Особенности изготовления отливок из низколегированных сталей

Легирование стали является одним из средств увели­чения надежности, долговечности и снижения массы литых дета­лей, а также придания им специальных свойств. Выбор легиру­ющих элементов обусловливается главным образом назначением отливки, ее конструктивными и технологическими особенностями.

Элементы, используемые для легирования стали, классифици­руют по строению кристаллической решетки, влиянию на темпе­ратуру полиморфных превращений и отношению к углероду.

По строению кристаллической решетки легирующие элементы подразделяют на три группы. В первую группу входят хром, вольфрам, молибден с объемно-центрированной кубической решет­кой и кремний, который имеет сложную кубическую решетку.

Ко второй группе относятся никель, медь, алюминий с гране-центрированной кубической решеткой и марганец со сложной решеткой.

Третью группу составляют элементы с гексагональной решеткой — титан, кобальт, бе­риллий и некоторые редкоземельные металлы.

Классификация по этому признаку дает возможность судить о растворимости элементов в железе той или иной модификации, о влиянии элемента на свойства твердого раствора. Растворимость элементов определяется типом и параметрами кристаллической решетки. Неограниченной растворимостью в железе обладают элементы, атомный радиус которых отличается от атомного ра­диуса железа не более чем на 8 % и имеющие однотипную с ним решетку. Другие элементы растворимы ограниченно или нераство­римы. Чем больше отличаются решетки и атомные радиусы леги­рующего элемента и железа, тем больше прочность образуемого твердого раствора. Элементы, атомный радиус которых близок к атомному радиусу железа, дают более пластичные растворы.

Под влиянием легирующих элементов значительно изменяются температуры полиморфных превращений. Элементы Ni, Мп, С, Со, Сu расширяют область устойчивости аустенита, под влия­нием этих элементов повышается температура A₄ и снижается А₃. Элементы Сг, Si, А1, W, V, Мо, Ti, Ве замыкают область у, сни­жая точку A₄ и повышая А₃. При определенных концентрациях легирующего элемента образуются ферритные сплавы. Эти эле­менты можно разделить на элементы, образующие сплавы со струк­турой неограниченного гомогенного твердого раствора, и эле­менты, образующие сплавы, область гомогенности которых огра­ничена вследствие появления новых фаз.

По отношению к углероду легирующие элементы подразделяют на карбидообразующие и графитизирующие.

Легирующие элементы вызывают образование новых структурных составляющих и изменение свойств существующих фаз. Вве­дением в сталь определенных элементов в строго заданных ко­личествах можно добиться значительного улучшения имеющихся свойств или получения специальных свойств.

Особенности изготовления отливок из низколегированных конструкционных сталей. Леги­рование позволяет значительно повысить механические свойства литейных сталей, особенно после специальных видов термической обработки. Как правило, эти стали характеризуются более высо­ким значением _В / _Т (до 70 %), чем углеродистые.

Наибольшее распространение получили стали, легированные кремнием, марганцем, хромом, никелем, ванадием, молибденом, медью в различных комбинациях и соотношениях.

Кремнистые стали. Кремний растворяется в феррите и цементите. Образуя раствор, он упрочняет феррит и повышает его твердость. При малых концентрациях кремния (до 1 %) не уменьшается и пластичность феррита. Свойства и область применения сталей, легированных кремнием, в большой степени определяются содержанием угле­рода. Наиболее широко используют низкоуглеродистую кремни­стую сталь (0,1-0,2 % С; ~1 % Si), высокоуглеродистую кремни­стую сталь (0,4 - 0,5 % С; 1,4—1,6 % Si), графитизированную сталь (1,25 - 1,50 % С; 1—1,35 % Si).

Низкоуглеродистая кремнистая сталь характеризуется более высокими пластическими свойствами (в 1,5 раза), чем равнопроч­ная нелегированная. Эти свойства определяют ее применение для отливки эксцентриков, шестерен и деталей, работающих в усло­виях динамических нагрузок.

Высокоуглеродистая кремнистая сталь обладает большей изно­состойкостью, но невысокой пластичностью. Из нее изготовляют катки мостовых кранов, шестерни мельниц и детали, работающие в пыльной среде.

Графитизированная сталь сочетает свойства чугуна и стали. В литом состоянии структура состоит из крупнопластинчатого перлита и игольчатого цементита. Вид термической обработки вы­бирают в зависимости от назначения отливки. Штампы, фильеры и детали, от которых требуется высокая твердость, подвергают низкотемпературному отжигу (~700 °С) для снятия напряжений, сфероидизации вторичного цементита и частичного его распада. Степень графитизации при этом минимальна. Отливки, от кото­рых требуются высокие антифрикционные свойства, подвергаются высокотемпературному отжигу (~1000°С) с целью разложения цементита. Для повышения механических свойств иногда после графитизирующего отжига проводят закалку с отпуском.

Марганцовистые стали. Марганец является элементом, расширяющим область γ-твердого раствора. Основными элементами, определяющими свойства низколегированных марганцовистых сталей, являются марганец и углерод. Образуя твердый раствор замещения, марга­нец упрочняет феррит, но основное влияние на повышение проч­ности оказывают более устойчивые, чем цементит, сложные карбиды (Fe, Mn)₃С. Содержание углерода и марганца выбирают в зависимости от требуемого соотношения прочности и пластичности. Чем ниже требуемая прочность и выше пластичность, тем больше должно быть в стали марганца и меньше углерода.

Низколегированную марганцовистую сталь для фасонных отливок подразделяют на низкоуглеродистую (0,15 - 0,25 % С; 1,2—1,6 % Mn). среднеуглеродистую (0,3 - 0,4 % С; 1,1—1,9 % Mn) и повышенной проч­ности (до 0,4 % С; 1,05 - 2,0 % Mn). В зависимости от соотноше­ния углерода и марганца, а также ог требуемых свойств отливки подвергают закалке или нормализации с отпуском. Из низколе­гированных марганцовистых сталей изготовляют отливки, испы­тывающие значительный износ, ударные и переменные нагрузки. Это детали для железнодорожного транспорта, экскаваторов и др. В ГОСТ 977-88 группа марганцовистых сталей представлена марками 20ГЛ и 35ГЛ.

Никелевые стали. Никель расширяет аустенитную область, образует с же­лезом твердые растворы и не дает карбидов. Упрочняющее дей­ствие никеля в низколегированной стали заключается в повыше­нии прочности феррита при одновременном сохранении пластич­ности. Никель понижает температуру мартенситного превращения, увеличивает прокаливаемость стали. Наиболее распространенная низколегированная никелевая сталь содержит 0,2 - 0,4 % С и до 2 % Ni. Никелевая сталь обладает повышенной ударной вяз­костью даже при низких температурах, равномерностью свойств по сечению отливки. Отливки из никелевой стали с низким содер­жанием углерода иногда подвергают химико-термической обра­ботке для упрочнения поверхности. С повышением содержания углерода возрастает прочность, но снижается пластичность. Из низколегированных никелевых сталей изготовляют отливки для прокатных станов, горно-обогатительного оборудования, су­дов, локомотивов.

Хромистые стали. Хром повышает устойчивость феррита, образует прочные карбиды; замещая частично железо в цементите, значительно по­вышает его устойчивость. Свойства хромистой конструкционной стали определяются как содержанием хрома, так и углерода. Повышение прочности хромистых сталей объясняется главным образом блокированием плоскостей скольжения карбидами (Fe, Сг)₃С, а также измельчением зерна. Хром значительно повышает прокаливаемость стали. Отливки получают из низколегированных хромистых сталей с 0,35 - 0,60 % С и до 2 % Сг.

Ванадиевые стали. Объем производства отливок из ванадиевых ста­лей в последние годы непрерывно увеличивается. Применение ванадия в небольших количествах (≤ 0,1 %) в несколько раз более эффективно, чем применение таких же количеств Mn, Si, Cr, Ni и др. Ванадий образует прочный карбид VC, который существует наряду с цементитом. Мелкодисперсный карбид УС выделяется при охлаждении из аустенита, выполняя роль упрочняющей фазы. Оказывая заметное упрочняющее влияние, этот карбид практи­чески не снижает пластичность, трещиноустойчивость, сваривае­мость сталей.

Более часто используют конструкционные стали, легированные несколькими элементами одновременно. В этом случае легче до­стигается оптимальное сочетание прочности и пластичности. Сложнолегированные стали применяются для изготовления слож­ных высоконагруженных отливок. Наиболее распространенными из них являются стали 30ГСЛ, 35ХГСЛ, 35ХМЛ, 35НГМЛ, З0ХНМЛ, 08ГДНФЛ и др. Молибденсодержащие стали характеризуются меньшей от­пускной хрупкостью, лучшей прокаливаемостью.

2.9.3. Особенности изготовления отливок из высоколегированных сталей со специальными свой­ствами.

Особенности изготовления отливок из износостойких сталей. Д ля изготовления фасонных отливок наибольшее распространение получили износостойкие стали 110Г13Л, а также 120Г13Х2БЛ, 130Г4ХМФАЛ (ГОСТ 977-88). Сталь 110Г13Л по структуре относится к аустенитному классу. Устойчивая аустенитная структура образуется в Fe-Мп-С сплавах, содержащих 1-1,3 % С и 9-15 % Mn. Медленно охлажденные сплавы этого состава состоят из аустенита и карбид­ной фазы переменного состава (Fe, Мn)₃С. Аустенит представляет собой твердый раствор замещения марганца в железе, в котором углерод находится между узлами кристаллической решетки. Отливки подвергают закалке путем нагрева до 1050—1100 °С и последующего быстрого охлажде­ния в холодной воде. После термической обработки сталь 110Г13Л немагнитна, приобретает высокие свойства: σ_в = 800-1000 МПа; σ_т = 250-700 МПа; σ_В /σ_Т = 30 - 40%; = 40 -55 %; = 35-45 %; КСV = 2000-3000 кДж/м²; 180—220 НВ.

Уникальным свойством стали является высокое сопротивление износу при работе в условиях ударных или высоких статических нагрузок,,когда сталь наклёпывается и твердость ее возрастает до 600 НB. Упрочнение стали при наклепе вызывается дроблением зерна аустенита, выпадением дисперсных карбидов, а также пре­вращением аустенита в мартенсит по плоскостям сдвигов. Склон­ность к наклепу делает эту сталь труднообрабатываемой. Специ­фические свойства стали 110Г13Л определили практическую область ее применения. Из этой стали отливают сердечники стре­лочных переводов и крестовины трамвайных путей, сменные де­тали щековых и конусных дробилок, экскаваторов и многих других машин.

Стандарт допускает значительные колебания химического со­става, %: 11,5—15 Mn; 0,9—1,4 С; 0,3—1 Si; до 0,12 Р; до 0,05 S. Химический состав зависит от назначения, типа и специфических требований, предъявляемых к изделиям. Для стали 110Г13Л оптимально отношение Mn/С = 10. Повышение содержания угле­рода уменьшает пластичность, а понижение - износостойкость. Увеличение содержания кремния желательно для повышения износостойкости, но вызывает образование трещин. Фосфор и сера отрицательно влияют на эксплуатационные и технологиче­ские свойства, поэтому их содержание должно быть мини­мальным.

Необычно высокое содержание фосфора (до 0,12 %) обуслов­лено тем, что значительная часть его неизбежно вносится в сталь на заключительном этапе плавки при легировании стали марганцем. Обычно это осуществляют путем присалдки ферромарганца, в обычных сортах которого концентрация фосфора составляет 0,35-0,55 %. Исследования показали, что фосфор оакзывает вредное влияние на свойства стали 110Г13Л, особенно на её пластические свойства. Так, каждая 0,01 % фосфора в пределах марочного состава снижает ударную вязкость на 0,3 мДж/м², а относительное удлинение - на 1 %. Поэтому при изготовлении особо ответственных отливок легирование стали марганцем следует специальными марками ферромарганца с низким содержанием фос­фора, хотя они существенно дороже.

Сталь 110Г13Л выплавляют преимущественно в дуго­вых печах с основной футеровкой. При выплавке стали методом окисления шихту составляют из отходов углеродистой стали и передельного чугуна в соотношении. В качестве шлакообразующего материала в завалку вводят известь. После расплавления шихты при нормальном содер­жании углерода (~ 0,4 %) проводят окислительный период путем присадки железной руды или продувки расплава газообразным кислородом. При этом окисляют до 0,25-0,30 % углерода. В результате получают расплав стали с низкими содержаниями углерода (0,10-0,15 %) и фосфора (0,03 %). Окислительный шлак удаляют и проводят предварительное раскисление стали путем присадки в расплав ферромарганца и ферросилиция. Затем наводят новый шлак из извести и плавикового шпата и раскисляют его присадкой молотого кокса и дробленого ферросилиция. При этом плавку осуществляют под белым или карбидным (при двойном расходе кокса) шлаком, в котором содержание оксида железа не превышает 1 %.

Легирование стали марганцем осуществляют путем ввода ферромарганца в расплав в несколько приемов.

Окончательное рас­кисление стали проводят на желобе печи алюминием (0,5—0,8 кг алюминия на 1 т металла).

В крупных сталелитейных цехах, специализирующихся на вы­пуске отливок из стали 110Г13Л и имеющих возможность получать лом этой же стали, часто применяют метод переплава. В этом случае шихту составляют на 90 % из отходов производства и лома и не более чем на 10 % из низкоуглеродистой стали или же на 100 % из отходов производства. В качестве шлакообразующего мате­риала используют известь, вводя ее при завалке и в период рас­плавления. После расплавления проводят предварительное рас­кисление ванны кусковым ферросилицием. Затем в печь подают смесь извести, плавикового шпата, дробленого ферросилиция; в дальнейшем вместо ферросилиция используют молотый кокс. Сталь до заданного состава по марганцу доводят за 10—15 мин до ее выпуска. Продолжительность выдержки под белым шлаком и требования к шлаку остаются теми же, что и при выплавке стали из свежих материалов.

В случае отсутствия основных печей сталь 110Г13Л можно по­лучить методом смешения кислой электростали (<0,15 % С; <0,06 % Р), выпускаемой при 1600 °С в ковш с разогретым кусковым ферро­марганцем. Ковш с ферромарганцем нагревают до 800 °С форсун­кой. При смешении достигается достаточно полное и быстрое выравнивание концентрации марганца по всему объему стали. Однако, качество стали, полученной этим методом, значительно ниже, чем выплавленной из свежих материалов или даже методом переплава.

Особенности технологического процесса получения отливок из стали 110Г13Л определяются специфическими свойствами этого сплава. Интервал его затвердевания 1400—1340 °С, поверхностное натяжение ниже, чем углеродистой стали, в 1,5 раза. Высокомар­ганцовистая сталь по сравнению с углеродистой характеризуется большим коэффициентом термического сжатия (в 2 раза) и меньшей (в 2 раза) теплопроводностью. Низкая теплопроводность стали делает невозможной сквозную закалку стенок отливок толще 120 мм. Кроме этого, в толстом сечении металл имеет пониженные свойства вследствие сильной транскристаллизации и ликвации углерода, фосфора и серы, поэтому толщина стенок отливки должна быть не более 120 мм.

Высокомарганцовистая сталь из-за присутствия оксида мар­ганца агрессивна по отношению к шамотной футеровке ковша и песчаной форме, поэтому целесообразно применять магнезитовые или графитовые пробки и стаканы сифонного припаса. Во избежа­ние формирования трудноотделимого пригара песчаные формы без покрытий можно применять только при изготовлении тонко­стенных отливок. Полость форм средних и крупных отливок це­лесообразно облицовывать составами из основных огнеупорных материалов (магнезит, хромомагнезит) или наносить на поверх­ность полости покрытия.

Несмотря на высокую жидкотекучесть стали 110Г13Л, раз­ливку ее по формам необходимо проводить с большой скоростью, чтобы исключить значительное окисление. Необходимость обеспечения однородности свойств стали в отливаемой партии отливок предопределяет необходимость разливки всей плавки за короткое время в узком интервале тем­ператур и при невысоком перегреве (1420—1500 °С). Повышение температуры заливаемой в форму стали от 1414 до 1530 °С приводит к снижению предела прочности с 800 до 570 МПа, относительного удлинения с 32,5 до 17,4 % и ударной вязкости с 2400 до 1230 кДж/м². Такое изменение связано, прежде всего, со склонностью стали к транскристаллизации и формированием грубой структуры.

Принимая во внимание повышенную литейную усадку стали, в состав формовочных смесей часто вводят опилки, применяют оболочковые стержни, т. е. делают все возможное для увеличения податливости формы. Значительная усадка, интенсивное развитие ее в интервале, близком к температуре кристаллизации, низкая прочность и пластичность при высоких температурах обусловли­вают большую склонность стали 110Г13Л к трещинообразованию. Для борьбы с горячими трещинами, кроме увеличения податли­вости формы, целесообразно снижать до минимума содержание кремния, фосфора и серы, уменьшать окисленность металла, упрочнять слабые места холодильниками и усадочными ребрами.

Из-за низкой теплопроводности и высокого коэффициента термического сжатия в отливках возникают большие термические напряжения, ко­торые вместе с повышенной хруп­костью (в литом состоянии благодаря присутствию карбидов) часто являются причиной образования холодных тре­щин. Для борьбы с холодными трещи­нами используют различные способы выравнивания скоростей охлаждения отдельных узлов отливки. Режим охлаждения отливки в об­ласти высоких температур (950—500 °С) обусловливает количество и размер кар­бидов, выпадающих из аустенита ввиду снижения растворимости в нем углерода. При этом, ускорение охлаждения в интервале интенсивного выделе­ния карбидов позволяет получить более благоприятную литую структуру (мельче карбиды и меньшее их количество). Такое изменение литой структуры в свою очередь дает возможность осуществлять форсированный нагрев отливок под закалку, сокра­щать продолжительность всего цикла (нагрев и выдержку), до­биваться повышения плотности стали. Последнее обстоятельство связано с тем, что карбидная фаза (Fe, Mn)₃С по сравнению с аустенитом характеризуется большим значением удельного объема, поэтому растворение карбидов в процессе термообработки при­водит к возникновению пористости (рис. 96).

Рис. 2.9.1. Фрактограмма изло­ма образца закаленной стали 110ПЗЛ

Реализация оптимального (ускоренного) охлаждения отливок сердечников стрелочных переводов позволила повысить пластич­ность стали, ее стабильность и долговечность отливки.

Для получения высоких пластических, прочностных свойств (обеспечения однофазной аустенитной структуры) все отливки подвергают закалке в холодной проточной воде. Исправление дефектов заваркой производят после закалки отливки, в нагретом состоянии. Заваренную отливку подвергают повторной закалке.

Особенности изготовления отливок из коррозионно-стойких сталей. Высоколегирован­ные хромистые, хромоникелевые и никельхромистые стали часто (для улучшения их свойств и экономии дефицитного никеля) до­полнительно легируют Мо, V, Mn, Cu, Ti, N, В, W.

Хром сообщает высоколегированным сталям свойство пасси­вироваться в окислительных средах. Повышение коррозионной стойкости стали при легировании хромом происходит скачкооб­разно при концентрации хрома в феррите 1/8 моля (11,7 %). Дальнейшее заметное повышение коррозионной стойкости отме­чается при содержании в феррите 2/8, 3/8 и т. д. моля хрома (что соответствует 23,4: 35,1 %). При таких концентрациях хрома электродный потенциал повышается скачкообразно, резко ме­няются химические свойства сплава, и на поверхности стали вместо рыхлого слоя оксидов железа появляется плотная тонкая пленка оксидов хрома. Эта пленка и обеспечивает высокую кор­розионную стойкость хромосодержащих сталей в окислительных средах.

Никель имеет более высокий электродный потенциал, т. е. меньшее сродство к кислороду, чем железо. При сплавлении ни­келя с железом кислотостойкость передается сплаву.

На основании изложенного выше, а также с учетом требова­ний, предъявляемых к структуре, механическим свойствам, усло­виям производства, выбирают оптимальный состав стали. Мини­мальное общее содержание основного легирующего элемента (хрома) в стали назначают с учетом концентрации углерода и воз­можности образования карбидной фазы (Сг, Fe)₇С₃ или (Сг, Fe)₄С. По ГОСТ 977-88 отливки из коррозионно-стойких сталей под­разделяют по структуре на шесть классов.

Стали мартенситного класса (20Х13Л, 10Х14НДЛ, 09Х16Н4БЛ, 09Х17НЗСЛ и др.) применяют для изготовления отливок, работа­ющих в малоагрессивной среде и одновременно в условиях уме­ренных ударных и статических нагрузок (детали повышенной прочности для авиационной, химической и других отраслей про­мышленности, литые детали турбин с рабочей температурой до 600 °С).

Сталь мартенситно-ферритного класса (15Х13Л) обладает удов­летворительной коррозионной стойкостью в атмосферных усло­виях и пресной воде. Из нее можно изготовлять отливки, подвер­женные ударным нагрузкам.

Сталь ферритного класса (15Х25ТЛ) является кислотостойкой и одновременно жаростойкой, предназначена для производства отливок химического машиностроения, не подвергающихся боль­шим механическим нагрузкам. Низкие механические свойства обусловлены крупнозернистой структурой, а повышение концен­трации хрома в феррите снижает пластичность последнего.

Стали аустенитного класса (07Х18Н9Л, 10Х.18Н9Л, 12Х18Н9ТЛ, 10Х18Н11БЛ, 12Х18Н12МЗТЛ, 10Х17Н10Г4МБЛ) обладают максимальной коррозионной стойкостью. Аустенитная хромоникелевая сталь является кислотостойкой и применяется для изготовления различной арматуры в химической промышлен­ности, коллекторов выхлопных систем, печной арматуры, рабо­тающей в среде агрессивных газов, деталей паровых и газовых турбин и т. д. Аустенитная структура стали, содержащей 18 % Сг, получается при введении не менее 8 % Ni. Иногда часть никеля может быть заменена другими, менее дефицитными аустенитизи-рующими элементами, например, азотом, марганцем.

Предельное равновесное количество углеродов, растворимое в аустените хромоникелевой коррозионно-стойкой стали, состав­ляет 0,02—0,03 %. Избыточный углерод может быть переведен в твердый раствор при закалке (1000—1050 °С). Для предотвраще­ния выделения карбидов хрома сталь стабилизируют сильными карбидообразующими элементами (Ti, Та или Nb). Хром в этом случае полностью остается в твердом растворе, а сопротивляемость межкристаллитной коррозии возрастает.

Стали аустенитно-мартенситного класса (08Х14Н7МЛ, 14Х18Н4Г4Л) применяются как коррозионно-стойкие для дета­лей, работающих при нормальных и низких температурах, и ре­комендуются для замены стали 10Х18Н9Л в целях экономии никеля.

Стали аустенитно-ферритного класса (12Х25Н5ТМФЛ, 16Х18Н12С4ТЮЛ) имеют структуру, состоящую из зерен феррита, окаймленного аустенитом, что обусловливает высокие прочностные свойства, удовлетворительную пластичность после соответству­ющей термической обработки. Эти стали, обладающие одновре­менно кислотостойкостью и жаростойкостью при температурах 600-1000 °С, используют для изготовления деталей химического оборудования, оборудования нефтеперегонных заводов, лопаток компрессоров и других деталей.

Большая часть сталей приведенных марок является одновре­менно коррозионно-стойкой и жаростойкой. Жаростойкость, как и коррозионная стойкость, определяется главным образом проч­ностью и плотностью, образуемой на поверхности изделия оксид­ной пленки. Гораздо меньше сталей являются жаропрочными, т. е. способ­ными сопротивляться пластической деформации и разрушению при температурах выше 550 °С. Более высокой жаропрочностью обладают сплавы, соответствующие по составу насыщенному твер­дому раствору, способному к дисперсионному твердению. В ре­зультате дисперсионного твердения выделяющиеся по границам зерен мелкие интерметаллические и карбидные фазы замедляют диффузионные процессы и затрудняют сдвиг кристаллов относи­тельно друг друга. Максимальной жаропрочностью обладают сложиолегированные стали, в которых твердый раствор имеет высокие температуры плавления и рекристаллизации, а дополнительные элементы обра­зуют мелкодисперсные фазы внедрения или вызывают дисперсион­ное твердение за счет частичного распада твердого раствора.

Выплавка высоколегированных хромистых и хромоникелевых сталей осуществляется в печах с основной футеровкой (преиму­щественно дуговых и индукционных). В дуговых печах сталь получают как из свежей шихты с окислением, так и методом переплава, а в индукционных печах - методами сплавления и переплава. Основные технико-экономические проблемы, связанные с подго­товкой качественного литейного расплава, заключаются в преду­преждении чрезмерного угара хрома и других легирующих эле­ментов, получении в стали возможно низкой концентрации угле­рода (0,02—0,03 %) при использовании дешевых шихтовых материалов, рафинировании стали от неметаллических включений и газов.

Технологию выплавки стали методом окисления применяют для особо ответственных отливок. В завалку вместе с низкоуглеродистым ломом задают руду и известь. После расплавления шихты шлак частично или полностью скачивают и наводят новый. С целью обезуглеро­живания ванны, дегазации, удаления неметаллических включений в хорошо нагретый металл добавляют руду или продувают его кислородом. После удаления окислительного шлака проводят раскисление ферросилицием, силикохромом, алюминием, наводят восстановительный шлак и в два-четыре приема вводят нагретый низкоуглеродистый феррохром. В процессе расплавления ферро­хрома шлак раскисляют смесями порошков ферросилиция, алю­миния и силикокальция. Титан в виде ферротитана вводят в ванну перед выпуском. Губку или металлические отходы титана приса­живают в ковш.

Переплав высоколегированных отходов можно вести как с при­менением газообразного кислорода, так и без него. Если наличие отходов позволяет получить содержание углерода в ванне по рас­плавлении на 0,05—0,1 % меньше заданного нижнего предела, то плавку ведут без применения кислорода. Если состав металла по расплавлении близок к расчетному, то проводят раскисление шлака молотым коксом, ферросилицием и алюминием. Легирующие элементы при этом восстанавливаются из оксидов шлака. Чаще применяют технологию, предусматрива­ющую кратковременную продувку ванны газообразным кислородом.

Обезуглероживание высокохромистой ванны базируется на избирательном окислении углерода при высокой температуре в при­сутствии хрома. Благодаря экзотермическим реакциям продувае­мый кислородом металл нагревается значительно быстрее, чем от электрических дуг. Барботаж ванны обеспечивает снижение в стали азота и водорода. После раскисления силикохромом и ферросилицием состав корректируют присадкой феррохрома и других легирующих эле­ментов, шлак раскисляют порошкообразными смесями алюминия и ферросилиция.

Выплавка экономнолегированных азотосодержащих корро­зионно-стойких литейных сталей связана с решением двух проблем: обеспечением стабильного усвоения азота и использованием недефицитных, дешевых материалов и методов. Одним из перспективных решений этих проблем является азото-кислородная продувка ванны. Эта технология предусматривает получение в печи полупродукта из легированных отходов и лома, дешевых марок углеродистого феррохрома и его продувку в печи кислородом для снижения концентрации углерода до 0,1 %. Этот полупродукт, температура которого 1750 °С, сливают в ковш вместе со шлаком и продувают через пористые пробки последовательно осушенным воздухом и азотом (рис. 97).

Рис. 2.9.2. Изменение содержания углеро­да (1), азота (2) и хрома (3)

во время продувки сплава воздухом

После раскисления силико-кальцием сталь переливают в разливочный ковш. Выплавленная таким обра­зом экономнолегированная ни­келем азотосодержащая сталь содержала 0,12—0,16 % азота и обладала более высокими технологическими и служебны­ми свойствами, чем сталь 10Х18Н9ТЛ.

Высоколегированные хроми­стые и хромоникелевые стали различных марок мало отличаются друг от друга по литейным свой­ствам, поэтому технологические процессы изготовления отливок имеют много общего. Жидкотекучесть хромистых и хромоникелевых высоколегированных сталей выше, чем углеродистых с соот­ветствующим содержанием углерода. Увеличение жидкотекучести связано с более низкой температурой солидуса (на 50—20 °С) и ликвидуса (на 70—30 °С) легированных сталей по сравнению с углеродистыми сталями. Существенному повышению жидко­текучести способствует продувка стали инертным газом в ковше. Однако, несмотря на это, формы необ­ходимо заливать сталью с большим перегревом и быстро. Увели­чение температуры и скорости заливки вызвано склонностью этих сталей к пленообразованию. Наличие плен, состоящих главным образом из оксидов хрома и железа, не только ухудшает условия заполнения полости формы, но может быть причиной резкого сни­жения качества отливки из-за нарушения ее сплошности и повы­шенной склонности к пригару. Чтобы предупредить получение плен и включений в отливках со средней толщиной стенок, сталь разливают быстро при 1580—1600 °С. Конструкция литниковой системы, выбор места и способа подвода металла должны обеспе­чивать его плавное движение, исключать образование встречных потоков.

С целью уменьшения окисления в период заливки и пригара на поверхность формы целесообразно наносить противопригарные покрытия, облицовочные смеси на основе хромистого железняка, хромомагнезита и циркония, проводить разливку в среде аргона, применять фильтровальные устройства в литниковой системе. Особо следует подчеркнуть недопустимость применения углеродсодержащих связующих и добавок. В этом случае углеродом насы­щается поверхностный слой отливки глубиной ~2 мм, содержание углерода в нем достигает 0,3 %, что резко снижает сопротивление

межкристаллитиой коррозии.

Повышенная температура заливки вызывает формирование.грубой первичной структуры, которую часто невозможно изменить термической обработкой вследствие отсутствия у ряда сталей фазовых превращений. Измельчение первичного зерна достигается дополнительным легированием и модифицированием стали Mg, N, В, Се, Ti, Zr.

Высокая температура заливаемой стали, пониженная ее тепло­проводностью, быстрое заполнение формы способствуют образова­нию больших (по сравнению с углеродистой сталью) усадочных раковин, что требует увеличения размеров прибылей. В целях уменьшения расхода жидкого металла при производстве отливок из высоколегированных хромистых и хромоникелевых сталей особенно эффективны дополнительный разогрев металла в при­были, использование повышенного воздушного и газового давле­ния и др.

Большая растворимость газов и трудность их удаления из затвердевающей отливки вследствие повышенной вязкости стали часто являются причинами образования в отливках газо­вых раковин.

Линейная усадка коррозионно-стойких жаростойких и жаро­прочных сталей изменяется в широких пределах в зависимости от их структуры. Максимальную усадку имеют стали аустенитного класса, а минимальную — стали мартенситного класса. Низкая теплопроводность, крупнозернистая структура, недостаточная пла­стичность и прочность при высоких температурах вызывают повы­шенную склонность сталей, высоколегированных хромом и нике­лем, к образованию горячих трещин, поэтому литейная форма должна обладать максимально достижимой податливостью.

Хро­мистые стали почти всех классов (по структуре) склонны к обра­зованию холодных трещин. Причиной этого является повышенная хрупкость из-за наличия карбидов, σ-фазы. Значительно меньше опасность образования холодных трещин в хромосодержащих сталях аустенитного класса из-за низкого предела упругости и сравнительно хорошей пластичности. Многие отливки подвергают различным видам термической обработки, режим которых опре­деляется химическим составом стали и назначением отливки.

Особенности технологии изготовления отливок из хладностойких сталей. Развитие криогенной техники, бурное освоение сырье­вой базы в районах Крайнего Севера и Дальнего Востока потре­бовали изготовления машин и различного оборудования, способ­ного надежно и длительно работать при отрицательных темпера­турах. Основной причиной, вызывающей снижение пластичности и сопротивления хрупкому разрушению в области отрицательных температур, является загрязненность сплава кислородом, серой, фосфором, рядом цветных металлов. С их присутствием связано образование различной формы неметаллических включений, сни­жение межкристаллической прочности.

Многолетняя практика по­казала, что допускаемые стан­дартом концентрации серы и фосфора (~0,04-0,05 % каж­дого) являются чрезвычайно высокими. При уменьшении со­держания серы в нелегирован­ной и низколегированной кон­струкционных сталях от 0,04 до 0,01 % ударная вязкость возрастает в 2-3 раза, сни­жается порог хладноломкости. Отрицательное влияние серы и фосфора на ударную вязкость низколегированных марганцем литейных сталей с различным содержанием углерода иллю­стрируется рис. 98.

Устано­влено, что наибольший рост пластичности и ударной вяз­кости достигается при содержании серы менее 0,01%. Следовательно, одним из направле­ний повышения хладностойкости стали является её глубокая десульфурация.

Количество оксид­ных включений и их форма во многом определяются природой раскислителей и технологией проведения этой операции. Приме­нение для окончательного раскисления силикокальция, силикобария, силицидов РЗМ (33 % РЗМ, 33 % Si, 33 % Fe) позволяет не только снизить общую загрязненность стали неметаллическими включениями, но и придать им более благоприятную округлую форму.

Рис. 2.9.3. Влияние серы (сплошные ли­нии) и модифицирования (штриховые линии)

на ударную вязкость сталей) при темпе­ратуре 20 (а) и - 60 °С (б)

1 – сталь 10ГЛ, 2 - сталь 20ГЛ, 3 – сталь 35ГЛ.

Существенное значение имеет строение металлической основы. Мелкозернистая равноосная структура матрицы, полу­чаемая в результате легирования и термической обработки, повы­шает хладостойкость стали.

Особенностью хладостойких литейных сталей (ГОСТ 21357-87) является низкая допустимая концентрация серы и фосфора (до 0,02 % каждого). Большую часть сталей легируют молибденом (0,1 -0,3 %) и ванадием (0,06—0,15 %). Стандарт требует обрабатывать сталь при выплавке комплексными раскислителями и лигатурами РЗМ. Литые детали из хладостой­кой износостойкой стали эксплуатируют при температуре до - 60 °С.

Таким образом, основные особенности производства хладостойких отливок заключаются в выплавке, модифицировании сплавов и термической обработке отливок.

Кафедра технологии литейных процессов

«ПРОИЗВОДСТВО ОТЛИВОК ИЗ СТАЛИ И ЧУГУНА»

Дата добавления: 2014-01-07