R25 0,05 0,066 27,10 2,31 18,96 0,54 0,21 0,28?0,01 0,02 50,59 R26 0,02 0,012 7,12 2,11 25,85 0,43 0,20 0,14 0,02 0,01 63,05 R29 0,04 0,017 27,08 2,17 27,52 0,55 0,93 0,82 0,02 0,03 39,74 R30 0,02 0,040 6,29 3,99 17,13 0,29 0,60 0,15 0,04 0,01 70,36 U analýzy u tavby R19 byly z odebrány vzorky ze stredu koláce (S) a dvou protilehlých míst na okraji koláce (K1 a K2) % 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 200 400 600 800 1000 vzdálenost od paty (mm) CaO SiO2 Al2O3 CaF2 % 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 -- 0 200 400 600 800 1000 vzdálenost od paty (mm) C S MgO MnO FeO Cr2O3 P2O5 Obr. 6. Zmena chemického složení strusky behem tavení Fig. 6. Changes in chemical composition of the slag during remelting Na analýzách jsou zrejmé znacné rozdíly zejména v desulfuracní schopnosti, v bazicite i oxidacním potenciálu. Oxidacní potenciál rafinacní strusky bezpochyby v prubehu pretavování roste. Je zrejme duležité omezit interakce strusky s atmosférou. Problémem se ukázal i jeden z použitých druhu vápna. 6
5. HODNOCENÍ VNITRNÍ CISTOTY U nástrojových ocelí je duležitým kriteriem kvality vnitrní cistota. Prakticky všechny výkovky se kontrolují ultrazvukem. Je výhodné predem kontrolovat slitek, který je dobre prozvucitelný. Nekdy se v patní cásti objeví indikace. Výskyt vad zrejme souvisí s tím, že na pocátku pretavování se ješte nevytvárí dostatecne hluboká lázen a vmestky nemají vhodné podmínky k vyplouvání. Dále bylo provedeno šetrení požadované u uživatelu nástrojových ocelí ocelí. Bylo provedeno: - vyhodnocení mikrocistoty podle ASTM E45. - hodnocení karbidické rádkovitosti podle VDG Merkblatt M83/93 nebo Nadca 207-2003 - stanovení velikosti puvodního?-zrna podle Nadca 207-2003 Výsledky jsou shrnuty v tabulce 3 a tabulce 4. Tabulka 3. Mikrocistota vybraných taveb podle ASTM E45-87 Table 3. Microcleaness of tested charges in accordance with ASTM E45-87 tavba Maximální znecištení (metoda A) Typ A sulfidy Typ B hlinitany Typ C kremicitany Typ D globulární oxidy Jemné hrubé Jemné hrubé Jemné hrubé jemné hrubé ASTM 1 0,5 1,5 1 1 1 2 1 E45-87 R16 1-1 - - - 1 - R17 1 1 1 - - - 1 1 R22 1 1 1,5 1,5 - - 1,5 - R26 1 1 1,5 1 - - 1 - R27 1-1,5 - - - 1 - Tabulka 4. Karbidická rádkovitost a velikost puvodního?-zrna G Table 4. Carbide distribution (carbide strings) and primary austenitic grain size tavba karbidická rádkovitost velikost podle Merkblatt podle NADCA puvodního?-zrna G R16 6-7 dle st. prokování R22 AS7, popr.as5 7, místy 5 R26 AS7, popr.as6 5 R28 AS6 7 Je videt, že pretavením se zlepšují všechny ukazatele cistoty. Je treba podotknout, že elektrody pro zkoumané tavby byly vyrobeny bez vakuování. Pokud by byly vakuované, byly by výsledky lepší. Zkoumali jsme i potrebný stupen prokování. Ten má, jak známo, zarucit dobrou ultrazvukovou kvalitu tím, že se odstraní prípadné vnitrní necelistvosti, a dále má zarucit rozrušení výchozí licí struktury. Pokud jde o ultrazvukovou kvalitu, je zarucena již pri malém stupni prokování. Pokud však jde o rozrušení licí struktury, pak je nutné konstatovat, že 7
k rozdrobení hrubých karbidu u nástrojových ocelí je treba stejný nebo jen o málo menší stupen prokování, jako pri kování z konvecne litých ingotu. 6. ZÁVER Dosavadní zkušenosti s provozem zarízení pro elektrostruskové pretavování nám umožnuje konstatovat, že pretavoení zajištuje:?? Usmernené tuhnutí?? Nulové makrosegregace, malé mikrosegregace?? Homogenní karbidické sítoví?? Zvýšenou cistotu (hlavne omezuje výskyt oxidu), obecne je možné ríci, že množství vmestku se snižuje 2 až 7 krát.?? Isotropické vlastnosti?? Nízký obsah síry, pri pretavování se puvodní obsah síry snižuje nejméne dvakrát. Máme i prvé výsledky z provozního nasazení. Pri kování pomerne složitého zápustkového výkovku o hmotnosti cca 8 kg, který se kove tremi soupravami nástroju, životnost nejvíce namáhaných nástroju vyrábených z oceli 19 663 puvodne cinila 2000 kusu. Použitím stejného materiálu, ovšem elektrostruskove pretaveného, se jejich životnost zvýšila na 3500 kusu a vyrovnala se životnosti ostatním nástroju v lince, což prineslo další efekt. Dá se ocekávat, že podobný efekt prinese nasazení techto materiálu i v jiných závodech. LITERATURA 1. ESU New Technologies. Firemní literatura INTECO, Bruck am Mur, Rakousko 2. TINCE F., LANGNER, K. Effect of current frequency failure on the soundness of an ESR ingot. In Sborník z konference 12 th International Forgemasters Meeting, Forging Industry Education and Research Foundation, Cleveland,1994, ref. 9.3. 3. MATTAR T., EL-FARAMAVY H., FATHY, A.: Behaviour of non-metallic inclusions during ESR of tool steels. 7. Elektrokonference, kveten 2002, Benátky 4. OKAMURA, M., HIROSE, K., MAEDA, M. Manufacturing of gigantic high alloy ingot by ESR. In Sborník z konference 13 th International Forgemasters Meeting. Societá della Fucine, Terni, Federacciai, 1991, ref. III.2. 8