Суспензионная разливка

Влияние суспензионной заливки на качество отливок из высокомарганцевой стали

С. П. Марков

Опыт эксплуатации многих деталей из стали 110Г13Л при больших удельных напряжениях показывает, что наиболее интенсивный их износ и смятие на рабочей поверхности происходит в начальный период рабо­ты. После получения некоторого наклепа (приблизительно до твердости НВ 400-480) смятие рабочей поверхности заканчивается и дальнейший ее износ происходит за счет истирания. Повышение предела текучести и временного сопротивления стали уменьшает смятие в первый период эксплуатации и повышает общую износостойкость детали [1].

Исследованиями установлено, что на прочность и особенно пластич­ность литой стали большое влияние оказывает характер структуры, об­разующейся в процессе первичной кристаллизации. Под ней необходимо понимать величину кристаллов, их форму и ориентацию; перераспреде­ление химических элементов; количество и размеры пор, пустот, тре­щин и т. п. При изучении макростроения и изломов отливок из стали 110Г13Л была установлена повышенная склонность этой стали к столб­чатой кристаллизации (транскристаллизации).

Рассмотрим появление столбчатого строения в литой стали. Сопри­косновение жидкой стали ;с холодной стенкой формы вызывает быстрое охлаждение металла. При этом образуется неглубокая зона мелкозерни­стой структуры с прямой линией раздела между твердой и жидкой фазами. Поверхность раздела в дальнейшем продвигается в сторону жидкой фазы, и жидкий раствор вблизи поверхности раздела обога­щается растворенным элементом, т. е. химический состав жидкой фазы непрерывно меняется. Создается заметная химическая неоднородность между поверхностью отливки и ее центральной частью, что особенно заметно по марганцу и углероду. Обогащение жидкой фазы марганцем и углеродом приводит к понижению температуры плавления такого сплава.

После образования зоны мелкозернистой структуры начинается интенсивный рост дендритов, продолжающийся до тех пор, пока в жид­ком металле не начнут самопроизвольно образовываться центры кри­сталлизации вследствие равномерного понижения температуры жидкой фазы в отливке. Замедленный теплоотвод от жидкой фазы из-за малой теплопроводности кристаллизующегося металла способствует развитию столбчатой кристаллизации.

Марганцевая сталь 110Г13Л, сочетающая в себе низкую теплопро­водность, высокую степень легирования и достаточно большую линейную скорость кристаллизации, обладает повышенной склонностью к столбча­той кристаллизации по сравнению с ферритными сталями. Кроме того, на интенсивность роста дендритов влияет температура заливаемой ста­ли и скорость ее охлаждения.

Развитие столбчатого строения в отливках из стали 110Г13Л обуславливает характер межкристаллитной пористости, связанной с процес­сом первичной кристаллизации. Междендритный расплав с температу­рой ликвидуса, пониженной в результате обогащения его легирующими. элементами (марганцем, углеродом и др.), оказывается изолированным от источника питания выросшими столбчатыми кристаллами. Микроско­пические поры, образующиеся при этом, получаются тонкими, вытяну­тыми вдоль столбчатых кристаллов.

Установлено, что микроскопическая междендритная пористость играет роль концентраторов напряжений и является более эффективной и опасной, чем поверхностные надрезы.

Столбчатое строение косвенно приводит к снижению сопротивляе­мости стали ударным нагрузкам и повторно циклическим нагружениям. Поэтому при отливке деталей из высокомарганцевой стали необходимо стремиться к получению мелкозернистого равноосного строения.

Недопустимость столбчатого строения подтверждается результата­ми испытаний стали 110Г13Л на износ в шаровых мельницах. При пони­жении температуры заливки, ведущей к сокращению столбчатой струк­туры, от 1790 до 1683 К износостойкость дробильных плит повышается в 1,3 раза [2].

На изменение характера первичной кристаллизации марганцевой стали эффективное влияние оказывает введение малых добавок моди­фикаторов или инокуляторов таких, как бор, титан, церий и др. Их влияние обусловлено физико-химическими процессами, происходящими при кристаллизации. Выделяясь по границам зерен, соединения этих элементов препятствуют росту зерна, что способствует формированию мелкозернистого равноосного строения.

Особенностью получения отливок из стали 110Г13Л является необ­ходимость применения значительного перегрева металла, что преду­преждает возможность появления спаев на теле отливок, которые зали­ваются из ковша последними охлажденными порциями металла. В то же время при повышении температуры перегрева отливки, заливаемые из ковша первыми, имеют ярко выраженную столбчатую структуру,,, которая служит браковочным признаком.

Для решения этой дилеммы было предложено использовать суспен­зионный способ заливки, при котором устраняются указанные противоречия. Обычно высокий перегрев требуется для первых порций металла, поступающего в форму, так как именно они подвержены интенсивному охлаждению. Последующие порции, продвигаясь по уже нагретым кана­лам, только увеличивают тепловую напряженность работы формы и спо­собствуют образованию дефектов. Использование суспензионного спо­соба дает возможность начинать заливку с минимально допустимым: перегревом и снимать избыточную теплоту металла последующих пор­ций вводом микрохолодильников [3].

Исследования на отливках из стали 110Г13Л показали, что приме­нение микрохолодильников устраняет столбчатость.

Аналогичные результаты получены и при заливке суспензионным способом траков для сельхозмашин [4]. Наряду с отсутствием транс­кристаллизации на этих деталях отмечалось увеличение стрелы прогиба, на 16%. Эти данные косвенно свидетельствуют о повышении износостой­кости изделий.

Целью данной работы являлось повышение износостойкости дро­бильных плит, отливаемых из стали 110Г13Л. Установлено, что износо­стойкость находится в прямой зависимости от степени измельчения струк­туры. Поэтому предполагалось повысить износостойкость дробильных, плит суспензионным способом.

При выборе порошка для суспензионной заливки дробильных пли было решено использовать молотый ферромарганец фракции не боле 3 мм в поперечнике. Причина такого выбора заключается в том, что обычно применяемый при суспензионной заливке железный порошок является дефицитным материалом и температура его плавления выше температуры заливки марганцевой стали. Последнее может привести : наличию в структуре нерасплавившихся частиц. Количество вводимы: микрохолодильников для дробильных плит было рассчитано по методике, предложенной в работе [3], и составило 1,2-1,6% от веса заливаемого металла. Выбранные для исследования дробильные плиты имел) размеры 850X600X60 мм массой 280 кг и ребристую поверхность рабочей плоскости.

Одним из главных вопросов суспензионной заливки является создание условий для равномерного рассредоточения вводимых микрохолодильников по всему объему отливки, что приобретает особое значение при использовании легирующих добавок в качестве микрохолодильников. Неравномерность их распределения может привести к обогащение одних и обеднению других частей отливки легирующим компонентом Поэтому было проведено исследование равномерности распределения вводимого порошка ферромарганца по плоскости дробильной плиты.

По принятой технологии подвод металла в полость формы осуществляется двумя питателями с торца отливки. Вся отливка, за исключением небольших выступающих частей, расположена в нижней полуформе, что позволило провести визуальное наблюдение за ходом заполнением металлом полости формы. Заливка проводилась при снятой верхней полуформе. Элементы литниковой системы, идентичные принятым по технологии, выполнялись в специальной надставке, выполненной таким образом, чтобы не перекрывать плоскость отливки.

Наблюдение за заполнением формы металлом показало, что в первые 2-3 с после начала заливки металл накапливается в участках донной части формы, расположенных напротив питателей. Далее идет растекание металла по плоскости дна формы, и через 8-10 с происходит полное закрытие металлом донной поверхности. Последующие порции металла обеспечивают равномерный подъем уровня металла в форме. Наблюдаемое перемещение металла по плоскости отливки охватывает большую часть поверхности, за исключением тех участков, которые наи­более удалены от питателей. Общая продолжительность заливки соста­вила 45-50 с.

Таким образом, можно сделать вывод, что ввод микрохолодильни­ков допустимо начинать через 8-10 с после начала заливки. Кроме того, желательно увеличить число питателей с равномерным их распре­делением по длине торцовой части отливки.

Несмотря на образование некоторых застойных зон в плоскости отливки, химический анализ показал достаточно равномерное распре­деление порошка ферромарганца в отливке. Было исследовано 13 точек на поверхности отливки, на которых минимальное содержание марганца составило 12,4%, а максимальное — 12,9 %. Величина отклонения от среднего значения 12,65% составила всего ±0,25%, что вполне допусти­мо. Можно предполагать, что после увеличения числа питателей степень распределения микрохолодильников окажется еще выше.

Анализ макроструктуры заливаемых отливок показал, что у экспе­риментальных отливок наблюдается полное отсутствие транскристалли­зации и резкое измельчение зерна. В то время как у обычных отливок зона транскристаллизации составляет приблизительно 1/2 половины толщины отливки. Согласно литературным данным снижение зоны транскристаллизации косвенно свидетельствует о повышении износо­стойкости полученных отливок.

Несмотря на отсутствие натурных испытаний полученных отливок, можно считать, что способ суспензионной заливки является способом, устраняющим транскристаллизацию сталей типа 110Г13Л и повышаю­щим их износостойкость.

1. Власов В. И., Комолова Е. Р. Литая высокомарганцевая сталь. М Машгиз, 1963

2. Грузин В. Г. и др Температурный режим плавки и литья стали Г13Л. В сб: Литейное производство, вып. 15 М, ЦИТЭИН, 1960

3. Рыжиков А. А., Рощин М И , Фокин В. И. и др Совершенствование технология стального литья. М: Машиностроение, 1977.

4. Гаврилин И. В. Формирование стальных отливок при суспензионном методе литья КД. Горький ГПИ им А. А Жданова, 1969