ОТЛИВКИ ИЗ ЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ. Высокомарганцовистая сталь

 

  Вся электронная библиотека >>>

 ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО>>>

  

 

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО


Раздел: Производство

   

§ 3. ОТЛИВКИ ИЗ ЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ

  

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.

Элементы с гексагональной решеткой — титан, кобальт, бериллий и некоторые редкоземельные металлы составляют третью группу.

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, N, Си расширяют область устойчивости аустенита, под влиянием этих элементов повышается температура А4 и снижается Л3. Элементы Сг, Si, Al, W, V, Mo, Ti, Be замыкают область у, снижая точку А4 и повышая Л3. При определенны* 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.

Отливки 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 ат/ав (до 70 %), чем углеродистые.

В ГОСТ 977—75 наряду с 9 марками нелегированных сталей включена 21 марка низколегированных. Целый ряд марок конструкционных сталей регламентирован отраслевыми стандартами.

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

Кремний растворяется в феррите и цементите. Образуя раствор, кремний 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 сС) для снятия напряжений, сфероидизапии «вторичного цементита и частичного его распада. Степень графитизации при этом минимальна. Отливки, от которых требуются высокие антифрикционные свойства, подвергаются высокотемпературному отжигу (~1000 СС) с целью разложения цементита. Для повышения механических свойств иногда после графитизирующего отжига проводят закалку с отпуском.

Марганец является элементом, расширяющим область у-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 j(Fe, Мп)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 % Мп), среднеугле- родистую (0,3—0,4 % С; 1,1—1,9 % Мп) и повышенной прочности (до 0,4 % С; 1,05—2,0 % Мп). 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—75 группа марганцовистых сталей представлена марками 20ГЛ и 35ГЛ.

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.

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. Стали с низким содержанием угле

рода наряду с высокой прочностью имеют удовлетворительную пластичность. С повышением содержания углерода пластичность сильно падает, и такие стали можно применять для отливок, подвергающихся повышенному износу при отсутствии ударных нагрузок.

Ванадий. Объем производства отливок из ванадиевых сталей в последние годы непрерывно увеличивается. Применение ванадия в небольших количествах          %) в несколько раз

более эффективно, чем применение таких же количеств Мп, Si, Сг, Ni и др.

Ванадий образует прочный карбид VC, который существует наряду с цементитом. Мелкодисперсный карбид VC 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 ЗОГСЛ, 35ХГСЛ (хромансили), 35ХМЛ, 35НГМЛ, ЗОХНМЛ, 08ГДНФЛ и др. Молибденсодержащие стали характеризуются меньшей отпускной хрупкостью, лучшей прокаливаемостью.

В технической литературе приводятся примеры сложнолеги- рованных конструкционных литейных сталей, имеющих в своем составе более десятка легирующих элементов. Предел текучести некоторых из них достигает 1800 МПа при относительном удлинении ~15 %.

Отливки из высоколегированных сталей со специальными свойствами. Среди высоколегированных сталей, применяемых для изготовления фасонных отливок, наибольшее распространение получили износостойкие стали 110Г13Л, 120Г13Х2БЛ, 130Г14ХМФАЛ (ГОСТ 2176—77), а среди них, в свою очередь, сталь 110Г13Л. По структуре она относится к аустенитному классу. Устойчивая аустенитная структура образуется в Fe— Мп—С-сплавах, содержащих 1 —1,3 % Си 9—15 % Мп. Медленно охлажденные сплавы этого состава состоят из аустенита и карбидной фазы переменного состава (Fe, Мп)3С. Аустенит представляет собой твердый раствор замещения марганца в железе, в котором углерод находится между узлами кристаллической решетки. Отливки подвергают закалке: нагрев до 1050—1100 °С и охлаждение в холодной воде. После термической обработки сталь 110Г13Л немагнитна, приобретает высокие свойства: ов = 800 -=-1000 МПа; ат = 250-М00 МПа; ат/ов = 30-г-40%; 6 = 40-55 %; \|> = 35-г- 45 %; KCU = 2000-7-3000 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 НВ. 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 Мп; 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 Мп/С = 10. Повышение содержания углерода уменьшает пластичность, а понижение — износостойкость. Увеличение содержания кремния, желательное 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 он вносится в сталь на заключительном этапе плавки легирующей дозой ферромарганца, в обычных сортах которого концентрация фосфора составляет 0,35—0,55 %. Ю. А. Шульте с сотрудниками доказал чрезвычайно вредное влияние этой примеси, особенно на пластические свойства. Так, каждая 0,01 % фос» фора в пределах марочного состава снижает ударную вязкость на 0,3 мДж/м2, относительное удлинение на 1 %. Применение для выплавки стали ферромарганца с низким содержанием фосфора при изготовлении особо ответственных отливок следует признать необходимым.

Сталь 110Г13Л можно выплавлять в дуговых и мартеновских печах. В зависимости от конкретных условий производства (наличия плавильных агрегатов, шихтовых материалов) и требований, предъявляемых к качеству отливок, высокомарганцовистую сталь можно получать из свежих материалов в основных дуговых или мартеновских печах, переплавом отходов производства и лома этой стали в тех же печах, заливкой низкоуглеродистой перегретой стали в ковш с разогретым кусковым ферромарганцем, смешением в ковше низкоуглеродистой стали с расплавленным ферромарганцем.

В СССР сталь 110Г13Л выплавляют преимущественно в дуговых печах с основной футеровкой. При выплавке стали из свежих материалов шихту составляют из отходов углеродистой стали и передельного чугуна в соотношении, обеспечивающем получение ~0,4 % С после расплавления. В качестве шлакообразующего материала в завалку вводят известь.

Процесс плавки состоит как бы из двух этапов: получения низкоуглеродистой стали с 0,1—0,15 % С и легирования этой стали марганцем. После расплавления при нормальном содержании углерода 0,4 %) проводят кипение металла с помощью железной руды или газообразного кислорода.

В случае использования низкоуглеродистой шихты, когда в ванне после расплавления содержание углерода не превышает 0,15 %, а фосфора 0,03 %, передельный чугун не добавляют, кипение не проводят. После разогрева ванны удаляют окислительный шлак и осуществляют раскисление. Однако сталь, полученная без окисления, менее качественна.

После удаления окислительного шлака проводят предварительное раскисление силикомарганцем или ферромарганцем и ферросилицием. Затем загружают флюсы (известь, плавиковый шпат, молотый кокс и дробленый ферросилиций) для образования белого шлака и перемешивают ванну. Ферромарганец для легирования вводят в три-четыре приема. В печи под белым шлаком протекает диффузионное раскисление; сталь очищается от оксида марганца, отрицательно влияющего на ее эксплуатационные и технологические свойства. Содержание оксида железа в шлаке перед выпуском не должно превышать 1 %. 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, а также получающих стальной лом этой марки, 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 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.

Сталь 110Г13Л может быть также получена смешением в ковше низкоуглеродистой стали, полученной в любом плавильном агрегате, с расплавленным (например, в вагранке) ферромарганцем. Качество стали, полученной этими методами, значительно ниже, чем выплавленной из свежих материалов или переплавом.

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 огливки 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. Получение однородных свойств стали во всех отливках предопределяет необходимость разливки всей плавки за короткое время в узком интервале температур и при невысоком перегреве (1420—1500 °С). По данным Ю. А. Шульте, повышение температуры заливаемой в форму стали от 1414 до 1530 СС приводит к снижению ав, б и КС\} соответственно от 800 до 570 МПа, от 32,5 до 17,4 % и от 2400 до 1230 кДж/м2. Такое изменение связано прежде всего с укрупнением аустенитных зерен, т. е. с огрублением 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 терми

ческого 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. По данным А. М. Михайлова, В. Б. Беловодского и К. И. Красикова, 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)dC по сравнению с аусте- нитом характеризуется большим значением удельного объема, поэтому растворение карбидов в процессе термообработки приводит к возникновению пористости ( 96).

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.

Отливки из коррозионно-стойких сталей. Высоколегированные хромистые, хромоникелевые и никельхромистые стали часто (для улучшения их свойств и экономии дефицитного никеля) дополнительно легируют Mo, V, Мп, Си, Ti, N, В, W Химические свойства металлов зависят от их сродства к кислороду и способности пассивироваться.

 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)vC3 или (Сг, Fe)4C. По ГОСТ 2176—77 отливки из коррозионно-стойких сталей подразделяют по структуре на шесть классов.

Стали мартенситного класса (20X1ЗЛ, 10X14НДЛ, 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, ЮХ18Н9Л, 12Х18Н9ТЛ, 10Х18Н11БЛ, 12Х18Н12МЗТЛ, 10Х17Н10Г4МБЛ) обладают максимальной коррозионной стойкостью. Аустенитная хром они келевая 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 (08 X14Н7МЛ, 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 сложнолегирован- ные 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 только вторым методом. 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 из свежей шихты с окислением применяют для особо ответственных отливок. По данным Ю. А. Шульте оптимальной является следующая последовательность операций. 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 применять кислород не следует (по данным Ф. И. Еднерала). 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 по крайней мере 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 СС, сливают в ковш вместе со шлаком и продувают через пористые пробки последовательно осушенным воздухом и азотом ( 97). После раскисления силико- кальцием сталь переливают в разливочный ковш.

Выплавленная таким образом экономнолегироваиная 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 хромоникеле- вых 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. Особенно высокой жидкотекучестью характеризуются экономнолегированные азотосодержащие стали, не стабилизированные титаном. Существенному повышению жидкотекучести способствует продувка стали инертным газом в ковше.

Однако, несмотря на хорошую жидкотекучесть, 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. С>собо следует подчеркнуть недопустимость применения углеродо- содержащих крепителей и добавок. В этом случае углеродом насыщается поверхностный слой отливки глубиной ~2 мм, содержание углерода в нем достигает 0,3 %, что резко снижает сопротивление

межкристаллитной 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.

Йысокая 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, а-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.

 

СОДЕРЖАНИЕ:  Литейное производство: Учебник для металлургических специальностей вузов

 

Смотрите также:

 

СТАЛЬ. Углеродистые стали. Углеродистая сталь.

Механические характеристики стали для отливок с толщиной стеики до 100 мм после окончательной термической обработки указаны в табл. 4.14.
Легирующие добавки, легированные стали.

 

Выплавка стали. Стальное литьё

Стальное литьё. Для устранения возможности образования усадочных раковин в узлах и массивных частях отливки, при проектировании и изготовлении формы
Электрометаллургия легированной высококачественной стали ...

 

Углеродистая сталь. Углеродистую сталь разливают...

т. Кроме того, углеродистая сталь используется для получения стальных отливок.
Поковки из конструкционной углеродистой низколегированной и легированной стали изготовляются в соответствии с ГОСТ 8479—70.

 

Сталь. Легированная сталь. Сталью называется сплав...

В легированной стали наряду с обычными примесями имеются один или несколько специальных элементов, улучшающих ее
Широкое применение в металлообработке имеет один из видов инструментальной легированной стали — быстрорежущая сталь.

 

Производство стали. Конверторный способ получения стали.

Получение стальной отливки значительно сложнее, чем чугунной, так как у стали большая усадка (стали— 2%, чугуна—1 %), необходима высокая температура (до 1600 °С), выше растворимость газов, что способствует пузыристости стальной отливки.

 

Углеродистые стали. Черные металлы и стали

Литейный серый чугун используют для получения фасонных отливок.
Легированные стали выпускают конструкционные, инструментальные и специального назначения, отличающиеся некоторыми специфическими свойствами.

 

Маркировка легированных сталей и сварочной проволоки

Сварка легированной стали.
Обозначение марок легированной стали аналогично тому, как обозначаются марки сварочной проволоки, за исключением первых букв Св, ...