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 . 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.

Литература

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