Отливки из высоколегированных сталей

Категория:
Литейное производство


Отливки из высоколегированных сталей

Отливки из высокомарганцовистой стали 110П3Л. Среди высоколегированных сталей, применяемых для изготовления фасон-пых отливок, сталь 110П3Л получила наибольшее распространение; по структуре она относится к аустенитному классу. Устойчивая аустенитная структура образуется в Fe-Mn-C сплавах, содержащих 1,0-1,3% С и 9-15% Мп. Медленно охлажденные сплавы этого состава состоят из аустенита и карбидной фазы переменного состава (Fe, Мп)3С. Аустенит представляет собой верный раствор замещения марганца в железе, в котором угле-поппНаХ0ДИТСЯ между узлами кристаллической решетки. Отливки одвергают закалке (нагрев до 1050-1100° С и охлаждение в хо-

Уникальным свойством стали является высокое сопротивление износу при работе в условиях ударных или высоких статических нагрузок, когда сталь наклёвывается и твердость ее возрастает до НВ 500-600. Упрочнение стали при наклепе вызывается дроблением зерна аустенита на мелкие блоки, выпадением дисперсных карбидов, а также превращением по плоскости сдвигов аустенита в мартенсит. Склонность к наклепу делает эту сталь труднообрабатываемой. Специфические свойства стали 110П3Л определили практическую область ее применения. Из этой стали в основном изготовляют отливки сердечников стрелочных переводов и крестовин железнодорожных (главным образом, трамвайных) путей, сменных деталей щековых и конусных дробилок, экскаваторов и многих других машин.

Увеличение кремния, желательное для повышения износостойкости, вызывает образование трещин. Фосфор и сера отрицательно влияют на эксплуатационные и технологические свойства, поэтому их содержание должно быть минимальным.

Выплавку стали 110П3Л можно осуществлять в дуговых и мартеновских печах, конвертерах с боковым или верхним дутьем. В зависимости от конкретных условий производства (наличие плавильных агрегатов, шихтовых материалов) и требований, предъявляемых к качеству отливок, высокомарганцовистую сталь можно получить: 1) из свежих материалов в основных электродуговых или мартеновских печах; 2) переплавом в тех же печах отходов производства и лома этой стали; 3) заливкой низкоуглеродистой перегретой стали в ковш с разогретым кусковым ферромарганцем; 4) смешением в ковше низкоуглеродистой стали с расплавленным (в вагранке или другом агрегате) ферромарганцем.

Процесс плавки состоит как бы из двух этапов:
1) получения низкоуглеродистой стали (0,10-0,15% С) и 
2) легирования этой стали марганцем.

После расплавления при нормальном содержании углерода (не ниже 0,4%) проводят кипение металла при помощи железной руды или газообразного кислорода.

В случае использования низкоуглеродистой шихты, когда в ванне после расплавления содержание углерода не превышает 0,15%, а фосфора 0,035%, передельный чугун не добавляют, кипение не проводят. После разогрева ванны удаляют окислительный шлак и осуществляют раскисление. Однако такая сталь (без окисления) менее качественна и может быть использована только для неответственных отливок.

После удаления окислительного шлака проводят предварительное раскисление силикомарганцем или ферромарганцем и ферросилицием. Затем загружают флюсы для образования белого шлака (известь, плавиковый шпат, молотый кокс и дробленый ферросилиций) и перемешивают ванну. Ферромарганец для легирования вводят в 3-4 приема. В печи под белым шлаком протекает диффузионное раскисление: сталь очищается от закиси марганца, отрицательно влияющей на ее эксплуатационные и технологические свойства. Окончательное раскисление стали проводят на желобе печи алюминием (0,8-1,0 кг алюминия на 1 т металла).

В крупных сталелитейных цехах, специализирующихся на выпуске отливок из стали 110П3Л, а также получающих стальной лом этой марки, часто применяют метод переплава. В этом случае шихту составляют на 90-100% из отходов производства и лома и только до 10% -из низкоуглеродистой стали (добавляют для корректировки содержания углерода в готовой стали). 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 вводят 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 выпуска стали. Продолжительность выдержки под белым шлаком и требования к шлаку остаются теми же, что и при выплавке стали из свежих материалов.

Особенности технологического процесса получения отливок из стали 110П3Л определяются специфическими свойствами этого сплава. Поверхностное натяжение этой стали ниже, чем углеродистой 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 120-150 мм. Кроме этого, в толстом сечении металл имеет пониженные свойства вследствие сильной транскристаллизации и ликвации углерода, фосфора, серы. Поэтому толщину стенок отливки рекомендуется назначать до 120 мм.

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. Учитывая возможность химического взаимодействия окиси марганца с кремнием, кварцевый песок в составе облицовочных смесей иногда заменяют молотым магнезитом.

Высокомарганцовистая сталь из-за присутствия закиси марганца агрессивна и по отношению к шамотной футеровке ковша и сифонного устройства. Поэтому для обеспечения разливки необходимо применять магнезитовые или графитовые пробки и стаканчики. Несмотря на высокую жидкотекучесть стали 110П3Л, разливку ее по формам необходимо проводить с большой скоростью, чтобы исключить значительное окисление. Заливка с большой скоростью повышает пластические свойства стали, трещино-устойчивость, уменьшает пригар. Значительная усадка, интенсивное развитие ее в интервале, близком к температуре кристаллизации, низкая прочность и пластичность при высоких температурах обусловливают большую склонность стали 110П3Л к трещинообразованию. Для борьбы с горячими трещинами, кроме увеличения податливости формы, целесообразно снижать до минимума содержание кремния, фосфора и серы, уменьшать окисленность металла, осуществлять упрочнение слабых мест холодильниками, 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 различных узлов отливки.

Для получения высоких пластических, прочностных свойств все отливки подвергают закалке в холодной проточной воде. Качественное проведение закалки обеспечивает получение одно-казной аустенитной структуры. Исправление дефектов заваркой поизводится после закалки отливки, в нагретом состоянии. Заваренная отливка подвергается повторной закалке.

Корозионностойкие отливки изготовляют из высоколегированных хромистых, хромоникелевых и никельхромистых сталей. Часто для улучшения свойств этих сталей их дополнительно легируют Mo V, Mn, Си, Ti, N, В, W. Химические свойства металлов зависятот их сродства к кислороду и от способности пассивироваться (образовывать на поверхности плотную, прочную пленку окислов, разобщающую основной металл от агрессивной среды).

В высоколегированных сталях хром сообщает им свойство пассивироваться в окислительных средах. Повышение коррозионной стойкости стали при легировании хромом происходит скачкообразно при концентрации хрома в феррите, равной V8 моля. Дальнейшее заметное повышение коррозионной стойкости отмечается при содержании в феррите 2/8, 3/8 и т. д. моля хрома (что соответствует 11,7; 23,4; 35,1 вес. %). При таких концентрациях хрома электродный потенциал повышается скачкообразно, резко меняются химические свойства сплава и на поверхности стали вместо рыхлого слоя окислов железа появляется плотная тонкая пленка окислов хрома. Эта пленка и обеспечивает высокую коррозионную стойкость хромсодержащих 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.

Стали ферритного класса (15Х25ТЛ, 75Х28Л, 185Х34Л) являются кислотостойкими и одновременно жаростойкими, предназначаются для изготовления отливок химического машиностроения, не подвергающихся большим механическим нагрузкам. Низкие механические свойства обусловлены крупнозернистым строением, а повышение концентрации хрома в феррите снижает его пластичность.

Стали аустенитного класса (10XI8Н9ТЛ, 10XI8Н9Л, 5XI8Н9Л, 15Х25Н19СЛ, 45XI7ПЗНЗЮЛ, 55XI8П4СТЛ и др.) обладают максимальной коррозионной стойкостью. Чисто аусте-нитная структура в стали, содержащей 18% Сг, получается при введении не менее 8% Ni (иногда часть никеля может быть заменена другими, менее дефицитными аустенитизирующими элементами, например азотом, марганцем). Предельное равновесное количество углерода, растворимое в аустените этой стали, составляет 0,02- 0,03%. Избыточный углерод может быть переведен в твердый раствор закалкой от 1000-1050° С. Для предотвращения выделения карбидов хрома сталь «стабилизируют» сильными карбидообра-зующими элементами (Ti, Та или Nb). Хром в этом случае полностью остается в твердом растворе, в результате возрастает стойкость против межкристаллитной коррозии. Аустенитная хромо-никелевая сталь является кислотостойкой и применяется для изготовления различной арматуры химической промышленности, коллекторов выхлопных систем, печной арматуры, работающей в среде агрессивных газов, деталей паровых и газовых турбин и т. д.

Стали аустенитно-мартенситного класса применяются как кор-розионностойкие (5XI4Н7МЛ) для деталей, работающих при нормальных и низких температурах, и как кислотостойкий (10XI8НГЛ), рекомендуемые в целях экономии никеля для замены стали 10XI8Н9Л.

Стали аустенитно-ферритного класса (10Х25Н5ТМФЛ, 25Х23Н7СЛ, 30Х24Н12СЛ). Структура, состоящая из зерен феррита, окаймленного аустенитом, обусловливает высокие прочностные свойства, удовлетворительную пластичность после соответствующей термической обработки. Эти стали, обладающие одновременно кислотостойкостью и жаростойкостью при температурах до 600-1000° С, используются для изготовления отливок деталей химического оборудования, оборудования нефтеперегонных заводов, лопаток компрессоров и других деталей, работающих при высоких температурах и давлении.

Выплавка высоколегированных хромистых, хромоникелевых и никелехромистых сталей проводится в основных мартеновских и электродуговых печах. При изготовлении небольших отливок особо ответственного назначения стали выплавляют в индукционных вакуумных печах. В качестве шихты используют как свежие материалы, так и отходы высоколегированных сталей литейных цехов машиностроительных, металлургических заводов, стальной высоколегированный лом. Предупреждение чрезмерного угара хрома, получение в стали низкого содержания углерода (0,10- 0,12%) и допустимой газонасыщенности вызывают затруднения при переплаве высокохромистых, хромоникелевых, хромоникель-молибденовых и других сплавов.

Никель и молибден не окисляются во время плавки, а титан (если он присутствует в шихте) выгорает полностью.

При переплаве хромсодержащих отходов в основной мартеновской печи науглероживание возможно за счет сажистого углерода. Основные положения технологии переплава хромсодержащих ходов в основных мартеновских печах по опыту завода «Серп молот», заключаются в следующем. 2 П Реплав разрешается только при горячем ходе печи. воздГНИчМгГ Все возможные меры к снижению подсоса в печь приема3V ПР°ИВ°ДЯТ тщательную завалку-укладку шихты в три (на подину — легкую, затем тяжелую и снова легкую)

с прогревом каждой части в течение 10-15 мин. 4. Процесс плавления ведут форсированно, с использованием всей тепловой мощности печи. 5. К. концу плавления продувают жидкий металл сжатым воздухом или кислородом, которые вводят под шлак. Продувку проводят до получения в стали углерода на 0,01-0,02% ниже верхнего предела. Одновременно окисляется и хром. Содержание Сг203 в шлаке к концу продувки составляет 30-45%. 6. Шлак раскисляют молотым 75%-ным ферросилицием. Оставшееся количество Сг203 в шлаке не должно превышать 3-6%. 7. Сталь перегревают, вводят необходимое количество хрома в виде ферросплавов (ФХ001, ФХ002). 8. Раскисление металла производят 45%-ным ферросилицием на желобе и в ковше алюминием. Также в ковш вводят ферротитан с учетом угара 50% титана.

Угар хрома при переплаве хромсодержащих отходов в основной мартеновской печи по описанной выше технологии составляет 25-20%. В фасонно-сталелитейных цехах, изготовляющих отливки из коррозионностойких, жаростойких и жаропрочных сталей, в качестве плавильных агрегатов часто применяют основные дуговые электропечи.

Шихту для плавок без окисления, по данным Ф. П. Еднерала, составляют из 70-80% легированных отходов и 30-20% стали с низким содержание углерода. Состав шихты рассчитывают на получение после расплавления завалки содержания углерода не выше нижнего предела, установленного для стали данной марки. За время плавления металл науглероживается на 0,03%. С целью уменьшения науглероживания за счет электродов рекомендуется использовать только графитизированные электроды высшего качества. Легирующие добавки загружают в печь вместе со всей шихтой. В период плавления загружают прокаленный известняк (-4% от массы садки).

Отсутствие кипения в плавках без окисления заставляет предъявлять особо высокие требования к качеству шихтовых материалов. Если после расплавления состав металла близок к расчетному, то приступают к раскислению шлака молотым коксом, древесным углем, ферросилицием и алюминием в зависимости от содержания углерода и кремния. Легирующие элементы восстанавливаются и переходят в металл. Этот процесс проводят под белым или карбидным шлаком.

На практике применяют эффективную выплавку стали из высокохромистых отходов с окислением углерода кислородом. В этом случае шихту составляют из 70-80% отходов стали 10XI8Н9ТЛ или других отходов кремнистых или хромокремни-стых сталей (должно быть 1,0-1,3% Si для защиты от окисления хрома и марганца), никеля и железной руды (35 кг1т). Оптимальное содержание углерода после расплавления 0,2%. Продувку ванны кислородом начинают после расплавления 3/4 завалки и продолжают до полного расплавления. Расплавление заканчивается и перегрев ванны осуществляется за счет тепла окисле

ия кремния, хрома и железа. Дальнейшую продувку ванны кислородом проводят с целью снижения содержания углерода до q 07-0,10%. Одновременно окисляется оставшееся количество кремния, содержание хрома в металле уменьшается на 5-6%. Часть окислов хрома восстанавливается при обработке шлака силикокальцием, ферросилицием или силикохромом. Недостающее количество хрома вводится в ванну безуглеродистым феррохромом. Ферротитан вводят или в струю металла при выпуске или в ванну после скачивания шлака.

Высоколегированные хромистые и хромоникелевые (корро-зионностойкие, жаростойкие и жаропрочные) стали различных марок мало отличаются друг от друга по литейным свойствам. В связи с этим 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 низкими значениями у легированных сталей температуры солидуса (на 50-20°) и ликвидуса (на 70-30°) по сравнению с углеродистыми сталями.

Однако, несмотря на хорошую жидкотекучесть, формы необходимо заливать сталью с большим перегревом и быстро. Увеличение температуры и скорости заливки вызвано склонностью сталей этой группы к пленообразованию. Наличие плен, состоящих главным образом из окислов 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 и формы, выбор места и способа подвода металла должны обеспечивать плавное движение металла, не допускать образования встречных потоков.

С целью уменьшения окисления в период заливки и пригара целесообразно формы окрашивать красками, создающими восстановительную атмосферу, применять облицовочные смеси на основе хромистого железняка, хромомагнезита и циркония. 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, Ti, Zr).

Высокая температура заливаемой стали, пониженная ее теплопроводность, быстрое заполнение формы способствуют образованию больших (по сравнению с углеродистой сталью) усадочных раковин, что требует увеличения размеров прибылей. При производстве отливок из высоколегированных хромистых и хромо-икелевых сталей особенно эффективны все меры по уменьшению расхода жидкого металла (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 причиной образования в отливках газовых раковин.

Линейная усадка кислотостойкий, 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, крупнозернистое строение, недостаточная пластичность и прочность при высоких температурах вызывают повышенную склонность высоколегированных хромом и никелем сталей 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, с-фазы. Значительно меньше опасность образования холодных трещин в сталях аустенитного класса, главным образом, из-за низкого предела упругости и сравнительно хорошей пластичности. Многие отливки подвергаются различным сложным видам термической обработки, режим которых определяется химическим составом стали и назначением отливки.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум