Получение отливок со специальными свойствами

В современном машиностроении одновременно с высокими темпами его развития ужесточаются требования, предъявляемые к качеству продукции, к эффективности и экономичности технологии производства тех или иных материалов. В последние годы ужесточаются требования к технологическим процессам с экологической точки зрения. Преимущества отдают, при этом, чистым технологиям, или боле чистому производству. В условия конкуренции на рынке машиностроения ведущие предприятия стремятся производить современные материалы и оборудование, удовлетворяющие потребности рынка, используя для этого технологии, которые оказывают минимальное вредное воздействие на окружающую среду (например, по количеству вредных выбросов в атмосферу) и позволяющие максимально вернуть отходы производства в технологический цикл.

Для того, чтобы соответствовать всем этим требованиям необходимо применять материалы со специальными свойствами, а так же использовать высокоэффективные, экономичные и экологически чистые технологические процессы для их производства.

Одним из направлений производства отливок из легированных и модифицированных сплавов является обработка расплава внутри литейной формы. Это обеспечивает получение требуемых свойства изделий (механические характеристики, специальные свойства и т.д.) в литом состоянии. В общем, эта технология позволяет уменьшить количество технологических операций, снизить вредное влияние на окружающую среду, при этом отсутствует необходимость во вторичной обработке чугуна, а так же позволяет снизить материалоемкость деталей и комплектующих, что в свою очередь обеспечивает снижение материалоемкости всего изделия и в конечном итоге снижает энергозатраты в процессе эксплуатации.

С помощью технологии внутриформенной обработки можно частично обрабатывать расплав за счет регулирования количества добавок, что практически невозможно при обработке чугуна в ковше и в печи. Таким образом, из одного исходного расплава, путем обработки чугуна в форме можно получить отливки с разными свойствами.

Еще одним направлением в современном машиностроении, является получение биметаллических отливок, которые совмещают в себе разные эксплуатационные свойства: износостойкую рабочую поверхность, мягкий виброгасящий слой, пластичные и прочные узлы крепления и другое.

С помощью технологии внутриформенной обработки возможно производство двухслойных отливок следующих комбинаций: СЧ-ВЧ, ВЧ-БЧ, СЧ-БЧ.

Исходя из всего вышесказанного, следует, что технология внутриформенной обработки является перспективной для процесса легирования, модифицирования, градиентного литья и получения двухслойных отливок.

На кафедре «Литейное производство черных и цветных металлов» НТУУ «КПИ» проведены исследования, по получению двухслойных (градиентных) отливок с использованием метода внутриформенной обработки.

Чугун (С 3,6-3,8%; Si 1,4-1,8%; Мn 0,4-0,7%; S – менее 0,03%; Р- менее 0,05%) плавили в индукционной печи ИСТ-006, заливку проводили в подсушенные песчано-глинистые формы. Время заливки составляло 12±2с.

В качестве объекта исследования использовалась отливка «плита» (рис.1) массой 20 кг и толщиной поперечного сечения стенки 50мм. Целью исследований было получение двухслойной отливки состоящей из слоя белого чугуна и слоя чугуна с шаровидным графитом.

Для внутриформенной обработки была спроектирована специальная литниковая система, позволяющая размещать в реакционной камере расчетное количество легирующих и модифицирующих присадок. Заряд реакционной камеры состоял из двух зон – нижняя: - сфероидизирующий модификатор ФСМг-7, и верхняя – феррохром марки ФХ-0,25 (75% Cr, остальное – Fe). Объем каждого слоя составлял 50% от объема реакционной камеры.

В процессе заливки формы чугун, проходя через литниковую систему и взаимодействуя с зарядом реакционной камеры, поступал в рабочую полость формы. При этом, первые порции чугуна (приблизительно 50% от металлоемкости формы) растворяли в себе феррохром, а последние – подвергались сфероидизирующей обработке, взаимодействуя с модификатором ФСМг-7.

После охлаждения и выбивки отливки из формы было установлено, что заряд реакционной камеры растворился полностью в потоке чугуна.

Анализ микроструктуры отливки показал следующее: нижняя часть отливки имела отбеленную структуру, верхняя – чугун с шаровидным графитом.

Рисунок 2 – Микроструктура экспериментальной отливки (а- верхняя часть - ЧШГ, б – средняя часть зона перехода ЧШГ в белый чугун, в – нижняя часть – белый чугун

Таким образом, проведенные исследования показали возможность получения двухслойных отливок из одного исходного расплава чугуна методом внутриформенной обработки при использовании различных присадок.

В процессе исследований было установлено, что для достижения полного растворения легирующих присадок необходимо, чтобы выполнялись следующие требования: добавки должны успеть раствориться в потоке чугуна за время заливки, т.е температура плавления легирующей добавки должна быть равна или немного превышать температуру плавления чугуна, фракционный состав должен обеспечивать полное растворение присадки в потоке чугуна.

В результате проведенных экспериментов было установлено, что технология внутриформенной обработки чугуна является эффективной для получения двухслойных отливок и исключает вредное воздействие продуктов взаимодействия на окружающую среду. Кроме этого, отходы производства, в данном случае литниковая система, может беспрепятственно использоваться для выплавки чугуна любой марки, так как не содержит легирующих элементов, что является невозможным при легировании чугуна в печи или ковше.

41 Нагрев метала при ОМД. Явления, сопутствующие этому нагреву.

Нагрев металла при ОМД (обработка металла давлением) влияет на качество и стоимость продукции. Основные требования к нагреву: необходим равномерный прогрев заготовки по сечению и длине до соответствующей температуры за минимальное время с наименьшей потерей металла в окалину и экономным расходом топлива. Неправильный нагрев вызывает различные дефекты: трещины, обезуглероживание, повышенное окисление, перегрев и пережог.

При медленном нагреве снижается производительность, увеличивается окисление и обезуглероживание поверхности заготовки. При перегреве (нагрев выше оптимального интервала ОМД) происходит рост зерна, что снижает механические свойства. Он исправляется нормальным отжигом путем нагрева до оптимальной температуры, выдержки и последующего медленного охлаждения вместе с печью. При пережоге, т.е. при нагреве до температуры близкой к температуре плавления, происходит оплавление границ зерен и появление трещин, что является неисправимым браком.

Каждый металл и сплав имеют свой определенный температурный интервал горячей обработки давлением, который выбирается по таблицам в зависимости от марки сплава. Так, например, для углеродистых сталей температуру начала горячего деформирования выбирают по диаграмме состояния железо-цементит на 100 — 200 °С ниже температуры плавления стали заданного химического состава, а температуру конца деформирования принимают на 50 — 100 °С выше температуры рекристаллизации.

Заготовки и слитки перед обработкой давлением нагревают в горнах или печах. Горны отличаются от нагревательных печей небольшими размерами, отапливаются каменным углем, коксом или мазутом, металл нагревается в них при непосредственном контакте с топливом. Их используют для нагрева мелких заготовок при ручной ковке.

Печи для нагрева заготовок подразделяются на пламенные и электрические, а по распределению температуры — на камерные и методические. В камерных печах — печах периодического нагрева — температура одинакова по всему рабочему пространству. Методические печи с постоянно повышающейся температурой рабочего пространства от места загрузки заготовок к месту их выгрузки являются печами непрерывного действия.