CC BY
28
/Г Г il
/ 2 04).
гттгг: г: гг.ъгмтгп'.г.
2005-
ИТЕЙНОЕЕ ПРОИЗВОДСТВО
It is shown that at organization of production of
broad and small-serial nomenclature of casting slugs of
iron-carbon alloys the complex approach to solving of problem of the melt preparation is necessary.
А.П. МЕЛЬНИКОВ, НП РУП «Институт БелНИИлит»,
М.И. КАРПЕНКО, ГГТУым. И.О. Сухого,
А/.А САЙКОВ, РУП «Гомельский литейный завод «Центролит»
УЛУЧШЕНИЕ СОСТАВА, СТРУКТУРЫ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ, МЕХАНИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ свойств отливок ИЗ ИЗНОСОСТОЙКИХ СПЛАВОВ
В мировой и отечественной практике накоплен значительный опыт применения в качестве триботехнических литейных материалов для изготовления быстроизнашиваемых деталей машин и механизмов фрикционных и антифрикционных высокопрочных, серых и ковких чугунов, износостойких Fe-Mn-, Fe-Mn-Cr-, Fe-Cr-Ni-, Fe-Cr-V-, Fe-Cr-Mo-, Fe-Al-, Fe-Mn-Ti-, Fe-Si-B-, Fe-Mn-Al-, Fe-Si-Ni- и других сталей и белых чугунов, представляющих собой разнообразные по химическому составу и структуре многокомпонентные сплавы или композиции с широкими интервалами технологических, механических и эксплуатационных свойств. Свойства литых заготовок из износостойких сплавов и композиций определяются не только содержанием легирующих элементов, но и зависят от металлургических особенностей подготовки жидкого металла, внепечной обработки расплава, способа литья и режима термической обработки отливок.
Освоение широкой номенклатуры отливок из высокопрочных и серых чугунов, имеющих сложные геометрические профили и регламентированные требования по герметичности, твердости, износостойкости, технологичности, обрабатывав -мости, специальные требования по качеству и эстетические требования по внешнему виду и качеству поверхности, на Гомельском заводе «Центролит» показало, что на надежность и долговечность литых заготовок не менее существенное влияние оказывают тепловые процессы литья, непосредственно связанные с теплофизичес-кими свойствами литейных форм, и качество расплава по содержанию примесей и неметаллических включений. Это особенно характерно при литье в формы с интенсивным теплоотводом, что
необходимо учитывать при производстве отливок и профильных заготовок методами непрерывного литья на установках с водоохлаждаемыми кристаллизаторами, центробежного литья, в кокиль и жидкой штамповки. Новые процессы производства фасонных отливок в облицованных кокилях и профильных заготовок ответственного назначения непрерывным горизонтальным литьем в во-доохлаждаемый кристаллизатор (НГЛИТ-процесс), получивших распространение на многих предприятиях, предполагают создание в литейных формах и кристаллизаторах высоких (102-104°С/с) скоростей охлаждения кристаллизующегося металла с целью получения высокодисперсных структур с минимальной ликвацией основных (Ре, легирующих и модифицирующих компонентов и технологических примесей. Такие процессы, как струйное формование сплавов на подложку, являющейся кристаллизатором, когда капли расплава осаждаются в переохлажденном жидком или твердожидком состояниях, СФПИТ-процесс, как и непрерывное литье в валках (НЛВИТ-процесс), имеют наиболее высокую скорость охлажден™ (103-105°С/с) и недостаток - повышенный отбел заготовок.
Ранее было установлено [1], что литейные сплавы и композиции для износостойких деталей и технологической оснастки при использовании способов литья с интенсивным теплоотводом можно дополнительно легировать боридами, нитридами и другими металлоподобными соединениями. Количество вводимых нитридов и боридов зависит от температуры выплавляемого расплава, его химического состава, способа литья и заданных эксплуатационных свойств и функций литой детали и может достигать при объемном легировании до 0,4%, а при поверхностном и локаль-
/ТГГТТгГ^ гг ГиТ(Т/1Л ггГГГГГ?
-2 (34), 20051
450
350
300
250
ном легировании - до 0,7—0,8%. ав,МПа Азот хорошо усваивается при продувке легированных чугунов и присадке азотированных ферросплавов и азотсодержащих лигатур и позволяет экономить такие дорогостоящие легирующие элементы, как никель, медь, хром и марганец.
На рис.1 показано влияние легирования азотированными ферросплавами на прочность чугуна, содержащего С - 3,3-3,6; 81 ~ 2,2-2,5; Мп - 0,5-0,7; Сг - до 0,35; N1 - 0,3-0,5; Р -0,1-012; 8 - 0,05-0,07; Т\ -0,03-0,05 мае. %; остальное -железо. Ферросплавы в измельченной фракции 0,1—3,0 мм вводили в раздаточный ковш перед выпуском расплава из индукционной печи в количестве от 0,1 до 0,5% к массе заливаемого расплава с температурой 1450-1480°С.
При низком содержании нит-ридообразующих элементов и в нелегированных чугунах, не содержащих Т\, А1, Сг, Мп, V и В, а также в низкокремнистых чугунах (до 1,5% 80 при недостаточной интенсивности теплоотвода в отливках могут возникать такие дефекты микроструктуры, как высокая пористость и увеличение содержания неметаллических включений по границам зерен, что наблюдалось при продувке азотом чугуна доэвтектического состава с содержанием серы более 0,12%. Микроструктурный анализ показал, что в таких чугунах при недостаточной раскисленности металла возникают более крупные включения типа (Ре,80 (О, Т^, 8), чем карбонитриды и нитриды типа (М, 14), которые заметно начинают снижать упругопласти-ческие свойства легированных сплавов.
Исследования по микролегированию отливок из доэвтектического чугуна 2,5-2,7% С и 1,11,3% 81, дополнительно содержащего 0,08 -0,12% N1 и 0,21—0,3%Сг, при изготовлении их в металлических формах с интенсивным теплоотводом показали, что после нормализации они имеют повышенные характеристики прочности, твердости и кавитационно-эрозионной стойкости. Однако такие отливки плохо обрабатываются резанием, а стойкость резца с пластинкой из твердого сплава ВК6М не превышает 27-35 мин при точении цилиндрических профилей диаметром 30 мм. При использовании комплексной лигатуры [2] на основе меди и алюминия с дополнительным содержанием 10-15% карбонитридов хрома, 7-12% нитридов ванадия,22-27% бора и 6-11%
3
Г 1
0,15 0,25 0,35
Рис. 1. Влияние легирования азотированными ферросплавами на прочность чугуна: 1 — азотированный силикохром ФСХ30Н; 2 — силикомарганец СМн17Н; 3 - феррованадий ФВд17Н; 4 - азотированный ферромолибден ФМо2Н
олова достигнуты следующие показатели: твердость - 282-296-10"1 МПа и коэфициент кавитационно-эрозионной стойкости Ккэ =2,9—3,3 при заметном снижении в чугуне основных легирующих компонентов N1, Мп, Сг, Мо и др. Повышение предела прочности коррозионной усталости - 90-110 МПа, а повышение предела прочности при изгибе - 120-163 МПа.
Низкокремнистые мартенситные и бейнитные чугуны обладают широким температурным интервалом формирования износостойких отливок, в результате чего возрастает возможность целенаправленного регулирования структурных комбинаций их металлической матрицы и, следовательно, свойств отливки [3,4]. Разработаны чугун с прочностью ав = 581-650 МПа и повышенной износостойкостью в режиме сухого трения 90—130 мм/1000 м [5] и брикет для модифицирования [6] на основе ЖКМК7 и силикобария, боридов и нитридов алюминия.
Для ответственных износостойких отливок толщиной стенок 50-100 мм (станин станков, компрессоров, блоков двигателей, дизельных цилиндров, деталей металлургического оборудования, электроаппаратуры и т.д.) используются обычно модифицированные серые чугуны с перлитной основой марок СЧ25, СЧ30 и СЧ35. Структура - мелкопластинчатый перлит (сорбит) с мелкими завихренными графитными включе-
М/ЛГГТТг^ГГ г^^г/тл^ггтгг?
/ 2 (34), 2005-
ниями. В табл. 1 приведены составы ряда низко- зованием азотированных ферросплавов и их свой-легированных (с содержанием легирующих эле- ства в отливках, полученных в формах с различ-ментов до 3%) чугунов, полученных с исполь- ным теплоотводом.
Таблица 1. Составы низколегированных чугунов, полученных с использованием ферросплавов и их
свойства в отливках
Наименование отливки и способ литья Химический состав чугуна, мас.% Микроструктура Твердость НВ-КГ1, МПа ув, МПа
С Si Мп Сг Ni Прочие элементы
Гильза цилиндров. Кокиль (КЛИТ-процесс) 3,4 2,3 0,6 0,5 0,4 0,01BN 0,03TiN 0,4Cu Пд 0,5; Гф2, ГрЗ, Г10,/гр. от50 до 300 мкм 231-250 310325
Плита толщиной 90 мм. Песчано-глинистые формы 3,2 2,1 0,5 0,5 0,33 0,01BN 0,5Cu 0,02A1N Пд 1,0; ГрЗ, Гр7, Гф2, Г10, /гр. 70-300 мкм 188-235 261-287
Профиль диаметром 100 мм, (НГЛИТ-процесс) 3,4 2,5 0,5 0,47 0,41 0,01BN 0,5Cu 0,021N Пд 0,3; Пд 0,5 Гр2, ГрЗ, Г10, Гф 2, Г 10, /гр. 50300 мкм 235-269 321-343
В исследованных чугунах содержание никеля было снижено с 0,5—0,6% в соответствии с чертежами литых заготовок до уровня 0,33-0,4%, содержание фосфора не превышало 0,05%, а серы -0,02%. При исследовании полученных отливок установлено повышение дисперсности литой структуры и размеров графитных включений при непрерывном литье и литье в кокиль в сравнении с отливками, полученными в песчано-глинистые формы.
При изготовлении профильных заготовок по НГЛ ИТ-процессу с дополнительным легированием стабилизирующими аустенит-добавками (0,9-1,5%№ и 0,3-0,5%Мо) и модифицировании лигатурой ЖКМК-7 получены высокопрочные термоулучшаемые чугуны. В табл. 2 приведены свойства термоулучшаемых высокопрочных чугунов и их структура в отливках после различных видов обработки.
Таблица 2. Свойства термоулучшаемых высокопрочных чугунов и их структура после обработки
Структура Графитизирующий Изотермическая Нормализация с 870°С Термоулучшение и
и свойства отжиг закалка рекристаллизация
Перлит, % 12-30 - 80-88 -
Аустенит, % - 18-40 - 10-14
Бейнит, % - 60-82 - -
Феррит, % 70-88 - 12-20 86-90
ов, МПа 550-590 730-810 580-630 510-560
ô,% 9,7-12 7,8-9,1 3,2-5,7 8,1-9,6
НВЮ^МПа 165-187 290-320 220-265 176-190
KCU, Дж/см2 15-27 12-18 8-16 21-32
Е, ГПа 16,2-16,8 17,2-17,8 16,6-17,1 16,8-17,3
Увеличение количества бейнитной фазы в структуре аустенитных чугунов достигается при повышении дисперсности структуры литого металла и понижении температуры изотермической закалки. Содержание остаточного аустенита при термоулучшении и изотермической закалке можно изменять в широких пределах (от 5 до 40%).
Среди элементов химического состава С и определяют структуру низколегированного чугуна в отливках при заданном технологическом про-
цессе литья. Наряду с кремнием большое значение как графитизирующие элементы имеют алюминий и нитриды: AIN, BN, TiN, VN при их концентрации 0,01-0,3 мас.%. На рис. 2 показано влияние углерода и суммы Si+Me на прокалива-емость и обрабатываемость отливок в зависимости от способа литья. Качество термической обработки определяли на образцах-темплетах толщиной 12 мм, вырезанных из отливок посредством замера твердости закаленного слоя. Закалку проводили с использованием электронагрева.
ГГГТТгГ: гг ГТ^ГГТЛЛЛГГГТГГТ
-2 04). 2005
/91
С, %
3,3
3,1
2,9
2,7
2,5
£ —1
' 1
1 \
( Л V
HRC
42
44
46
48
50
1,1 1,4 1,6 1,8 2,0 231+МеМ
Рис. 2. Влияние углерода и кремния с нитридами на качество закалки литых заготовок: 1 - НГЛИТ-процесс; 2 - КЛИТ-процесс; 3 - литье в обычные песчано-глинистые формы
При освоении производства профильных заготовок из высокопрочных чугунов с ШГ В Г на установках непрерывного горизонтального литья в кристаллизаторах с водяным охлаждением (Н ГЛ ИТ-процесс) эффективными легирующими добавками оказались Си и N1, особенно при изготовлении тонкостенных профильных заготовок из ВЧ50 и более высокопрочных чугунов. Такие профильные заготовки заменяют отливки из углеродистых сталей 20Л, ЗОЛ и 35Л, низколегированных сталей типа 20ГЛ, 32Х06Л, 40ХЛ и ряда латуней.
Механические и эксплуатационные свойства высокопрочных чугунов с ШГ, легированных Си и N1, при литье в кокиль исследованы в работе [7], где описаны различия в микроструктуре и свойствах отливок при кокильном литье и литье в песчано-глинистые формы.
Испытания отливок из ВЧШГ, полученных по НГЛИТ-процессу, показали, что они также обладают более мелкозернистой микроструктурой
и повышенными механическими свойствами, чем при литье в песчано-глинистые формы.
Таким образом, при организации производства широкой и мелкосерийной номенклатуры литых заготовок из железоуглеродистых сплавов со специальными требованиями физико-механических свойств необходим комплексный подход к решению проблемы подготовки расплава, его внепечной обработки, выбору технологического процесса литья, а при наличии специальных служебных свойств - по геометрическим параметрам и размерной точности литых каналов отливок, не подвергающихся механической обработке, составам и физико-механическим свойствам песчаных стержней, а также термической обработки готовых литых заготовок. Такой подход позволит значительно улучшить эксплуатационные свойства готовых изделий с применением отливок из износостойких чугунов.
Литература
1. Карпенко М.И., Мельников А.П., Сайков М.А. Литейные сплавы и композиции для износостойких деталей и оснастки // Литейное производство. 2002. № 1. С. 5-6.
2. Карпов А.К., Карпенко М.И., Маруко-вич Е.И., Мельников А.П. и др. // Бюл. изобр. 1989. № 23.
3. Жуков A.A. Аустемпированный чугун - несомненный успех литейного металловедения // Литейное производство. 1999. N° 11. С. 39-40.
4. Хидашвили Н.З., Берадзе Г.В. Низкокремнистые бейнитные и мартенситные чугуны // Металлургия в машиностроении. 2002. № 6. С. 2—4.
5. Чугун. A.C. СССР № 1627582, кл. С22С 37/10. / Кар-писонов Л.А., Карпенко М.И., Марукович Е.И. и др., опубл. 1991, Бюлл. № 6.
6. Брикет для модифицирования чугуна. A.c. СССР: М.И. Карпенко.
7. Солнцев Л.А., Серховец С.И., Полякова Т.С. и др. Свойства магниевого легированного Си и Ni чугуна, заливаемого в кокиль //Литейное производство. 1991. № 7. С. 18-19.
