Содержание

Введение ……………………………………………………………………………....4

1. Химический состав и назначение стали марки ШХ15СГ ……………………….5

   1. Химический состав и назначение стали марки ШХ15СГ …………………...5

   2. Дефекты стали ………………………………………………………………….5

   3. Структура стали ………………………………………………………………...8

2. Требования к металлу открытой выплавки ………………………………………9

3. Анализ технологии открытой выплавки стали марки ШХ15СГ ………………11

4. Разработка технологии электрошлакового переплава стали марки

ШХ15СГ……………………………………………………………………………11

1. Требования к исходным материалам для ЭШП …………………………….11

2. Требования к расходуемым электродам …………………………………….12

3. Требования предъявляемые к флюсам ……………………………………....13

4. Подготовка установки электрошлакового переплава к плавке …………....14

5. Проведение электрошлаковой плавки …………………………………….....14

6. Охлаждение слитков электрошлакового переплава ……………………......15

7. Контроль качества слитков ……………………………………………..........15

8. Техника безопасности ……………………………………………….……….15

1. Выбор оборудования и расчет технологических параметров …………….…...16

   1. Определение геометрических размеров рабочего пространства ……..…...16

   2. Тепловой расчет плавки ……………………………………………….……...19

   3. Расчет электрических параметров плавки ………………………………......24

   4. Материальный баланс плавки ……………………………………………......28

2. Требования к дальнейшему переделу ……………………………………..….....33

Заключение ……………………………………………………………………….…..34

Библиографический список …………………………………………………….…...35

Приложение

Введение

Сегодня без высококачественного металла технический прогресс просто невозможен. В конце пятидесятых начале шестидесятых годов в практику электрошлакового производства были внедрены новые способы улучшения качества металла. Широкое применение получил один из ведущих и перспективных технологических процессов в области специальной электрометаллургии электрошлаковый переплав [1].

Электрошлаковый переплав является достаточно гибким процессом, так как, меняя сечение расходуемого электрода, состав применяемого флюса и его количества, а также электрические параметры процесса, удается довольно в широких пределах регулировать скорость плавки. Кроме того, при электрошлаковом процессе имеется возможность получения слитков разнообразного сечения (круглого, квадратного, прямоугольного с большим соотношением длин широкой и узкой сторон). Методом электрошлакового переплава можно получить отливки самой различной формой (полые заготовки, заготовки прокатных валков, сосудов высокого давления, крупной запорной арматуры высокого давления, заготовки коленчатых валов и шатунов судовых двигателей и некоторые другие изделия).

Основные преимущества электрошлакового переплава перед другими способами получения слитка методом переплава:

- простота его обслуживания;

- возможность управления наплавлением и скоростью кристаллизации слитка;

- отсутствие усадочной раковины и пористости;

- обеспечение такого качества поверхности, которое исключает необходимость в зачистке при горячей обработке;

- разнообразная геометрия электродов и кристаллизаторов позволяет получать слитки разнообразного сечения, фасонные отливки и полые изделия;

- хорошая рафинирующая способность процесса от неметаллических включений;

- возможность корректировки химического состава металла путем применения соответствующего флюса;

- повышение плотности металла;

- улучшение коррозионной стойкости металла;

- повышение однородности структуры и химического состава;

- общее улучшение характеристик пластичности и вязкости металла;

- возможность управления направлением и скоростью кристаллизации.

1 Химический состав и назначение стали марки шх15сг

1.1 Химический состав и назначение стали марки ШХ15СГ

Развитие точного машиностроения требует создания прецизионных приборных подшипников, обладающих высокой степенью надежности и долговечности, и обеспечивающих стабильный уровень выходных характеристик изделий в процессе длительной эксплуатации.

Эти параметры подшипников определяются преимущественно оптимальным сочетанием конструкторского решения, применяемыми материалами, свойствами используемых смазок и технологий изготовления деталей.

Таблица 1 – Химический состав стали ШХ15СГ, (ГОСТ 801–78) [2]

Массовая доля элементов
Элемент	С	Mn	Cu	P	S	Ni	Cr	Si
Нижний предел	0,95	0,90	не более				1,30	0,40
Верхний предел	1,05	1,20	0,25	0,035	0,02	0,3	1,65	0,65

Сталь марки ШХ15СГ служит для изготовления роликов диаметром свыше

30 мм и колец с толщиной стенки свыше 15 мм.

К подшипниковой стали, из которой изготавливают кольца, шарики и ролики подшипников качения, предъявляют очень высо­кие требования по плотности и однородности металла, содержа­нию неметаллических включений и отсутствию микро– и макронесплошностей.

Подшипниковая сталь, полученная в открытых дуговых элек­тропечах, имеет ряд таких внутренних дефектов, как повышенная пористость, грубые неметаллические включения, ликвационные участки, изредка встречаются дефекты типа «усадки» и др. При шлифовке колец часто обнаруживают «черные точки», представля­ющие скопления пор или включений. Эти дефекты могут распола­гаться в подповерхностном рабочем слое подшипника и вскры­ваться при работе, что приводит к резкому уменьшению срока службы подшипника.

Обеспечение этих требований приходится осуществлять в усло­виях достаточно массового производства металла в относительно крупных слитках (2…4 т). Если в сортовой подшипниковой стали, получаемой в открытых дуговых электропечах, в макроструктуре допускаются центральная пористость и точечная неоднородность 1,5…2,0 баллов по шкалам ГОСТ 801–60, то в металле ЭШП допускается структура, оцениваемая только баллом 1.

1.2 Дефекты стали

Наиболее трудной задачей при производстве подшипниковых сталей является необходимость обеспечения высокой чистоты металла по неметаллическим включениям, особенно в крупных профилях. На практике в первую очередь важно получение мелкодисперсных включений (не более 1,5 баллов шкал ГОСТ 801–60 для оценки оксидных, сульфидных и глобулярных вклю­чений).

Макроструктуру стали контролируют на образцах от заготовки пробного слитка по макротемплетам (шкала № 4 ГОСТ 801–47) и по продольному закаленному излому. Дополнительный контроль по продольному закаленному излому позволяет успешно выявлять такие дефекты металла, как перегрев, одиночные газовые пузыри и флокены, даже в том случае, если они частично заварились. Кроме того, контролируют макроструктуру готового проката по поперечному излому в состоянии поставки.

Излом стали в закаленном состоянии должен быть шелковистым, фарфоровидным, а излом горячекатаной отожженной или холоднотянутой стали однородным и мелкозернистым.

В шарикоподшипниковой стали считается недопустимым наличие остатков усадочной раковины, выявляемых на образцах от верхней части слитка, а также наличие центральной пористости с баллом выше 2,0, что служит основанием для забракования всех штанг сифона, соответствующих контролируемому образцу.

Присутствие пузырей в подкорковой зоне служит браковочным признаком, если глубина их залегания превышает допуски на размер и зачистку заготовки. Если пузыри располагаются по всему сечению образца, то бракуется штанга, соответствующая контролируемому образцу, и контролируют второй раз для разбраковки плавки послиточно или посифонно.

Характерным дефектом шарикоподшипниковой стали являются внутренние разрывы (осевой пережог), представляющие собой грубые нарушения сплошности осевой зоны заготовки, имеющие вид периодически повторяющихся местных поперечных разрывов. Сталь, пораженная этим дефектом, имеет повышенную травимость в центральной части поперечного макрошлифа, проявляющуюся в виде черных пятен – «черновин». В продольном изломе в местах «черновин» наблюдаются четкие кристаллические нити. Пораженность металла осевым пережогом сопровождается, как правило, увеличением балла по центральной пористости и карбидной ликвации, а при микроконтроле дефектного металла наблюдается полное нарушение его сплошности в виде пор и трещин различной величины, часто располагающихся рядом с крупными карбидными и сульфидными включениями [3].

Чем выше загрязненность стали, тем больше вероятность попадания неметаллических включений в область повышенных контактных напряжений на кольцах и телах качения подшипника, тем ниже его долговечность. Опыт работы отечественных заводов и зарубежных фирм показал, что применение подшипниковой стали, чистой по включениям, с однородной и плотной структурой позволяет резко улучшить эксплуатационные характеристики подшипников и значительно повысить срок их службы.

Получение шарикоподшипниковой стали с минимальной загрязненностью неметаллическими включениями представляет собой одну из самых трудных задач современной металлургии качественных сталей. Наличие пористости, ликвации и других дефектов макроструктуры значительно снижает эксплуатационные характеристики подшипниковой стали; решающее же влияние на ее долговечность оказывают микродефекты.

В катаных или кованых заготовках подшипниковых сталей обычного производства, как правило, наблюдаются центральная пористость и грубые строчечные скопления неметаллических включений. При изготовлении из таких заготовок деталей подшипника приходилось удалять центральную часть заготовки (наиболее дефектную), что увеличивало отход металла в среднем на 15%. Тем не менее даже при использовании только наиболее плотной части заготовки не удавалось избежать дефектов в изготавливаемых деталях. При шлифовке колец подшипников на их поверхности обнаруживались так называемые черные точки, являющиеся местами выхода на поверхность пор и крупных неметаллических включений.

В местах этих дефектов в процессе эксплуатации происходит выкрашивание металла (питтинг), ведущее к преждевременному разрушению подшипников. Даже двойной контроль загрязненности металла каждой плавки (выходной контроль на металлургическом заводе–поставщике и так называемый входной контроль на подшипниковом заводе), а также 100%–ный контроль поверхности дорожек качения визуальным осмотром и методом магнитной дефектоскопии не могут служить достаточно надежной гарантией от случаев преждевременного разрушения деталей подшипников вследствие неметаллических включений, оказавшихся на поверхности либо в подповерхностном слое металла.

Данные по связи загрязненности металла с его долговечностью, полученные при исследованиях, проведенных непосредственно на готовых и прошедших испытания подшипниках, показали строгую зависимость между числом оксидных включений и показателями долговечности подшипников.

Величина контактной выносливости и предела выносливости в значительной степени зависит от природы и характера оксидных включений. Так, например, повышение содержания остаточного алюминия в стали с 0,012 до 0,076% привело к соответствующему увеличению количества точечных включений и протяженности строчечных включений корунда и высоко–глиноземистых алюмосиликатов, что обусловило резкое снижение контактной выносливости стали ШХ15СГ(с 14,6 до 5,8 млн. циклов).

С увеличением содержания оксидных включений уменьшается плотность металла, снижаются контактная выносливость и предел выносливости стали. Таким образом, содержание неметаллических включений (особенно хрупких оксидных частиц) становится не только критерием качества подшипниковой стали, но и ее обобщающей характеристикой. B то же время повышение в стали содержания сульфидных включений с 0,005 до 0,025% увеличивает долговечность подшипников с 400 до 800 ч. контактных испытаний показала, что если коэффициент степени вредности сульфидных включений принять за единицу, то для оксидных включений на силикатной основе этот коэффициент составит 1,5, а для включении на основе глинозема и шпинели около 6.

Установлено, что увеличение содержания серы с 0,01 до 0,023% повышает долговечность подшипников при содержании алюминия в металле 0,003…0,034% за счет уменьшения количества глобулярных алюмосиликатных включений и повышения доли сульфидных и оксисульфидных включений. Увеличение содержания серы с 0,008 до 0,18% (по массе) в подшипниковой стали повысило контактную выносливость образцов в 2 раза.

Положительное влияние повышенного содержания серы на контактную выносливость подшипниковой стали и долговечность подшипников наблюдается лишь в том случае, когда удается обеспечить наличие в металле комплексных оксисульфидных включений, в которых оксидное ядро окружено сульфидной оболочкой. Это возможно при условии низкого содержания кислорода в стали.

Согласно современным взглядам на роль неметаллических включений при усталости металлов, для высокопрочных хрупких мелкозернистых сталей главная опасность включений состоит в создании остаточных термических (мозаичных) напряжений в металле, окружающем включения. Поэтому превалирующим фактором в данном случае выступает различие в физических свойствах матрицы и включения (в частности, коэффициента термического расширения), которое для оксидных включений максимально, для сульфидных минимально. Таким образом, сульфиды, являясь как бы мягкой пластичной прокладкой между хрупкой прочной матрицей и жесткими хрупкими оксидными включениями, снимают пики (концентрацию) остаточных напряжений, нейтрализуя вредное влияние оксидов.

Для шарикоподшипниковом стали загрязненность включениями является основным, первостепенным фактором, определяющим уровень ее служебных свойств. Наиболее существенно снижают долговечность остроугольные хрупкие оксиды, в частности глинозем и его производные, особенно строчечные. Оптимальным типом включений следует считать мелкодисперсные комплексные оксисульфидные включения, в которых сульфидная оболочка, разъединяя хрупкую матрицу и хрупкое включение, играет своеобразную роль пластичной прокладки [1].

1.3 Структура стали

Подшипниковая сталь мартенситного класса. Назначение: кольца, шарики и ролики подшипников высокой твёрдости для нефтяного оборудования, втулки оси, стержни и другие детали, к которым предъявляются требования высокой прочности и износостойкости работающих при температуре до 500°С или подвергающиеся действию умеренных агрессивных сред (морской и речной воды, щелочных растворов, азотной и уксусной кислоты и др.). По отношению к сварке сталь является трудносвариеваемой. Склонность к отпускной хрупкости низкая, проявляется только при температурах отпуска 450…600°С.

Температура начала деформации, в данном случае ковки – 1180°С, конца – 850°С. Термическая обработка после горячей деформации – отжиг с перекристаллизацией. Твёрдость после отжига 212…217 НВ. Для исключения трещин нагрев под закалку состоит из двух стадий: подогрева до 800…850°С, и непосредственного нагрева под закалку до 1050…1060°С, последующей выдержкой 6 мин для деталей толщиной до 3 мм, 7…10 мин для деталей 6…8 мм. Режим охлаждения предполагает воздух или масло. После отпуска при температуре 140…150°С и выдержке 2…3 часа твердость должна быть не ниже 56 HRC.

После закалки, количество остаточного аустенита в состоянии может достигать 34 %. Обработка холодом (–70°С, 1 час) приводит к снижению остаточного аустенита до 9%. Ударная вязкость (КСИ) после закалки, обработки холодом и низкого отпуска – менее 1,0 Дж/см²(0,31; 0,38; 0,48).

Твёрдость после закалки с 1050°С, обработки холодом и низкого отпуска при температурах 100, 150 и 200 градусов имеет значения соответственно 60…61, 59…61, 57…59 HRC.

Срок службы элементов подшипника в процессе эксплуатации зависит от большого количества взаимосвязанных факторов, что обусловливает исключительную сложность условий их работы [3].