Способ моделирования внутренних дефектов металла и их залечивания в процессах ОМД

КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ моделировании процессов прокатки, ковки и прессования. Задача изобретения - создание модели слитка с дефектами, соответствующими действительному,реальному объекту и методики исследования залечивания внутренних дефектов. Технический результат достигается тем, что естественные дефекты получают в процессе изготовления модели в виде газовых пузырей при разливке и кристаллизации металла, путем введения в расплав раскислителя,способствующего активному выделению газовой фазы. Для придания газовым пузырям сферической формы в центральную часть изложницы, перед заливкой жидкого металла, устанавливается стержень из материала, заливаемого в изложницу. Застывшую модель слитка подвергают неразрушающему контролю в двух взаимно перпендикулярных направлениях для определения ориентации,исходного положения и размеров дефектов газовых пузырей.(72) Найзабеков Абдрахман Батырбекович Исаенко Валерий Васильевич Кулжабаева Айгуль Аманалиевна(73) Республиканское государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Карагандинский государственный индустриальный университет Министерства образования и науки Республики Казахстан(56) Охрименко Я.М.,Тюрин В.А. Неравномерность деформации при ковке М. Машиностроение, 1969, с. 184(54) СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВНУТРЕННИХ ДЕФЕКТОВ МЕТАЛЛА И ИХ ЗАЛЕЧИВАНИЯ В ПРОЦЕССАХ ОМД(57) Изобретение относится к металлургии, а именно к обработке металлов давлением, и может быть использовано при исследовании и 16276 Изобретение относится к металлургии, а именно к обработке металлов давлением, и может быть использовано при исследовании и моделировании деформирования литых заготовок в процессах прокатки, ковки и прессования, характеризующихся наличием дефектов естественного происхождения. Известен способ моделирования дефектов(Чижиков Ю.М. Теория подобия и моделирования процессов обработки металлов давлением. М. Металлургия, 1970, с. 296), включающий получение в заготовке искусственных дефектов путем сверления продольных отверстий. Недостатком этого способа является высокая трудоемкость, т. к. модель после деформирования подвергается разрезке, шлифованию, а степень закрытия дефекта определяли путем сравнения площадей его поперечного сечения до и после деформирования модели. Наиболее близким к предлагаемому способу является способ моделирования дефектов(Охрименко Я.М., Тюрии В.А. Неравномерность деформации при ковке. М. Машиностроение, 1969,с. 184), включающий получение в стальных образцах осевых отверстий и заполнение полученных отверстий чередующимися сплошными дисками и дисками с отверстиями малого диаметра. Недостатками данного способа является то, что осевое отверстие выполняется, как правило,сверлением заготовки, имеет минимальный диаметр 3-5 мм, что составляет порядка 5-10 от поперечного размера модели. Это не соответствует реальному соотношению размеров дефекта и слитка. Изготовленное сверлением отверстие представляет собой сплошную сквозную полость, что в принципе отличается от реальных дефектов литого металла газовых пузырей, микропор и других локальных несплошностей,представляющих замкнутые полости,ограниченные поперечными и продольными размерами. В процессе сверления нарушается схема равновесия внутренних напряжений в теле заготовки и возникают дополнительные остаточные напряжения,искажающие общую картину напряженнодеформированного состояния модели. Нарезка резьбы под внешние пробки еще более искажает напряженно-деформированное состояние модели. Технический результат предлагаемого способа заключается в создании модели с естественными дефектами литого металла, соответствующими действительному, реальному объекту, и разработке методики исследования залечивания (Гегузин Я.Е. Физика спекания. М. Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1967, с. 360 Сегал В.М., Павлик Д.А. Анализ условий залечивания микродефектов при горячей деформации литого металла// Кузнечноштамповочное производство, 1982,9, с. 6-9) внутренних дефектов неразрушающими методами. Это достигается тем, что в способе моделирования внутренних дефектов металла и их залечивания в процессах обработки металлов давлением, включающем формирование в модели слитка искусственных дефектов, деформирование 2 модели слитка с дефектами и исследование степени закрытия дефектов путем сравнения их размеров до и после деформирования, согласно изобретению,формирование искусственных дефектов осуществляют при разливке и кристаллизации металла путем введения в расплав раскислителя,способствующего активному выделению газовой фазы и формированию дефектов в виде газовых пузырей,для придания газовым пузырям сферической формы в центральную часть изложницы перед заливкой жидкого металла устанавливают стержень из материала, заливаемого в изложницу, застывшую модель слитка подвергают неразрушающему контролю в двух взаимно перпендикулярных направлениях для определения ориентации, исходного положения и размеров дефектов - газовых пузырей. Схема реализации способа моделирования представлена на фиг. 1. Схема образования газовых пузырей приведена на фиг. 2. Схема контроля газовых пузырей приведена на фиг. 3. Заготовка до деформирования приведена на фиг. 4. Заготовка после деформирования приведена на фиг. 5. Способ моделирования и залечивания дефектов в процессе обработки металлов давлением реализуют следующим образом В массивную,теплоизолированную предварительно нагретую изложницу (1) по центру устанавливают стальной стержень (2). В изложницу заливается непрерывной струей жидкий металл до полного заполнения объема изложницы. Изложницу 1 разбирают, отделяя донную часть (3) от стенок (4). Полученную модель слитка после остывания (5) подвергают сплошному контролю в 2-х взаимно перпендикулярных направлениях. Фиксируют с помощью контрольного прибора(6) местоположение и размеры дефектов (7). После этого модель слитка нагревают в печи до температуры обработки давлением и деформируют до заданной величины под бойками (8) прессовой установки. Процесс деформирования продолжается фиксированием после каждого обжатия размеров,формы и местоположения дефектов. Исходя из вышеизложенного, следует, что цель изобретения достигается применением в качестве модели раскиссленного металла с газовыми пузырями, по форме и размерам соответствующими с учетом масштабного фактора реальным, а исследование залечивания дефектов обеспечивается применением неразрушающих методов контроля. Пример 1. Изучали влияние конфигурации бойков на закрытие внутренних дефектов. В качестве исходных заготовок были взяты пробы на экспресс-анализ из конвертерного цеха ОАО Испат КарМет, представляющие собой цилиндрические слитки 36 мм и 100 мм. В процессе разливки создавались условия для интенсивного выделения газовой фазы (проводилось химическое раскисление пробы алюминием). Именно выделение газовых пузырей при раскислении стали и создает модели при застывании и кристаллизации металла дефекты,по природе и размерам соответствующие реальным слиткам. Введение в центральную часть изложницы 16276 стержня изменяет условия кристаллизации и придает газовым пузырям форму, близкую к сферической. Модель слитка после кристаллизации и извлечения из пробницы подвергли сплошному УЗК в 2-х взаимно перпендикулярных плоскостях и зафиксировали один из наибольших несплошностей дефект - газовый пузырь 2,12 мм ближе к поверхности металла. На модели слитка закрепляли уголковые прокладки толщиной 6 мм для удержания в замковых бойках. Собранный пакет нагревали в электрической камерной печи сопротивления. Инструмент для деформирования представлял собой прямоугольный контейнер с внутренними размерами, соответствующими размерам бойковых вставок. Между бойками и уголковыми вставками прокладывали асбест для снижения потерь тепла. Деформирование осуществляли поэтапно. Обжатие на этапах составило 3 мм для обеспечения возможности фиксирования траектории изменения положения и геометрии газового пузыря. После каждого обжатия осуществлялся ультразвуковой контроль в 2-х взаимно перпендикулярных направлениях. При закрытии газовых пузырей поверхность схлопнувшегося дефекта еще фиксируется неразрушающим контролем, так как является границей раздела сред металл - окисная пленка. После заваривания(залечивания) поверхность дефекта исчезает, так как окисная пленка разрушается и она не отражает контрольной волны, то есть становится невидимой. При степени обжатий 16-18 в объеме места исходного расположения газового пузыря отражение ультразвуковых колебаний не происходило. Это свидетельствует об исчезновении поверхности разъема сред, каковой являлись окисные пленки, и подтверждает заваривание дефекта. Пример 2. Были изготовлены 3 конусные изложницы квадратного поперечного сечения(фиг. 6). Изложница состоит из тела 2 и основания 3. На противоположных стенках тела изложницы в верхней части выполнены транспортировочные проушины 1. Внутренние размеры тела изложницы у нижнего основания - 45 х 45 мм, высота тела изложницы - 120 мм, толщина стенки - 10 мм. Конструкция стенок тела изложницы цельносварная. Угол наклона стенок тела изложницы - 7. Материал изложницы толстолистовой прокат из стали ст. 45. Тело изложницы 2 крепилось к основанию 3 посредством винтов с потайными головками. Для предотвращения приваривания жидкого металла к стенкам изложницы перед каждой заливкой внутренняя поверхность изложницы известковалась раствором гашеной извести с последующей просушкой до температуры 150 С. Для уменьшения обезуглероживания поверхностных слоев заливаемого в изложницу металла на известковый слой наносилась смесь графитового порошка с жидкой консистентной смазкой типа нигрол. Соотношение компонентов - 1/2. После нанесения графита изложницы также прокаливались при температуре 280-300 С. Заливка стали в изложницы осуществлялась в условиях разливочного пролета кислородно-конвертерного цеха ОАО Испат Кармет. Эксперимент проводился на серийной плавке стали 08 кп. В пробоотборную ложку помещали раскислитель - алюминий. Затем ложку подавали под струю сталеразливочного ковша. Раскисленный таким образом металл заливали в изложницу. Кристаллизация и остывание полученных моделей слитков(фиг. 7) осуществлялись в естественных условиях. Для улучшения условий ультразвукового контроля модельные изложницы с моделями слитка после кристаллизации залитого металла и остывания до 900 С резко охлаждали под проточной струй воды,добиваясь таким образом закалки и фиксирования мелкозернистой ферритно-перлитной структуры. Это обеспечивает малое рассеяние ультразвука(Гусев Е.А., Карпильсон А.Е., Потапов В.П. и др. Ультразвуковой и рентгеновский контроль отливок. М. Машиностроение, 1990, с. 208). После остывания модели слитков раздели, отделив поддон от тела изложницы. Извлечение моделей слитков свободное. Это обусловлено тем, что при охлаждении тела модели слитка появляется зазор между ним и стенами изложницы размером 0,3 мм. Раздетые модели слитков профрезеровали с верхнего и нижнего торцов, а затем вдоль боковых сторон до параметра шероховатости порядка 20 60. На фрезерованную боковую поверхность модели слитка нанесли ортогональную разметочную сетку с шагом 10 мм и провели ультразвуковой контроль в каждой ячейке на предмет выявления дефектов, их размеров и глубины залегания. Контроль полученных результатов осуществлялся эхометодом с помощью дефектоскопа УД-13 УР В 1 П 1 по ГОСТ 24507-80. Тарировка дефектоскопа осуществлялась с помощью контрольных образцов 1 КЫ 5.170.004 и ЗР Щ 08.899.248. Прозвучивание образцов осуществлялось раздельно-совмещенными прямым и наклонным преобразователями. Причем луч наклонного преобразователя при контроле сначала направляли слева направо, а затем справа налево для повышения вероятностей обнаружения различно ориентированных дефектов. Угол ввода луча наклонного преобразователя выбран равным 45. Это сделано для упрощения процедуры определения координат местонахождения дефекта и фиксирования дефектов, находящихся на вертикали под пересечениями ортогональной координатной сетки, нанесенной на боковую поверхность модельного слитка. Частота излучения (12) МГц. На фотографиях торцевой и боковой фрезерованной поверхностей видны вышедшие на поверхность дефекты в виде газовых пузырей(фиг. 8). Идентификация вида дефектов производилась по материалам фотоархива видов дефектов в сталеплавильной лаборатории ЦЗЛ ОАО Испат Кармет и атласам дефектов литой стали(Дефекты стали. Справочное издание // Под редакцией Новокщеновой С.М., Виноград М.И. М. Металлургия, 1984, с. 199). Дефекты имеют сферическую форму и произвольную ориентацию в пространстве. Размер дефектов составляет от 1,2 мм до 5 мм. Аналогичные результаты дал 3 16276 ультразвуковой контроль оценки расположения внутренних дефектов. Таким образом, получили дефекты в виде газового пузыря различных размеров. Это позволит в дальнейшем при исследованиях выбирать газовый пузырь необходимого размера и местоположения. Это обеспечивает соблюдение условия масштабного и физического моделирования. В узлах пространственной координатной сетки по осям , У иобнаружены газовые пузыри размером от 2 до 2,5 мм (дефекты 1 и 2 в таблице), а также газовые пузыри размером (4,5-5) мм (дефекты 3-7 в таблице). Таблица Пространственные координаты газовых пузырей в исходном слитке Порядковый номер линий ортогональной пространственной сетки Хо Предлагаемый способ позволяет снизить трудоемкость проведения эксперимента по сравнению с известным способом и дает точные представления о заваривании дефектов реального материала с применением неразрушающего метода контроля. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ моделирования внутренних дефектов металла и их залечивание в процессах обработки металлов давлением, включающий формирование в модели слитка искусственных дефектов,деформирование модели слитка с дефектами и исследование степени закрытия дефектов путм сравнения их размеров до и после деформирования, 4 отличающийся тем,что формирование искусственных дефектов осуществляют при разливке и кристаллизации металла путм введения в расплав раскислителя,способствующего активному выделению газовой фазы и формированию дефектов в виде газовых пузырей,для придания газовым пузырям сферической формы в центральную часть изложницы перед заливкой жидкого металла устанавливают стержень из материала, заливаемого в изложницу, застывшую модель слитка подвергают неразрушающему контролю в двух взаимно перпендикулярных направлениях для определения ориентации,исходного положения и размеров дефектов-газовых пузырей.