Способ объемного локального легирования отливок

В первую очередь этот способ пригоден для повышения износостойкости литых деталей, подвергающихся в процессе работы объемному износу, и является перспективным для производства отливок с дифференцированными свойствами.

Он основан на размещении в полости формы одной или нескольких вставок из легирующего материала и расплавлении их залитым в литейную форму металлом. Вставки под действием теплоты металла расплавляются и в месте их установки получаются легированные объемы, химический состав которых отличается от химического состава основного сплава.

Легирующие вставки представляют собой пористые брикеты с развитой поверхностью, имеющие отверстия и перемычки между ними. Легирующие вставки формуют в стержневых ящиках из молотого порошка ферросплавов и жидкого стекла. В таблицеприведены составы легирующих вставок.

Полученные вставки помещают в полость формы и крепят там стальным каркасом из стали марки СтЗ с толщиной листа 0,8 — 1,0 мм.

В таблице приведены данные механических свойств износостойких сталей, полученных с использованием различных способов легирования. Эталоном при испытании на износостойкость служит сталь 110Г13Л.

Термокинетическая сущность процесса локального объемного легирования стальных отливок пористыми сотообразными феррохромовыми вставками может быть объяснена следующим. В начале контакта легирующей вставки с расплавом вокруг вставки образуется и быстро увеличивается по толщине затвердевший слой стали, толщина которого через 10 с достигает 5 — 6 мм; феррохром в перемычках, а затем и в более толстых сечениях легирующей вставки последовательно нагревается, спекается и расплавляется. При перетекании феррохрома из верхней полости в нижнюю, а также во время нахождения его в жидком состоянии внутри оболочки из твердой стали он частично разбавляется железом за счет растворения контактирующего с ним затвердевшего слоя стали. При этом происходит увеличение легированной зоны отливок на 1 — 2,0 мм по наружному контуру вставки.

Составы вставок для объемного легирования износостойких отливок

Тип вставки для локального объемного легирования износостойких отливок Содержание компонентов, % (мае.)
Феррохром Ферромарганец Ферромолибден Феррованадий Металлическая 
сурьма
Жидкое
стекло
Сетчатые 85 — 88 9 — 12 3,0
83 — 87 10 — 14 3,0
55 — 67 30 — 42 30 — 42 3,0
Сотообразные 88 — 90 7 — 10 2,0
67 — 70 27 — 30 2,1
77 — 80 17 — 20 3,0
Сплошные 10 — 16 60 — 65 17 — 27 2,0
15 — 20 15 — 20 65 — 68 2,0
10 — 18 17 — 24 56 — 61 2,0

Затвердевание легированного объема отливки происходит при температуре кристаллизации образовавшегося нового легированного сплава. После затвердевания легированного объема по границе контакта легированный сплав-сталь происходит диффузия хрома, углерода и железа, но роль этих процессов по глубине проникновения и по перераспределению указанных элементов незначительна.

Легированный объем по форме повторяет конфигурацию сотообразной легирующей вставки с увеличением ее размеров со стороны каждой поверхности на 0,8 — 2,0 мм. В легированных объемах получается сплав, который имеет содержание углерода в 2,5 — 3,5 раза, а хрома в 3,5 — 4 раза меньше, чем в материале вставки.

Механические свойства высоколегированных сталей в отливках

 

Марка выплавляемой стали

 

Способ 
легирования

Механические свойства сталей в отливках*
Предел прочности 
при растяжении, МПа
Относительное 
удлинение, %
Твердость НВ Относительная износостойкость
при гидроабразивном износе, %
Лигатурами и ферросплавами в печи 904 — 1001 50 — 54 207 112 — 115
130Г14ХМФАЛ Ферросплавами в печи и микрохолодильниками в литейной форме 1245 — 1373 45 — 50 235 126 — 135
Ферросплавами в печи 785 — 830 25 — 27 197 106 — 110
110Г13МЛ Ферросплавами в печи и легирующими вставками в форме 1017 — 1133 23 — 25 241 131 — 137

* Эталоном при испытании на износ служила сталь 110Г13Л, износостойкость которой условно принята за 100 %.

Плотность отливок при использовании локального объемного легирования выше, чем при поверхностном легировании. Легированные, переходные и нелегированные зоны отливки имеют четко выраженную структуру для литых сплавов с соответствующим химическим составом. Например, структура у сплава легированного объема с содержанием 12% хрома и 2,1 % углерода состояла из зерен аустенита с мелкими включениями железохромистых карбидов и карбидной эвтектики вокруг зерен.

Схема металлической формы для центробежного литья биметаллического червячного колеса
Схема металлической формы для центробежного литья биметаллического червячного колеса: 1 — стол; 2 — сток; 3 — прорези для штырей кокиля; 4 — корпус; 5 — вкладыши; 6 — ступица; 7 — литниковая чаша.

Металлическая форма для центробежного литья биметаллического червячного колеса представляет собой сборный кокиль, установленный на столе 1 центробежной машины с вертикальной осью вращения. Стол оборудован двумя стойками 2 с вертикальными прорезями 3 для штырей кокиля. Сборный кокиль состоит из корпуса 4, отлитого из серого чугуна СЧ20, в который вставляются шесть термостойких вкладышей 5 с формообразующей поверхностью профиля зубьев. В нижней части кокиля устанавливается ступица 6, а на верхнюю часть ступицы по посадочному диаметру 145±0,01 мм устанавливается цельнолитая литниковая чаша 7, изготовленная из чугуна СЧ15. Литниковая чаша имеет конусообразную воронку для заливки бронзы и четыре питателя прямоугольного сечения. Скорость вращения формы 4 — 5 с .

Собранная металлическая форма перед заливкой прогревается до температуры 240 — 300 °С. При повторных заливках металлическая форма имеет повышенную температуру и подогреву не подлежит.