| Реферат |
Изобретение относится к производству нержавеющих сталей, в частности, высококачественных сталей, содержащих хром и хром-никель, в имеющем, по меньшей мере, два металлоприемника в плавильном устройстве для снабжения сталеразливочной установки. Нержавеющими сталями называют большую группу хромистых, хромоникелевых и хромомарганцевоникелевых сталей с содержанием свыше 12% Cr, сохраняющих при воздействии атмосферы светлый металлический блеск, т. е. нержавеющие свойства. Хром повышает коррозионную составляющую нержавеющих сталей.
Обычно при получении нержавеющих сталей (патенты МПК С21С552, С21С7/58), содержащих хром-никель, применяют электропечь обычной конструкции, выполненную в виде печи постоянного или переменного тока, в которой расплавляют скрап и/или другой железосодержащий металлический исходный материал, например, чугун или DRI (Direct Reduced Iron - непосредственно восстановленное железо) вместе с адекватным количеством легирующих носителей. Расплавляемый при этом полупродукт с температурой от 1670 до 1700oC сливают в ковш. Затем этот ковш опорожняют в контейнер и полученный расплав, содержащий приблизительно 2,5% углерода и приблизительно 1% кремния, подвергают фришеванию сначала с помощью кислорода и при пониженном содержании углерода со смесями кислород/азот и позже кислород/аргон. В зависимости от применения различных технологий процесса осуществляют обезуглероживание вплоть до окончательного содержания углерода менее 0,1%, причем возникающие при этом потери хрома в скрапе затем должны быть снова восстановлены путем реакции с ферросилицием или вторичным алюминием (см.Поволоцкий Д.Я., Гудим Б.А. Производство нержавеющей стали. Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 1998. - 236 с).
В этой связи, известны также ряд патентов по изготовлению аустенитных и мартенситно-аустенитных нержавеющих сталей (патент № 2270269), а также патенты на состав и структуру нержавеющих сталей (патент RU2169205C1 , МПКС22С38/48, нержавеющая сталь, патент США N 5096664 от 17.03.92 г., кл. C 22 C 38/38; национальная классификация США 420/74)).
Нержавеющие стали широко применяют в различных отраслях промышленности. Однако, несмотря на высокие вышеперечисленные эксплуатационные свойства, они требуют доработки с целью расширения их функциональных свойств.
В последнее время широкое развитие получили технологии аддитивного выращивания изделий из различных материалов, в частности , из металлов. В этой связи, известны технология лазерной наплавки порошка (технология SLM) и аддитивного электродугового выращивания (технология WAAM) и др.
Технология SLM — это аддитивный технологический процесс изготовления деталей по электронной геометрической модели путем наплавки металлического сырья лазерным излучением. В качестве металлического сырья может использоваться как порошок, так и проволока. Технология SLM позволяет создавать высокоточные заготовки деталей.
При реализации технологи WAAM в качестве исходного материала используют металлическую проволоку (в том числе полученную из порошков). Ее легко производить, хранить и транспортировать. Данная технология позволяет оперативно изготавливать необходимые детали и элементы конструкций. Аддитивное электродуговое выращивание является самым высокопроизводительным (до 15 кг/ч) и наиболее знакомым для отечественного производства, т.к. электродуговая наплавка и сварка применяются практически на любом предприятии, где работают с металлами.
Самый распространенный среди методов 3D-печати на сегодняшний день, является метод селективного лазерного спекания (сплавления), патенты US4863538A; US5182170A). Этот способ изготовления металла и изделий требует в качестве исходного сырья в виде мелкодисперсного порошка, либо изготовленного прокаткой или из порошков проволоки, обладающие хорошей вязкостью и быстрой затвердеваемостью.
Суть способа селективного лазерного спекания (патент US4863538A) заключается в следующем. Цифровая 3D модель формируемого объекта делится на слои в компьютере, на основе которых формируется управляющая программа печати. Порошок для построения объекта помещают в герметичную камеру и предварительно подогревают до температуры меньше температуры плавления, а затем его укладывают слоями на подложке, далее порошок разравнивания валиком, после чего лазерное излучение сканирует поверхность слоя по осям X–Y и спекает требуемый контур, на следующем шаге подложка опускается на величину слоя и процесс формирования слоя повторяется.
После окончания последовательности действий по созданию изделия, ее извлекают из камеры, и очищают от не спекшегося порошка сжатым воздухом, кисточкой или шпателем. Излишний (не спекшийся порошок можно использовать повторно) от значительной деформации формы изделия защищает постепенное остывание порошка. В процессе печати осуществляется контроль уровня порошка при укладке нового слоя. Существует возможность проводить формирование металла изделий в среде защитных газов таких как азот, аргон с целью минимизации окислительных процессов при нагревании порошка.
Данная технология изготовления металла изделий, обладает рядом преимуществ, это высокий уровень детализации, удовлетворительная шероховатость около Rа 12.5, а также возможность создания сложнопрофильных структур генеративного дизайна и сотовых структур внутреннего строения изделия. При этом имеется и ряд недостатков, это высокий уровень внутренних напряжений, несплавление слоев, анизотропия свойств, ограниченный размер построения, высокие требования к качеству порошка (размер, геометрия, химический состав, условия хранения), дороговизна технологии, требования к защите персонала от порошка, низкая скорость построения около 90см³/ч.
Также известен способ изготовления металла изделий по патенту US6143378A, заключающийся в послойной лазерной наплавке проволоки.
Формула изобретения имеет следующий вид: процесс аддитивного производства трехмерного объекта, включающий следующий стадии: направление энергетического пучка на поверхность слоя, образуя на ней область с жидким расплавом; и перемещение энергетического пучка, а вместе с ним и плавильного бассейна, по поверхности, при этом выполняется подача исходной проволоки в центральную область плавильного бассейна таким образом, чтобы исходная проволока расплавлялась и попадала в область с жидким расплавом по мере необходимости для изготовления объекта.
Однако прочностные свойства металла изделий после аддитивного выращивания лазерной наплавкой, в частности, нержавеющих сталей из-за дефектов структуры (пористость и т.д.) оказывается недостаточной.
Для повышения эксплуатационных свойств металла, полученного по известным способам аддитивного выращивания, разработаны слоистые материалы (биметаллы).
Известен слоистый биметалл нержавеющей стали с медью (см. Грирорьянц А.Г., Шиганов И. Н., Мисюров А. И., Третьяков Р. С. Лазерные аддитивные технологии в машиностроении: Учебное пособие, МГТУ им. Баумана, 2018, с. 278.), полученный аддитивным выращиванием. Данный биметалл позволяет расширить функциональные свойства нержавеющей стали. В качестве недостатка следует отметить, что повышение механических свойств не существенно. Это сдерживает применение этого слоистого металла в производстве.
Наиболее близким к заявленной структуре нержавеющей стали, получаемой аддитивным выращиванием, является слоистый биметалл (см Трушников Д.Н. Гибридное аддитивное производство крупногабаритных заготовок и финишных деталей плазменной (дуговой) наплавкой проволочных материалов. Презентация, Пермский национальный исследовательский университет), где нержавеющая сталь 10Х18Н10Т выращена со сталью 06Х15Н60М15. Однако при производстве этого слоистого металла на границе их раздела образуется переходный слой пониженной прочности. Поэтому эксплуатационные свойства такого слоистого металла оказываются недостаточными.
Цель изобретения – разработка структуры слоистой нержавеющей стали при аддитивном выращивании изделия, обладающей высокими механическими свойствами. В этой связи, структура нержавеющей аустенитной стали содержит чередующиеся слои, модифицированные и не модифицированные частицами титана и карбида титана.
Выше уже отмечалось, что сутью аддитивного выращивания является послойное осаждения металла в изделии по 3D модели. Поэтому, вводя послойно в расплав формирующегося металла изделия в определенной последовательности наноразмерные частицы титана и карбидов титана, он упрочняется. В результате механические свойства такой слоистой нержавеющей стали существенно повышаются.
Технический результат изобретения - слоистая нержавеющая аустенитная сталь, получаемая аддитивным выращиванием, отличающаяся тем, что она содержит чередующиеся слои, модифицированные частицами титана и карбида титана размером от 50 до 100 нм в пропорциях от 0,1 до 0,4% по массе.
Технический результат изобретения заключается в том, что в отличие от структуры аналога (биметалла-слоистой нержавеющей стали из 10Х18Н10Т, выращенной со сталью 06Х15Н60М15), предлагаемая структура слоистой нержавеющей стали с чередующимися слоями, содержащими частицы титана и карбидов титана не имеет хрупких переходных слоев и оказывается более прочной.
Модифицирование наночастицами Ti, TiC расплавленного металла при послойном выращивании изделия осуществлялось с использованием для этой цели установки, описанной в работе (см. Зернин Е.А., Кузнецов М.А. Способы модифицирования наплавленного металла наноразмерными порошками для увеличения механических свойств сварных соединений // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 5.)
Для проведения тестовых испытаний, изготавливались стенки из заявленного слоистой нержавеющей стали 10Х18Н10Т и стенки в соответствие аналогу (прототипу). Процент вводимого в жидкую фазу исходного сырья (нержавеющая сталь 10Х18Н10Т) при аддитивном выращивании стенки с наноразмерными частицами Ti, TiC размером от 50 до 100 нм, составлял от 0,1 до 0,4% по массе. Затем из стенки вырезались образцы для проведения испытаний на их растяжение.
Принципиальная схема получения стенок из нержавеющей стали представлена на рис. 1.
Исследования, касающиеся процесса 3D-печати электродуговой наплавкой стенок, для получения образцов для испытаний на растяжение, проводились на разработанном и специально созданном для этих целей экспериментальном стенде. Схема экспериментального стенда описана (см. Кабалдин Ю.Г., Беляков В.В., Аносов М.С., Шатагин Д.А., Желонкин М.В. Обеспечение эксплуатационных свойств деталей, полученных аддитивным выращиванием, в автономных транспортных средствах при их использовании в условиях Арктики и Крайнего Севера, под. Ред. Ю.Г. Кабалдина.-Нижегород. Гос. техн. ун-т им. Р.Е. Алексеева). Устройство для 3D-печати на станках с ЧПУ, защищено патентом RU 2696121 С1.
3D-печать стенки из слоистой нержавеющей стали выполнялась при скорости печати 350 мм/мин и 400 мм/мин; защитная атмосфера СО2, погонная энергия процесса изменялась в диапазоне от 150 Дж/мм до 1200 Дж/мм. Из полученных заготовок вырезались продольные (вдоль слоев) и поперечные (поперек слоев) образцы.
|
