Сплавы для отливок, получаемых литьем по выплавляемым моделям

Категория:
Производство точных отливок


Сплавы для отливок, получаемых литьем по выплавляемым моделям

Литье по выплавляемым моделям для производства машиностроительных деталей практически используют во всех отраслях промышленности. Это стало возможным потому, что для точных отливок, иногда и с затруднениями, можно применять всевозможные сплавы с такими свойствами, которые являются наиболее выгодными для эксплуатации.

Использование керамических огнеупорных форм, не реагирующих с заливаемыми металлами и сплавами, и применением вакуумного способа плавки и заливки металла позволяет отливать заготовки из очень реакционноактивных металлов, таких, как титан и его сплавы. При этом можно додтичь такого качества поверхности и размерной точности, что во многих случаях достаточно лишь одной финишной операции —полирования. Так, например, получают литые матрицы из кобальтового сплава для изготовления сверл прошивкой, материал которых обрабатывается только шлифованием.

При литье по выплавляемым моделям можно использовать очень нетехнологичные сплавы, например, сплавы с плохой жидко-текучестью, а также такие сплавы, из которых кроме как литьем невозможно получить заготовки (эти сплавы не куются, не обрабатываются, но представляют в техническом отношении очень важные материалы).

Литье по выплавляемым моделям является единственным технологическим способом, который представляет конструкторам наиболее широкие возможности при выборе материалов для той или иной конструкции. Поэтому увеличивается число новых металлов и сплавов, предназначенных для литья по выплавляемым моделям. Согласно литературным данным с 1962 г. основными сплавами для литья по выплавляемым моделям являлись нелегированные, низкоуглеродистые, аустенитные, мартенситные, коррозионно-стойкие инструментальные стали, сплавы кобальта, никеля, меди и алюминия. С 1969 г. ассортимент сталей еще более расширился за счет сталей специального назначения, магниевых сплавов, высокопрочных чугунов, легированных чугунов и сплавов титана.

С увеличением числа разрабатываемых и используемых сплавов возникают трудности у изготовителей, так как повышаются требования к организации работы в плавильных и очистных отделениях. Иногда затруднения возникают при недостаточной проверке пригодности сплава для литья по выплавляемым моделям, что вызывает материальные потери.

В промышленно развитых странах издаются нормы и стандарты на материалы, пригодные и рекомендуемые для точных отливок, изготовляемых по выплавляемым моделям. В большинстве случаев это относится прежде всего к сплавам железа (стали), которые широко используются в качестве материалов для точных отливок. Применение единого сплава в одном цехе упрощает организацию производства и повышает экономику литейных цехов.

В начале развития промышленного способа литья по выплавляемым моделям отливали практически только те детали, которые ранее изготовляли, например, ковкой, сваркой или механической обработкой. Для точных отливок использовали тот же металл, из которого изготовляли исходную деталь, без учета того, имеет этот металл пригодные литейные свойства или нет. У кузнецов, например, имеются свои специфические требования к свойствам используемых сталей, отличающиеся от требований литейщиков. Кузнецов и прокатчиков интересует прежде всего то, чтобы сталь имела хорошую формуемость в нагретом состоянии, т. е. чтобы она хорошо ковалась или прокатывалась. Требования к свойствам, которые предъявляют к стали изготовители точных отливок, — это прежде всего хорошие литейные свойства при наименьшем поверхностном обезуглероживании, т. е. свойства, которые для металлургов и кузнецов имеют второстепенное значение.

Неровная поверхность слитка перед прокаткой обрабатывается, и тем самым устраняется обезуглероженный слой с поверхности заготовки. Образование большей или меньшей усадочной раковины в верхней части слитка не сказывается на качестве прокатанного металла, так как перед прокаткой прибыль удаляется. Слиток при охлаждении не испытывает больших напряжений от сопротивления усадке металла. Согласно этим требованиям при разработке кованых и литых сталей подбирают их химический состав.

При изготовлении точных отливок литейные свойства и глубина обезуглероживания имеют первостепенное и решающее значение для экономики изготовления изделия. Пластические свойства стали в горячем состоянии при этом литейщиков не интересуют.

Главными литейными свойствами стали являются:
1) жидко-текучесть, т. е. способность расплавленного металла качественно заполнять форму;
2) склонность к образованию усадочных раковин;
3) склонность к образованию трещин.

Если сталь имеет плохие литейные свойства, то при литье в нормальных условиях, т. е. без использования специальных приемов, отливки получатся бракованными. При недостаточной жидкотекучести стали отливки полностью не заливаются или на них образуются неслитины. При хорошей жидкотекучести, но сильной склонности к образованию усадочных раковин или трещин отливка может быть внешне почти безупречной, но с неудовлетворительной внутренней плотностью. Она будет иметь концентрированные или рассредоточенные усадочные раковины или трещины.

Значение наименьшей склонности к обезуглероживанию стали выражается в том, что точные отливки изготовляют с очень малыми припусками, т. е. с минимальными финишными операциями.

Если отливку со значительной глубиной обезуглероженного слоя термически обработать (например, улучшить), то качество термообработки будет неудовлетворительным. Поверхностный обез-углероженный слой имеет меньшую прочность, чем центральная часть, и общая прочность детали при переменной нагрузке будет значительно ниже. При снятии обезуглероженного слоя механической обработкой теряется преимущество литья по выплавляемым моделям, а вместе с ним и экономичность изготовления. Для изготовителей точных отливок приемлема такая сталь, которая имеет не только хорошую прочность, но и хорошие литейные свойства.

Хорошие литейные свойства сталей уже давно в технических публикациях отмечались как важнейшие свойства. В работе, например, рекомендуется применять материалы с хорошими литейными свойствами, даже если в этом случае требуется, например, заменять нелегированные стали легированными с высокой прочностью. Для отливок, подвергающихся цементации, рекомендуется использовать легированные стали, которые более стабильно сохраняют свои размеры при закалке. Коррозионно-стойкие стали с плохими литейными свойствами следует заменять сателлитами и т. п. Рекомендуя использовать более дорогие сплавы, автор работы исходит из того, что в большинстве случаев их высокая прочность позволит уменьшить толщины стенок, т. е. облегчить отливку. В этих случаях повышенная стоимость материала компенсируется его меньшим расходом, и конечное удорожание отливки будет очень незначительным.

Целесообразность применения высококачественных сталей, которые удовлетворяют как конструкторов, так и изготовителей точных отливок, подтверждается созданием в промышленно развитых странах сталей новых марок специально для точных отливок. К ним относятся, например, стали, которые должны заменить сталь с 13% Сг. Эту сталь со специальными свойствами используют для деталей, работающих при температуре около 600° С (детали паровых турбин). Однако она имеет плохие литейные свойства. Отливки из нее склонны к образованию трещин при охлаждении и имеют плохое качество поверхности. Поэтому свойства этой стали улучшают присадкой 1,2—3% Мо.

Были разработаны новые стали: сталь, которая содержит наряду с хромом кобальт, молибден, вольфрам и никель; сталь с присадкой кобальта, молибдена и ванадия; полуаустенитные отверждаемые стали 17-4РН, А М56425-5РН, АМ355 и т. п.

Для литья в вакууме созданы сплавы Nimocast 713VA, РЕ 10. Для улучшения литейных свойств легированных и нелегированных сталей, предназначенных для литья по выплавляемым моделям, в США созданы стали с присадкой 1—2% Си. Специально для литья по выплавляемым моделям был разработан высокопрочный сплав Maraging, содержащий никель, кобальт, молибден, титан, циркон и бор. Известно, что легированные стали имеют лучшие литейные свойства, чем нелегированные. Литейные свойства этих сталей повышаются с увеличением в них содержания углерода, однако следует помнить, что при содержании углерода в стали более 0,6% растет склонность отливок к обезуглероживанию.

Один из крупнейших коммерческих литейных цехов США, изготовляющий точные отливки (фирма Hitchiner Manufacturing Со Inc., Milford), провел специальное исследование литейных свойств сталей. Из этих сплавов отливали детали относительно простой формы. Литейные свойства определяли по величине жидкотекучести, склонности сплава к образованию внутренних раковин и трещин.

Отливки из исследуемых сплавов сравнивали с отливками, изготовленным из следующих трех сплавов, имеющих исключительно высокие литейные свойства:
1) коррозионно-стойкая сталь, содержащая, %: 0,15С, l,0Si, l,5Mn, 9,0Ni, 19Сг;
2) бериллиевая бронза, содержащая, %: 0,5Ni, 2,1 Be, остальное Си;
3) алюминиевый сплав, содержащий, %: 6,5—7,5 Si, 0,3 Мп, 0,2 Си, 0,5 Fe, 0,2—0,4 Mg, 0,3 Zr, 0,2 Ti, остальное Al.

В результате было определено влияние отдельных элементов на литейные свойства сталей, отливаемых в горячие керамические формы.

Кремний. В стали с 0,1 и 0,5% Мп кремний не влияет на жидкотекучесть при его содержании от 0,5 до 2,5%, если повышается содержание углерода. При содержании кремния до 1,8% Усадка уменьшается и не увеличивается склонность металла к образованию трещин. Можно считать наиболее оптимальным содержание кремния 0,5—1,5%. Именно в этом диапазоне сталь обладает хорошими литейными свойствами.

•Углерод. В углеродистых сталях повышение содержания Углерода до 0,35% не изменяет жидкотекучести. Склонность 0 2г,уазованию трещин возрастает с содержанием углерода более пп ° Склонность к образованию усадочных раковин снижается Ри содержании углерода выше 0,3%; резкое снижение склонности к образованию усадочных раковин наступает при содержании углерода выше 0,5% *.

Литейные свойства сталей с 0,3% С, легированных хромом (1,0%) и молибденом (0,25%), такие же, как углеродистой стали, содержащей 0,45% С. Примерно одинаковые литейные свойства (усадки) у легированных сталей с 1,8% Ni, 0,65% Сг и 0,25% Мо и углеродистых сталей с 0,2—0,25% С. Жидкотекучесть легированных сталей лучше, склонность к трещинообразованию меньше по сравнению с углеродистыми сталями. Отмечается, что сложные отливки следует изготовлять из сплавов с гарантированными литейными свойствами. В данной работе не приводятся данные об условиях испытаний образцов и о способах оценки результатов испытаний.

Ниже приводятся данные исследований о влиянии отдельных элементов на литейные свойства стали, проведенные на заводе ZPS г. Готвальдов (ЧССР). При этих испытаниях классификационными признаками были жидкотекучесть и склонность к образованию трещин и усадочных раковин. Жидкотекучесть определяли по несколько видоизмененной пробе В. Walker. Склонность к образованию усадочных раковин проверяли на экспериментальной пробе Gikel [20], устойчивость материала к образованию трещин — на пробах по BS 3146 от 1961 г. (Англия). Большинство испытаний проводили при постоянных условиях, чтобы исключить влияние других технологических параметров — температуры металла, скорости заполнения формы, температуры формы и т. п. Испытания были дополнены определением глубины обезуглероживания по CSN 420449. Влияние отдельных элементов на литейные свойства стали проявилось следующим образом.

Углерод не изменяет жидкотекучесть и усадку углеродистых сталей при его содержании до 0,3%; при содержании углерода до 0,25% не выявилась склонность к образованию трещин. При низком содержании углерода даже присадка 1% Si не изменяет жидкотекучести, но с повышением содержания кремния увеличивается склонность к образованию трещин. Только у стали с содержанием углерода более 0,4% улучшается жидкотекучесть присадкой кремния, при этом увеличивается и усадка.

Присадка меди в количестве до 1,75% не влияет на жидкотекучесть ни у углеродистых, ни у сталей легированных хромом, молибденом и ванадием.

Низкоуглеродистые хромомарганцовистые стали имеют плохую жидкотекучесть, большую усадку и сильную склонность к трещинообразованию. Присадкой хрома к нелегированной стали с 0,4% С улучшается жидкотекучесть, но при той же склонности к образованию трещин. Стали с низким содержанием хрома, никеля и молибдена имеют очень хорошие литейные свойства, так же как и никель-молибденовые стали. Хромованадиевые стали при содержании 0,4% С имеют приблизительно одинаковую жидкотекучесть с хромомолибденовыми и хромоникелевыми сталями.

Хромоникель-молибденованадиевые стали имеют очень хорошие литейные свойства при низкой склонности к образованию трещин.

Хорошую жидкотекучесть при содержании углерода более О 4% имеют кремнемарганцовистые стали, которые, однако, имеют повышенную склонность к образованию усадочных раковин, что полностью согласуется с данными работы. Наименьшее обезуглероживание имели хромомолибеднованадиевые и хро-мованадиевые стали, хромистые, кремнистые, кремниймарганцо-вистые и нелегированные стали с содержанием углерода до 0,5%. Максимальная глубина обезуглероживания была у отливок из марганцовистой стали. Максимальное обезуглероживание на отдельных частях отливки составляло 0,6 мм, а по всей поверхности до 0,3 мм. В общем можно констатировать, что легированные стали имеют лучшие литейные свойства и точнее отражают детали поверхности формы по сравнению с углеродистыми; они имеют также меньшее поверхностное обезуглероживание.

Экономичность литья по выплавляемым моделям связана не только с использованием сталей, которые гарантируют удовлетворительные литейные свойства, но также и с технологичностью металлургического процесса плавки. Прочность и стойкость отливок из стали зависят не только от их химического состава, но также и от правильно проведенных процессов плавки. Заметное влияние на механические свойства стали оказывает степень раскисления стали и способ раскислительного процесса и ведения плавки. Степень и способ раскисления имеют прямое влияние на внутреннюю чистоту (плстность) металла, на форму и распределение неметаллических включений и, как следствие, на склонность к образованию трещин.

Шихта и ведение плавки являются решающими в отношении содержания газов в металле и степени пористости отливок. Было доказано, что в отливках пористость вызывается не только усадкой, но и растворением в стали газов. Пористость существенно снижает прочность стали.

Химический состав стали во многом определяет процесс ведения плавки и ее металлургическую обработку. Например, для сталей, в составе которых содержатся элементы с повышенным сродством к кислороду, требуется сложная металлургическая обработка. “ Расплавленном металле при высоком содержании кислорода, как- например, у хромомарганцовистых сталей, бывает большое количество окисных пленок. Из такого загрязненного металла получить отливки с плотной структурой весьма трудно. В сталях же, легированных хромом, молибденом и никелем, окисные пленки Не образуются.

Стали, легированные никелем, имеют при неблагоприятном еДении плавки склонность к повышенному растворению газов, в результате отливки получаются раковинами. Эти стали очень чувствительны к содержанию серы, поэтому ее содержание должно быть минимальным (не более 0,03%). При более высоком содержании серы никелевые стали склонны к образованию трещин. Хро-моникелевые стали имеют в литом состоянии вследствие повышенной первичной кристаллической сегрегации склонность к образованию дендритной структуры и трещин (волосовин) на границах зерен. Это можно избежать при тщательном ведении плавки.

Подобное наблюдается и в сталях, содержащих алюминий и титан. Эти стали (до определенного содержания указанных элементов) вообще нельзя лить без применения вакуумной техники.

Имея в виду использование и расширение литья по выплавляемым моделям в будущем, необходимо учитывать кроме литейных свойств и способ ведения плавки сплавов и их металлургическую обработку.

Для точных отливок можно использовать материалы, улучшенные до высокой прочности, которые обеспечат при переменной нагрузке удовлетворительную усталостную прочность. Прочность отливок зависит также и от термической обработки. Стойкость машиностроительных деталей, подвергнутых переменному на-гружению, зависит от усталостной прочности материала, которая в свою очередь зависит от остаточных напряжений в отливках, возникающих после закалки. Если эти напряжения будут большими, то после определенного времени эксплуатации эти детали выйдут из строя. Отливки, работающие при переменной нагрузке, следует изготовлять из стали такого состава, которая позволяет проводить термообработку для достижения минимального уровня избыточных внутренних напряжений. Этому условию удовлетворяют прежде всего стали, которые не имеют склонности к так называемой отпускной хрупкости. Под отпускной хрупкостью понимают чувствительность стали к способу охлаждения с температуры отпуска без потери ударной вязкости.

Склонны к отпускной хрупкости марганцовистые стали с содержанием марганца более 1,5%, хромомарганцовистые, хромо-ванадиевые, хромоникелевые и хромоникель-ванадиевые. Хорошо противостоят отпускной хрупкости нелегированные углеродистые стали и стали, легированные вольфрамом и особенно молибденом. Молибден в этом отношении очень эффективен. В марганцовистых, хромистых, хромоникелевых сталях достаточно его содержания 0,2—0,5%, чтобы предотвратить хрупкость при медленном охлаждении стали в печи после отпуска.

К преимуществам термообработки легированной стали следует отнести также устойчивость отливок к деформации при нагреве и охлаждении. Детали из углеродистых нелегированных сталей деформируются при термообрабоке во много раз сильнее, чем легированные стали, закаливаемые в масле или на воздухе. Среди последних деформируются меньше стали, легированные элементами, снижающими температуру закалки (положение точки Ас3). Поэтому стали, легированные никелем, имеют после закалки меньшую деформацию. Вследствие деформации отливок из углеродистой стали после термообработки часто приходится прибегать к рихтовке. Для этого требуются иногда дорогие приспособления. Такая рихтовка формы отливок часто не достигает своей цели. Во время эксплуатации огрихтованная деталь может вновь деформироваться и принять форму, бывшую для правки.

Стремление изготовлять точные отливки с такими же механическими и динамическими характеристиками, как и у деталей, полученных ковкой или прокаткой металла, заставляет прибегать к специальным способам термообработки, например к изотермической закалке.

Этот краткий обзор достаточен для получения основных сведений о химическом составе стали, имеющей удовлетворительные свойства для точных отливок, получаемых литьем по выплавляемым моделям.

Другими факторами, которыми нельзя пренебрегать, являются обрабатываемость сталей и их стоимость. На обрабатываемость стали обращают особое внимание в тех случаях, когда в точных отливках необходимо сверлить дополнительно отверстия или нарезать резьбу. В работе дана таблица индексов обрабатываемости различных сплавов. Согласно этой классификации нелегированные стали со средним содержанием углерода (0,2—0,5%) имеют обрабатываемость на 50% лучше, чем некоторые низколегированные стали.

В нормали и стандарты внесены некоторые углеродистые и нелегированные стали, хотя, как уже было ранее указано, они по ряду факторов не вполне пригодны для литья по выплавляемым моделям.

Сравнение свойств сталей, отлитых в горячих керамических формах с прокатанными или коваными сталями. Металл, залитый в раскаленные керамические оболочковые формы, охлаждается в них значительно медленнее, чем, например, в холодных песчаных формах. Этим и объясняется возникновение грубой структуры, особенно в толстых сечениях отливки, полученной точным литьем. Вообще считается, что такие отливки вследствие медленного охлаждения в раскаленной форме не имеют напряжений. В их структуре первичные кристаллы недеформированы. Материал точных отливок при высоких температурах при одинаковом химическом составе имеет более высокий предел текучести, чем материал после деформирующей обработки в нагретом состоянии. Литая структура менее пригодна для отливок с повышенным Динамическим нагружением.

Прочность при растяжении и предел текучести литого материала, и материала, деформируемого в нагретом состоянии, при одном и том же химическом составе одинаковы. Относительное Удлинение и ударная вязкость литого материала ниже по сравнению с материалом, деформированным в нагретом состоянии в направлении деформации, но выше по сравнению с образцами, вырезанными поперек направления деформации.

Для всех литых материалов характерно, а следовательно, и для сталей то же, что с увеличением толщины стенок механические свойства снижаются. Это влияние толщины стенок отливок на механические свойства было определено количественно. У сталей наблюдается относительно меньшее снижение относительного сужения, ударной вязкости и предела текучести с увеличением толщины стенок отливок. Влияние скорости охлаждения литой стали на ее структуру изучали советские исследователи.

Снижение прочностных свойств с увеличением толщины стенок отливок относится также и к чугуну и к цветным сплавам.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум