Анотація до роботи:

Шпак П.О. Особливості структуроутворення й властивостей швидкорізальної сталі та підвищення ефективності технології її електронно-променевого переплаву. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 – матеріалознавство.

Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, Київ, 2005.

Дисертацію присвячено вивченню впливу електронно-променевого переплаву на формування структури та властивості швидкорізальної сталі. В роботі досліджено процеси затвердівання, формування стуктури та фазових перетворень в швидкорізальній сталі при електронно-променевому переплаві та термічній обробці.

Виявлено такі особливості: процес затвердівання й кристалізації швидкорізальної сталі при електронно-променевому переплаві є багатостадійним та відбувається в розширеному температурному інтервалі перитектичного перетворення. При цьому в сталі послідовно відбуваються фазові перетворення: Ld, L+dg, L+dg+К, Lg+K з утворенням евтектик: пластинчастої на основі метастабільного карбіду М₂С й скелетної - на основі М₆С. Прискорене охолодження швидкорізальної сталі, фазові перетворення та структурні зміни, що відбуваються на стадії первинної кристалізації розплаву призводять до подрібнення структури її металевої основи, рівномірного розподілу евтектичних карбідів й зміни механізму руйнування з переходом від грубого міжзеренного до змішаного, з розвиненими поверхнями зламу, що свідчить про збільшення ступеню пластичної деформації, яка передує руйнуванню.

Встановлено визначальний вплив первинної структури та морфології карбідної фази швидкорізальної сталі на її фізико-механічні та експлуатаційні властивості. Виходячи з досліджень технологічних властивостей, оптимізовано технології електронно-променевого переплаву та термічної обробки швидкорізальної сталі.

В результаті проведеного комплексного дослідження методами: високотемпературного диференціального термічного аналізу, метаталографії, растрової електронної мікроскопії, математичного моделювання, дифрактометричного рентгенофазового, фрактографічного та дюрометричниго аналізів; визначення механічних технологічних і експлуатаційних властивостей швидкорізальної сталі електронно-променевого переплаву – вперше встановлені закономірності формування її структури та властивостей при ЕППЄ. Розроблено науково-технологічні засади електронно-променевого переплаву швидкорізальної сталі. Отримані результати роботи дозволяють зробити такі головні висновки:

1. Встановлено, що процес затвердівання й кристалізації швидкорізальної сталі Р6М5 при ЕППЄ є багатостадійним та відбувається в розширеному на 20-30 С температурному інтервалі перитектичного перетворення, внаслідок значного переохолодження розплаву евтектичного складу в умовах прискореного (10-10² Сс^-1) тепловідводу. При цьому, в сталі послідовно відбуваються такі фазові перетворення: Ld, L+dg, L+dg+K, Lg+K, з утворенням двох типів евтектик: переважною (55-60 %об.) - є пластинчаста, на основі метастабільного карбіду М₂С, решта – скелетна, на основі М₆С; d- евтектоїд в кінцевій структурі сталі – відсутній.

2. Запропонована й реалізована математична модель розрахунку теплофізичних параметрів затвердівання зливків швидкорізальної сталі при ЕППЄ дозволяє оцінювати геометрію характерних зон фазових перетворень та визначати технологічні параметри проведення процесу, за яких досягається мінімальна глибина ванни перегрітого розплаву та двофазної твердо-рідкої зони в зливкові, що формується. При цьому, мінімізується вірогідність утворення кристалізаційних тріщин, зменшуються загальні втрати металу випаровуванням та питомі витрати електроенергії, що, в цілому, підвищує ефективність технологічного процесу електронно-променевого переплаву швидкорізальної сталі.

3. Встановлено, що прискорене охолодження швидкорізальної сталі в мідному водоохолоджуваному кристалізаторі ковзання при ЕППЄ, фазові перетворення та структурні зміни, що відбуваються на стадії первинної кристалізації розплаву мають вирішальний вплив на формування властивостей, призводять до подрібнення структури її металевої основи (бал аустенітного зерна № 10-11), рівномірного розподілу евтектичних карбідів (бал карбідної неоднорідності № 5-6). При цьому, змінюється механізм руйнування сталі, з переходом від грубого міжзеренного, до змішаного, переважно внутрішньозеренного, з розвиненими поверхнями зламу, що свідчить про збільшення ступеня пластичної деформації, яка передує руйнуванню.

4. Вивчено вплив ЕППЄ на рафінування швидкорізальної сталі від неметалевих включень. Встановлено, що їх кількість в сталі Р6М5 зменшується при переплаві в 3-4 рази, а залишкові включення подрібнюються (1-3 мкм), мають сприятливу округлу форму й рівномірно розподілені по всьому об’єму зливка.

5. Швидкорізальна сталь Р6М5, отримана шляхом електронно-променевого переплаву промислових відходів інструментального виробництва, має підвищені ударну в’язкість (0,1-0,15 МДж/м²), зносостійкість та шліфованість, твердість її після гартування й відпуску складає 64-65 HRC. Стійкість інструменту, виготовленого із сталі Р6М5 ЕППЄ в 1,2-1,4 рази вища від стійкості аналогічного інструменту, виготовленого з тієї ж сталі традиційної плавки.

6. Встановлено, що із підвищенням швидкості проведення переплаву, зменшуються трудоємність процесу, загальні втрати металу випаровуванням у вакуумі та питомі витрати електроенергії.

7. Розроблено й впроваджено у виробництво ресурсозберігаючу технологію електронно-променевого переплаву швидкорізальної сталі.

Публікації автора:

1. Гречанюк Н.И., Шпак П.А., Афанасьев И.Б. Электронно-лучевая плавка – перспективный метод получения слитков быстрорежущей стали высокого качества // Проблемы специальной металлургии. – 2000. - №3. - С. 27-32.

2. Шпак П.А., Гречанюк В.Г., Осокин В.А. Влияние электронно-лучевого переплава на структуру и свойства быстрорежущей стали Р6М5 // Проблемы специальной электрометаллургии. – 2002. - №3. - С. 14-17.

3. Шпак П.О. Структура та фазові перетворення в сталі Р6М5 при електронно-променевому переплаві промислових відходів // Металознавство та обробка металів. – 2003. - №4. - С. 14-18.

4. Grechanyuk N., Mamuzich I., Shpak P. Modern electron-beam technologies of melting and evaporation of materials in vacuum, by used “GEKONT”-company Ukraine // Metalurgija. - 2002. - #2. - P. 125-128.

5. Патент України на винахід № 37658 Спосіб виготовлення заготовок для інструменту із швидкорізальної сталі та пристрій для його здійснення / М.І. Гречанюк, І.Б. Афанасьєв, П.О. Шпак, В.О. Осокін, М.М. Шведчиков // заявка №200031832; заявл. 31.03.2000; опубл. 15.07.2003, Бюл. №7. - 2003.

6. Структура та властивості швидкорізальної сталі Р6М5, отриманої шляхом електронно-променевого переплаву промислових відходів / М.І. Гречанюк, П.О. Шпак, І.Б. Афанасьєв, Д.Ф. Чернега // Материалы международной научно-технической конференции “Производство стали в ХХІ веке. Прогноз, процессы, технологии, экология”. - Київ-Дніпропетровськ, 2000. - С. 380-384.

7. New materials, coatings and electron-beam equipment for their production / N. Grechanyuk, P. Kucherenko, V. Osokin, P. Shpak, I. Grechanyuk // Proceedings of the 7-th International Conference on Electron Beam Technologies (EBT 2003). - P. 258-264 (Bulgaria).

8. Electron-beam equipment, produced by scientific-and-producing company “GEKONT” / N. Grechanyuk, P. Kucherenko, V. Osokin, P. Shpak, I. Grechanyuk // “Turnatoria de la rigoarea tehnicii la arta” (Artcast 2004). - P. 117-120 (Romania).