Условия образования устойчивой металлической связи

Опыт центробежного литья червячных колес показывает, что для получения качественных биметаллических отливок необходимо соблюдать следующие требования: выдерживать оптимальные температуры заливаемого металла, металлических форм и вставок; не допускать резкого местного охлаждения отливки изнутри; окрашивать рабочие поверхности изложниц специальными покрытиями; не допускать биения формы и использования неисправной оснастки.

Для окраски изложниц при заливке оловянистых бронз использовали покрытие на основе циркона, дисульфида молибдена и неорганического связующего, которое наносили на рабочую поверхность толщиной 0,1 — 0,3 мм. Это покрытие оказалось более эффективным, чем краска ГБ-1 плотностью 1,32 — 1,35 г/см3 с добавкой жидкого стекла в количестве 1 — 2 %.

Для получения данных об износостойкости сплавов в условиях, близких к условиям эксплуатации, использовали методику с применением вакуум-камер, конструкции которых обеспечивают возможность проводить испытания различных материалов в жидких металлах на базе стандартных машин трения с автоматической записью величин износа и момента трения при достаточно высоких нагрузках, скоростях скольжения и в широком диапазоне температур.

Схема установки вакуум-камеры для испытания образцов на трение и износ в жидких металлах
Схема установки вакуум-камеры для испытания образцов на трение и износ в жидких металлах: 1 — герметичный корпус; 2 — нагреватели; 3 — тепловая изоляция; 4 — узел трения; 5 и 8 — индуктивные датчики; 6 — поворотно-шарнирное устройство; 7 — сильфонно-рычажное устройство; 9 — термопара; 10 — приводной вал; 11 — сальники.

На рисунке приведена схема вакуум-камеры для испытаний образцов на трение и износ в жидких металлах, содержащей герметичный корпус 1, равномерно нагреваемый силитовыми нагревателями 2 и заключенный в тепловую изоляцию 3. Узел трения 4 включает левый неподвижный и правый вращающийся образцы. Суммарный износ показывают индуктивные датчики 5. Нагрузка на образцы передается валом с помощью сипьфона через шарнирное устройство б. Сильфонно-рычаж- ное устройство 7 служит для передачи угла закручивания обоймы с левым образцом из камеры наружу, к сердечнику индуктивных датчиков 8. Температура жидкого металла в рабочей камере определяется термопарой 9. Приводной вал 10 установлен в двух подшипниках и уплотнен с помощью сальников 11, установленных навстречу друг другу с целью удержать в камере вакуум или избыточное давление.

Узел уплотнения и задний подшипник охлаждают водяной рубашкой с проточной водой. Вследствие этого расплавленные металлы застывают, что и создает металлическое уплотнение вала. К камере подходят аргонно-вакуумная система и магистраль для подачи расплавов. Нагрузка на образцы создается газовым мембранным устройством. Под действием сил трения подпружиненный левый образец с обоймой поворачивается на определенный угол. Это движение передается сердечнику индуктивных датчиков. Обе пары датчиков подключены к самопишущему прибору, с помощью которого и фиксируются значения износа и момента силы трения, а также температура среды в рабочей камере.

Твердость сплава (без термообработки) при переходе от нелегированной к легированной зоне изменяется скачкообразно. Различие в твердости между легированными и нелегированными зонами для отливок из стали 15Л составляло 400 НВ и для отливок из стали 35Л примерно 320 НВ. В легированной зоне отливки в ряде случаев твердость достигала 500 — 550 НВ.

Способ литья биметаллических заготовок опробован в производстве для изготовления из стали марки 110Г13Л отливок бил, используемых в качестве мелющих тел в молотковых мельницах ШМА 1660/2С04/580 и др. Способы поверхностного и объемно-локального легирования являются экономичными и эффективными металлургическими процессами, которые обеспечивают получение биметаллических износостойких отливок с высокими служебными свойствами для работы в газоабразивных потоках с повышенными температурами и в агрессивных средах. Химический состав и свойства основного сплава отливок при этом существенно отличаются от химического состава и свойств легированных объемов. В таблице приведены результаты определения твердости и износостойкости биметаллических отливок, полученных с использованием поверхностного и объемно-локального легирования.

Легирующие пасты и вставки получали из порошков па основе азотированного феррохрома ФХ40Н, металлической сурьмы и среднеуглеродистого ферромарганца ФМн1,5, а в качестве связки использовали жидкое стекло. Литейные формы заливали углеродистой сталью ЗОЛ, выплавленной в дуговой печи ДС1,5. Температура заливки составляла 1540 °С.

Изменение твердости биметаллических отливок
Изменение твердости биметаллических отливок, полученных методом поверхностного легирования в кокиле (1) и объемно-локального легирования в оболочковой форме (2).

Установлено, что легированные объемы и поверхности в них по расположению и конфигурации точно повторяют место и конфигурацию легирующих вставок, устанавливаемых в полости литейных форм, а твердость металла при переходе от нелегированного слоя к легированному изменяется скачкообразно. При использовании для объемнолокального легирования сотообразных вставок со сквозными отверстиями диаметром 12,0 мм и толщиной перемычек 3,2 мм разница в твердости между легированными и нелегированными объемами в отливках достигала 280 — 410 НВ.

Химический состав и механические свойства биметаллических отливок

Особенности производства
биметалли­ческих отливок
Содержание компонентов в основном и легированном метал­ле отливок, % (мае.) Твердость
отливок НВ
Коэффициент относительной
износостойкости отливок
в газо­абразив­ных потоках
с темпе­ратурой 500 °С
при гид­роабра­зивном износе
при тем­пературе 800 °С
С Мп Сг Sb Ni
Литье в сухие
обо­лочковые формы
с
простанов­кой сотооб­разных
ле­гирующих
вставок
с отверстия­ми диамет­ром
12 мм и перемыч­ками 3,2 мм
3,32

0,67

0,4

3,7

0,23

5,10

0,03

0,32

0,03

0,12

142-153
422-563
6,1 9,7
Литье вту­лок в ко­киль с
по­верхност­ным леги­рованием
0,31 0,35 0,2 0,01 0,02 154 — 163 3,6 7,1
0,52 0,74 2,4 0,07 0,06 263 — 312

Примечание. В числителе — значения для основного металла, в знаменателе — для объемов легированного металла в отливках.

Микротвердость зерна в биметаллических отливках при переходе от нелегированного к легированному металлу также изменяется скачкообразно. Микротвердость металлической основы нелегированного твердого раствора составляла 3700 — 3930 МПа, а микротвердость карбидной эвтектики легированного металла — 6500 — 13 800 МПа. Микротвердость переходной зоны в биметаллических отливках между основным и легированным металлом, ширина которой колебалась от 30 до 180 мкм, достигала 4670 — 12 300 МПа.

Металлическая связь в биметаллических изделиях устойчиво возникала при заливке в литейную форму железоуглеродистых расплавов, температура перегрева которых на 80 — 120 °С выше их температуры плавления. При заливке в литейные формы расплава часть легирующей пасты и порошка смывается и может служить в объемах нелегированного сплава микрохолодильниками. С повышением температуры перегрева углеродистых сталей процессы микролегирования основного сплава компонентами вставок усиливались, а различия в твердости и химическом составе основного и легированного металла в отливках уменьшаются. При этом не только наружные, но и внутренние слои твердых вставок под действием теплоты металла, залитого в литейную форму, полностью плавятся и растворяются, обуславливая в отливках возникновение металлической связи между легированным и основным сплавом.

Важными условиями образования устойчивой металлической связи в биметаллических отливках являются хорошее смачивание расплавом твердых вставок и арматуры, высокие скорости протекания таких физико-химических процессов, как растворение твердых вставок в расплаве, диффузия компонентов и образование твердых растворов и других соединений на границах взаимодействия.

Кинетика этих физико-механических процессов и прочность сцепления в биметаллических отливках определяется природой литейных сплавов и характером диаграмм состояния взаимодействующих компонентов, температурой расплава, заливаемого в форму с твердыми вставками, а также длительностью взаимодействия расплавов. На кинетику этих процессов оказывают влияние вязкость расплава, скорость его растекания по твердым поверхностям вставок и литейные свойства расплавов (жидкотекучесть, поверхностное натяжение и ликвация).

Оксиды, сульфиды, фосфиды и другие неметаллические включения оказывают отрицательное влияние на процессы структурообразования в биметаллических отливках, трещиноустойчивость, прочность сцепления основного и легированного металла, их плотность и служебные свойства.

Важным условием получения биметаллических отливок с высокими технологическими свойствами является удаление включений глинозема из металла и комплексное раскисление расплава перед заливкой в литейную форму с легирующими вставками и поверхностями. Для удаления оксидов и других интергранулярных включений использовали введение в сталь перед заливкой в литейную форму 0,03 — 0,07 % кальция, который уменьшает степень загрязненности отливок строчечными включениями глинозема. Присадка кальция также повышает жидкотекучесть стали, смачиваемость поверхностей легирующих вставок и обмазок и снижает склонность к образованию трещин в отливках.

Биметаллические отливки, полученные в сухих оболочковых формах из раскисленных расплавов стали состава ЗОЛ с использованием различных методов объемного и поверхностного легирования, имеют в условиях газоабразивного износа более высокую износостойкость И, чем отливки, полученные с использованием общего легирования с аналогичным содержанием легирующих компонентов и отлитые в оболочковых формах. Предел коррозионно-кавитационной усталости биметаллических отливок также выше, чем отливок, полученных после общего легирования расплава. Биметаллические отливки имели высокую прочность сцепления основного и легированного металла.

Хорошая свариваемость, стабильные технологические и эксплуатационные свойства получены при изготовлении биметаллических отливок штампов и инструментов из хромомарганцевых и хромомолибденоникелевых сталей. В этом случае наряду с методами поверхностного и объемно-локального легирования для получения биметаллического инструмента используют заливку расплавленных сплавов в форму с заранее изготовленными частями инструмента и арматурой, а для получения износостойких отливок штампов — последовательную заливку двух разных сплавов в одну и ту же форму. Наряду с углеродистыми сталями при применении твердых вставок из высоколегированных сталей используют расплавы 20Х5Г2Л и 30Х4Г2ТЛ, которые обеспечивают удовлетворительную прочность сцепления со сплавом вставок.

 Изменение износостойкости в газоабразивных потоках
Изменение износостойкости И в газоабразивных потоках (а) и предела σк.у коррозионно-кавитационной усталости (б) раскисленной стали в зависимости от количества легирующей добавки (Л.д.) и способа легирования: 1 — общее; 2 — объемное; 3 — объемно-локальное; 4 — поверхностное

При контакте с жидким металлом вставки и арматура разогреваются, но к моменту полного затвердевания биметаллической отливки температура вставок и арматуры оказывается ниже температуры кристаллизующегося расплава, что обусловливает разницу в протекании процессов усадки и приводит к росту напряжений на границе контакта соединяемых материалов. Как результат, может не происходить их сплавление по отдельным поверхностям и возрастает вероятность образования неспаев и трещин. В целях уменьшения температурных напряжений и полного сплавления наружных слоев твердых вставок и заливаемого расплава целесообразен их предварительный нагрев перед установкой в литейные формы и более высокий перегрев основного сплава перед заливкой в форму.

В износостойких изделиях отдельные элементы и части могут быть выполнены из разнородных сплавов, которые при сплавлении обеспечивают устойчивую металлическую связь и необходимую прочность. Например, высокую прочность сцепления в биметаллических отливках обеспечивает установка в литейных формах, заливаемых высококремнистыми сплавами, стальной арматуры. В этом случае достигается повышение термической стойкости литых изделий и динамической прочности.

Установлено, что при заливке стальных втулок и стержней высококремнистыми сплавами при температуре 1430 — 1510 °С ферросилид хорошо сваривается с арматурой из углеродистых сталей, а при температурах 1480 — 1580 °С и с хромоникелевыми сталями, поверхность арматуры которых покрывается силицированным слоем толщиной более 0,15 мм. С увеличением температуры расплавленного ферросилида толщина силицированного слоя на стальной арматуре повышается, а при низких перегревах ферросилида силицирование арматуры происходит на небольшую глубину и снижается прочность сцепления.

Свойства армированных высококремнистых чугунов

Материал арматуры для изготовления биметаллических отливок Марка высококремнистого чугуна Глубина силицирования, мм Термостойкость, % Прочность сцепления, МПа
Сталь ЗОЛ ЧС15Д 0,14 150 13,5
Сталь 45ФЛ ЧС15 0,18 136 12,8
Сталь 32Х06Л ЧС15НЗД 0,16 147 14,4
Сталь XI8Н9ТЛ ЧС15НЗМД 0,45 240 37,5
Сталь XI8Н10ТЛ ЧС15НЗМ2Д 0,50 276 45,0
Сталь 110Г13Л ЧС15М4 0,27 205 25,8
Сталь 27ХН2МФЛ ЧС15НЗМД 0,22 232 28,3

Заливка литейных форм легированными ферросилидами обеспечивает биметаллическим изделиям высокие характеристики прочности и глубины сцепления. В результате диффузии кремния из расплава при высоких температурах перегрева прочность сцепления достигает 25 — 45 МПа. Повышаются коррозионная, термическая и газоабразивная стойкость армированных отливок, что позволяет рекомендовать их для таких ответственных изделий, как детали барботажных установок и насосов, используемых при производстве удобрений, кислот и других агрессивных веществ.

Исследования армированных биметаллических отливок из химически стойких чугунов показывают, что происходит науглероживание поверхностных слоев стальной арматуры. Однако в большинстве случаев оно нежелательно, а иногда и недопустимо. Например, при литье брони дымососов, охладительных плит фурменной зоны вагранок и доменных печей, водоохлаждаемых металлопроводов и других отливок, работающих в условиях тепловых ударов и повышенного износа, в тело которых заливают стальные трубы-змеевики для охлаждения. В таких случаях науглероживание трубок на глубину до 2 — 6 мм приводит к потере пластических свойств и повышенной хрупкости. В результате у таких биметаллических отливок повышается склонность к разрушению, снижается их термическая стойкость и они преждевременно выходят из строя. Обработка змеевиков газообразными смесями с химически активными металлами уменьшает склонность их к науглероживанию и является более перспективным технологическим процессом, чем нанесение на поверхность змеевиков слоя красок из огнеупорных материалов.

Использование газообразных смесей, содержащих 0,3 — 0,4 % четыреххлористого титана, 0,2 — 0,3 % бора и 0,5 — 0,8 % сурьмы, для обработки трубчатой арматуры, используемой для получения биметаллических отливок из ферросилида и других железоуглеродистых сплавов, позволяет увеличивать прочность и плотность сцепления и эксплуатационные свойства отливок.

Изготовление армированных заготовок из износостойких железоуглеродистых и цветных сплавов позволяет сделать вывод, что для широкого использования этого способа получения биметаллических заготовок необходимо увеличивать смачиваемость арматуры расплавленным сплавом.

Основным препятствием получения заготовок из цветных металлов, армированных волокнистым графитом и другими материалами, является несмачиваемость поверхности графита и волокон из других материалов расплавленными металлами.

При обработке арматуры парами смесей на основе титана, бора и цинка на ее поверхности образуются смачиваемые металлом покрытия толщиной от 10-8 до 10-6 м. Для обработки графитовых волокон используют газообразные смеси на основе аргона, содержащие четыреххлористый титан, треххлористый бор и металлическую сурьму. В результате получают покрытия с большей толщиной, чем при использовании газообразных смесей с цинком.

Внедрение армированных деталей, в том числе со стальным крепежом и нагревательными элементами из латуней, бронз и других цветных сплавов, в ряде случаев дает значительный технико-экономический эффект. Для изготовления тонкостенных и равномерных по толщине армированных отливок могут быть рекомендованы такие прогрессивные методы литья, как жидкая штамповка, литье под низким давлением и центробежное литье. Последний метод литья дает возможность получать и массивные биметаллические втулки, работающие в условиях трения без смазки с высокими удельными давлениями.

В производственных условиях проведены исследования по выбору, созданию и оптимизации технологии и оснастки для получения высоконагруженных крупногабаритных биметаллических червячных колес, ступицу которых изготовляют из углеродистых сталей, а венец — из оловянистых бронз. Расход дорогостоящих бронз на такие отливки значительный. Например, для получения одной отливки венца червячного колеса для станка 8Б67 на Гомельском станкостроительном заводе им. С.М. Кирова при литье в песчано-глинистые формы расходуется 76 кг дорогостоящей бронзы БрОЮФ.

При совершенствовании технологического процесса вместо двух отливок, которые затем собирают вместе с помощью крепежных деталей, предложены технологические процессы получения биметаллической отливки червячного колеса с проливкой зубьев венца в металлических формах. При переходе на изготовление биметаллической отливки червячного колеса литьем в кокиль и центробежным способом повысилась производительность, снизилась трудоемкость и улучшилось качество червячных колес. В таблице приведены результаты внедренного технологического процесса изготовления биметаллических червячных колес в сопоставлении с ранее используемым методом раздельного литья венца и ступицы с последующей их сборкой. Переход на изготовление биметаллических червячных колес литьем в кокиль и центробежным методом на машинах с вертикальной осью вращения позволил снизить расход оловянистой бронзы с 76 кг до 27 — 52 кг на одно изделие и исключить брак отливок по газовым раковинам и усадочным дефектам. Интенсивный теплоотвод и быстрое затвердевание бронзы, заливаемой при температуре 1180 — 1190 °С, способствуют повышению плотности литых зубьев червячного колеса.

В высоконагруженных дисковых тормозах широко применяются фрикционные материалы, изготовленные методом порошковой металлургии (например, спеченные материалы марок ФМК-11, ФМК-79 и МКВ-50А). Начинают использоваться и дисперсные литейные сплавы, получаемые путем введения боридов и других твердых компонентов в жидкие расплавы. Такая технология является высокопроизводительной и экономичной по сравнению с порошковой металлургией и позволяет в полной мере использовать максимум свойств как металлической матрицы, так и твердых тугоплавких компонентов.

Физико-механические свойства биметаллического червячного колеса

Способ изготовления червячного колеса Марки литейных сплавов для изготовления червячного колеса Плотность бронзы в отливке, кг/м3 Относительная износостойкость материала венца при граничном трении, %
Венец Ступица
В сухие песчано-глинистые формы раздельно венец и ступицу с последующей сборкой крепежными деталями БрОЮФ Сталь 55Л 8400 100
Ступица-в сухую оболочковую форму, а венец-в ком- бинирован- ную форму на центробежной машине БрОЮЦ2Ф Сталь 45Л 8700 118
Биметаллическая отливка в кокиль БрОЮФ Сталь 45Л 8800 132
Биметаллическая отливка на центробежной машине с вертикальной осью вращения БрОЮЦ2Ф Сталь 32X06Л 9000 145

На рисунке приведены типичные осциллограммы поверхностных температур при испытании пар ФМК-79-ЧНМХ и ЧНБХА-ЧНМХ на машине ИМ-58 в тяжелом режиме торможения: при удельной мощности 80 МПа, скорости 20 м/с, частоте вращения 60 с-1.

Осцилограммы поверхностных температур при испытаниях фрикционных пар
Осцилограммы поверхностных температур при испытаниях фрикционных пар ФМК-79-ЧНМХ (1) и ЧБМХА-ЧНМХ (2)

С каждой парой трения проводилось не менее семи торможений с осциллографической записью поверхностной и объемной температуры в процессе торможения. Как видно из рисунке, при одинаковой удельной мощности торможения более высокие значения объемной температуры отмечаются при использовании спеченных фрикционных материалов.