Металлосбережение соответствует современной тенденции для инноваций в литейном производстве. Концепции сочетания новых достижений в технологии высокопрочных сплавов и формовочных процессов, а также использование литейной формы в качестве инструмента для изменения свойств металла предложено использовать для литья высокопрочного чугуна. Приведены рекомендации по оптимизации толщины стенок отливок, примеры точных легковесных отливок и их высокотехнологичного производства.
Развитие коммуникации в современном мире приводит нас к экономике участия, в которой производители реагируют на предложения потребителей и создают продукцию без лишних свойств с точки зрения потребления. В литейном производстве это выражается задачей существенного уменьшения массы литых конструкций для изделий машиностроения, в первую очередь, транспортных средств, при росте их эксплуатационного ресурса. По мнению профессора О. И. Шинского, современные литые конструкции в силу используемых литейных процессов и традиционных условий их конструирования в странах СНГ превышают по коэффициенту запаса расчетные в 1,5-2 раза, а в Западной Европе — в 1,3-1,5 раза [1]. Это ведет к перерасходу энергоносителей, шихтовых материалов, трудоемкости литейного производства в 1,5-2,3 раза. При эксплуатации машин и механизмов с литыми деталями высокой металлоемкости расходы энергоресурсов, топлива и смазочных материалов выше на 20-30%, чем при использовании оптимальных литых деталей.
Для осуществления металлосбережения нужны новые методы расчета эксплуатационных характеристик литых деталей, прогнозируемых свойств высокопрочных материалов, напряженно-деформационного состояния отливок при их твердении и охлаждении с использованием наработанных научными институтами информационных технологий и адаптированных компьютерных программ, отражающих кинетику кристаллизации и структурообразования отливок. Разработка автоматизированных систем проектирования литых конструкций должна сочетать новые достижения в технологии высокопрочных сплавов и формовочных процессов, включая последние разработки в области специальных видов литья, объединяющих точные способы получения отливок.
Литейная форма все чаще рассматривается как инструмент для регулирования свойств металла с целью металлосбережения, а не только как огнеупорная емкость для получения металлоизделия по чертежу конструктора.
В растущем с каждым годом мировом выпуске отливок (105,2 млн тонн за 2014 году) доля отливок из серого чугуна (СЧ) составляет 45,4%, из высокопрочного чугуна (ВЧ) — 24,4%, стали — 10,8% (Mod. Casting №12-2015). Видно, что объем отливок из ВЧ почти в 2,5 раза превышает объем стального литья и составляет почти четверть всего выпуска отливок, а всего чугунное литье с ковким чугуном (1,1%) составляет 70,9%.
Результаты исследования структуры и механических свойств чугунных отливок, полученных в песчаных формах различного вида, показывают многофакторное влияние графитовой фазы и условий охлаждения металла отливки на структуру и механические свойства металла. Графитовые включения в структуре чугуна способствуют повышению демпфирующей способности, теплопроводности, коррозионно- и износостойкости изделий. Обладая (среди двух основных типов Fe-C сплавов) лучшими литейными свойствами, чем сталь, чугун позволяет получать готовые изделия непосредственно в литом состоянии.
Однако графитовая фаза оказывает не только положительное, но и отрицательное воздействие на свойства чугуна. Графитовые включения, являясь концентраторами напряжений, ослабляют металлическую матрицу, особенно если они имеют различные дисперсность, количество включений на единицу площади шлифа и влияют на соотношение содержания феррита-перлита металлической матрицы по толщине стенки отливки. Отрицательное влияние включений графита снижают путем уменьшения их размеров и повышения равномерности распределения в объеме этой матрицы. Изменяя форму графитовых включений, их распределение и количество, в сочетании с рациональным структурированием металлической матрицы, можно управлять конечными свойствами чугуна. Металлическая матрица в значительной степени определяет механические и эксплуатационные свойства литейных чугунов. Особенно очевидно это для чугунов с шаровидной формой графита — марок ВЧ (ГОСТ 7293-85), где негативная разупрочняющая роль включений как концентраторов напряжений нивелируется их сферической формой. Поэтому максимальное использование прочностных свойств такой матрицы отвечает задаче металлосбережения, а рост производства ВЧ идет опережающими темпами. Например, во Франции в 2013 году при объеме литейной продукции из железоуглеродистых сплавов 1,42 млн т из ВЧ произведено литья больше, чем из СЧ.
В свою очередь, технология литейной формы существенно влияет на качество отливок, в частности на скорость процесса кристаллизации металла и выделения в нем графитовой фазы: последние два процесса обладают определенной взаимосвязью. Анализ механических свойств и микроструктуры отливок из чугуна марок ВЧ 50 ГОСТ 7293-85, полученных в песчано-глинистой по-сырому (ПГФ) и вакуумируемой (ВФ) песчаных формах, показал характерные изменения механических свойств по толщине стенки отливки (в пределах соответствия ГОСТу на стандартных пробах). Графики зависимости твердости металла НВ (по Бринеллю в соответствии с ГОСТ 9012-59 с изменениями 1963-2003 гг. и ISO 6506-81) и содержания перлита в структуре ВЧ от расстояния от поверхности (по глубине стенки) отливок деталей и ступенчатых образцов толщиной до 60 мм, полученных в ПГФ и ВФ, показаны на рис. 1. Кривые (далее — кр.) НВ и «% перлита» имеют практически одинаковый куполообразный вид с явным максимумом. На этих кривых твердость НВ в поверхностных слоях отливок из ВЧ растет на глубину до ~15 мм, где достигает максимума, и далее НВ снижается. НВ по трем областям на расстоянии от поверхности (мм) 0; 15; и 30 в среднем составляет для отливок по ПГФ — 204-208-200 ед. с перлитом 49-71-48%, для отливок по ВФ — НВ 170-190-177 ед. с перлитом 18-63-45% (остальное — феррит и графит).
Из анализа литературы и полученных нами данных на рис. 2 показаны зависимости НВ по сечению отливок от расстояния l м, от поверхности различного вида форм. Кр. 1 — для отливки из ВЧ 60 при сырой формовке и затвердевании от стенки наружного холодильника, кр. 2 — для отливки из СЧ 25 при вакуумно-пленочной формовке (ВПФ), кр. 3 — для отливки цилиндрического образца из ВЧ 50, полученного нами в вакуумируемой форме (ВФ) при литье по газифицируемым моделям (ЛГМ), кр. 4 — для отливки из СЧ, полученной в кокиль.
Для кр. 1–3 наблюдается характерное понижение твердости у поверхности отливки. Кр. 4, иллюстрируя аномально ферритно-графитную зону (минимальные значения НВ) при кокильном литье СЧ после образования отбеленного слоя толщиной до 14–15 мм, начиная с расстояния l величиной 20-22 мм, имеет подобный остальным кривым характер изгиба.
Снижение твердости и содержания перлита в приповерхностных слоях отливок из ВЧ (рис. 1) объясняется повышенной скоростью затвердевания этих слоев с образованием большого числа зародышей графита и, следовательно, появлением сравнительно мелких (точечных) графитовых включений, чем в среднем по толщине стенки отливки. Близкое расположение дисперсного эвтектического графита (графита переохлаждения) и большая суммарная площадь поверхности этих мелких графитовых включений способствуют при перлитном превращении полному распаду аустенита и выделению феррита (иногда до полного отсутствия перлита),
сокращая пути диффузии углерода к графитовым включениям при распаде карбидов, что является аналогом графитизирующего самоотжига [2]. Снижение твердости и содержания перлита в центральных зонах отливок объясняется наиболее медленным их охлаждением в данном теле отливки.
Снижение твердости в приповерхностных и центральных слоях чугунных отливок, полученных в ВФ, проявляется сильнее (чем в ПГФ) и относится к характерным явлениям для этих форм. Среднее значение НВ отливки, полученной в ПГФ, превышает НВ отливки, полученной в ВФ, на 20–25 единиц. Вакуум формы, притягивая металл, ускоряет его затвердевание в слое, контактирующем с формой, но сухой песок ВФ проводит тепло хуже, чем при ПГФ, и в целом затвердевание и охлаждение отливки при ВФ идет медленнее, чем более крутые изгибы кривых 3, 4 по сравнению с кривыми 1, 2. Сравнение микроструктуры и твердости металла отливок
по сечению (толщине l) показывает характерное укрупнение графитовых включений в стенке толщиной 45-50 мм (от наружной поверхности к центру) при литье в ВФ в 2,3–2,5 раза, при ПГФ — в 1,5–2 раза. Причем заметно, что с укрупнением размера включения графита в центре тела отливки несколько ухудшается его шаровидная форма, а в местах температурных узлов в центральных зонах могут наблюдаться области с так называемым вырожденным шаровидным графитом (chunky — «графит»), вероятно, по причине понижения в них остаточного магния.
Подобный изгиб кривой твердости наблюдается в ряде случаев также в отливках из СЧ, например, это описано при получении отливок в металлических формах и вызвано повышенной скоростью кристаллизации металла отливки с выделением высокодисперсного графита. Серые чугуны высоких марок, как правило, имеют меньшее содержание углерода, чем ВЧ, и переход на более прочную марку чугуна при конструировании деталей часто выполняют путем перехода на чугун с вермикулярным или шаровидным графитом, устраняя надрезающий эффект пластинчатого графита.
Такое явление образования в приповерхностных слоях отливок преимущественно мягкой ферритной структуры с мелкими частыми включениями графита иногда называют образованием «аномальной структуры». Оно не оказывает браконосного ухудшения механических свойств отливок, получаемых в песчаных формах, и пока не настолько изучено, чтобы его можно было бы специально создавать для формирования и использования подобных структур во всем теле или в определенных слоях чугунных отливок. Однако для конструирования отливок из ВЧ такое характерное изменение механических свойств предложено учитывать для оптимизации конструкции отливки с целью металлосбережения.
Кривые изменения прочностных свойств отливок из ВЧ в песчаной форме, согласно снижению количества перлита в стенке отливки на глубине более 15 мм, приводят к выводу о нецелесообразности утолщения стенок конструкций свыше этого размера в свете тенденции сбережения металла. Рационально ли упрочнение конструкции путем увеличения толщины стенки за счет увеличения массы металла с монотонно снижающейся по толщине отливки прочностью? При ответе на этот вопрос очевидна выгодность толщины стенки не выше размера 15×2=30 мм, при которой с обеих ее поверхностей к середине твердость и перлитная составляющая
приближаются к максимуму, что позволит предельно использовать механические свойства ВЧ на единицу массы.
Охлаждение отливок в ВФ на 20–22% дольше, чем в ПГФ, скорость охлаждения ниже и, соответственно, примерно на 9–10% ниже твердость. Однако при литье в ВФ недостаточно применяют ту особенность, что вакуум в поверхностной зоне отливки благодаря силовому действию (присасыванию) снижает зазор на границе «металл–форма» и повышает скорость затвердевания ВЧ на глубину до 8 мм (ускоренное образование корки металла). Это характерное явление используют для литья ВЧ при учете удвоенной толщины этой корки с обеих сторон стенки в способе литья ВЧ без прибылей (А. с. 1694316 СССР).
Ускоренное затвердение стенок отливок на расстоянии до 8 мм от ее поверхности при литье в ВФ видно на шлифах при исследовании микроструктуры (разрезанной поперек стенки) по измельчению зерна металла и графитовой фазы такого поверхностного слоя. Прочность этой ускоренно образующейся корки, суммируясь с прочностью формы, достаточна для удержания от деформации стенки отливки от предусадочного расширения металла, давление которого в затвердевшей оболочке уплотняет металл и способствует его упрочнению.
Рассмотрим подробнее способ металлосбережения при литье ВЧ в ВФ без применения питающих прибылей. Как известно, графитизированные чугуны претерпевают предусадочное расширение в твердом, твердожидком и жидком состояниях, и этот процесс, по данным А. П. Трухова, начинается для таких чугунов с различной формой графита при температуре Тр<1207°С и СЕ>3,73 при (СЕ = С + 0,5Si + 0,25Р). Такие условия отвечают практически всем маркам ВЧ по ГОСТ 7293-85.
Предусадочное расширение протекает до температуры 900–950°С, при охлаждении отливки до этой температуры следует продолжать вакуумировать форму, поддерживая ее в упрочненном состоянии, когда она тормозит внешнее расширение отливки, а объем предусадочного расширения металла компенсирует объем его усадки, предшествующей этому расширению. При этом показано, что стенка отливки из ВЧ 50 толщиной 36±4 мм оказывает минимальное давление на форму, так как объем расширения наружной части стенки до образования прочной замкнутой корки отливки не превышает объема усадки остальной части отливки. При условии
нерасширения стенок отливки (это расширение характерно для ПГФ и требует применения прибылей) в толще более тонких стенок при кристаллизации отливок, получаемых в ВФ, преобладает давление от предусадочного расширения. А при толщине 36 ± 4 мм и выше это давление компенсируется усадкой жидкой части металла, когда свободно образуется поверхностная корка практически без повышенного давления на поверхность формы и расталкивания стенок формы, а металл затвердевает в такой замкнутой корке без образования усадочных дефектов из-за своего расширения.
Таким образом, для металлосбережения следует использовать характерное явление измельчения структуры ВЧ поверхностного слоя отливки при литье в ВФ в процессе конструирования отливки, а также описанный способ литья без прибылей при создании условий компенсации усадки за счет расширения металла в замкнутой корке при выделении в нем графитовой фазы. Косвенно такая компенсация подтверждается увеличением общей усадки по габаритам отливки при ВФ (по сравнению с ПГФ) с повышением точности размеров отливки (уменьшении отклонений от чертежа).
Техническое предложение изготовления отливок из ВЧ литьем в песчаную форму со стенками толщиной не более 30 мм основано на использовании в отливках прочной перлитной структуры ВЧ в стенках указанной толщины без дальнейшего утолщения стенки, поскольку дальнейшее наращивание толщины добавит металл невысокой прочности. С ростом толщины стенки ВЧ падает соотношение количества перлита к ферриту. Феррит обладает незначительной прочностью
(σв = 250 МПа) и твердостью (НВ 80–100), а предел прочности зернистого перлита достигает σв=800 МПа. При этом показатель твердости прямо пропорционально связан с прочностью. Для перлита — НВ 170–230 в зависимости от вида, хотя для легированного ВЧ с почти 100% перлита в литом состоянии в работах В. Б. Бубликова показана σв=860 МПа, НВ 280.
Если при литье в песчаную форму отливке требуется повышение прочности соответствующей стенке более 30 мм для данной марки ВЧ, то дальнейшее упрочнение ее конструкции следует достигать добавлением к ней ребер и опор, не превышающим 30 мм толщины. Это наиболее удобно выполнить для ЛГМ-процесса, обладающего широким диапазоном способов получения разовых моделей, включая 3D-обработку пенопластов на станках с ЧПУ.
Таким образом, сбережения металла рекомендовано достигать за счет его использования в отливке с наиболее прочной литой структурой, возможной при литье в песчаные формы со стенками указанной толщины, при максимальном содержании перлитной составляющей. А для литья в песчаную ВФ следует учитывать специфическое для этого процесса ускоренное затвердевание корки металла для стенок толщиной не более 16 мм, зерно структуры которых измельчается под действием вакуума формы. При этом возможна экономия металла путем отказа от питающих прибылей, с использованием предусадочного расширения ВЧ в стенке отливки, которое компенсирует (замещает) усадку, предотвращая образование дефектов. Рассмотренные явления уточняют для различных марок чугунов и конструкций отливок с учетом влияния внутристеночного давления на свойства металла.
В качестве примера сберегающей металл оптимизации литых конструкций заслуживает внимания ежегодная информация на сайте Американского общества литейщиков, которое с 2008 по 2015 гг. представляет галерею конкурса «Отливка года», где примерно треть образцов — отливки из ВЧ. Среди этих отливок 2013–2015 гг. на рис. 3 в разном масштабе показаны: плита весом 300 т (а), подрамник для транспортного средства (б), передняя опора двигателя тяжелого грузовика (в), деталь горнодобывающего оборудования (г), деталь трактора (д), отливка по ЛГМ-процессу для тяжелых грузовиков (е), корпус для гидравлики (ё), устройство для косилок (ж), корпус подшипника для привода вентилятора трактора (з), кронштейн для сельхозмашины (и), деталь трактора (к), тройник системы пожаротушения (л), зажим для опалубки бетонных изделий (м), кронштейн из аустенизированного ВЧ (н). На двух последних фото показаны стальные сварные детали рядом с заменяющими их отливками из ВЧ (о, п).
Такие примеры отливок из ВЧ пополнят компьютерную базу данных по идентификации литых конструкций транспорта (автотракторного, ж/д), трубопроводов, нефтехимической промышленности, горно-обогатительного комплекса для разработки многоуровневой структуры определения и прогнозирования эксплуатационных характеристик базовых литых конструкций из ВЧ для этих отраслей. Эти примеры демонстрируют высокий уровень развития технологии ведущих зарубежных производств, с которым необходимо конкурировать отечественным литейщикам.
Показанные высокотехнологичные примеры соответствуют инновационной тенденции металлосбережения как приоритетному направлению совершенствования литейного производства. В процессе выполнения под руководством профессора О. И. Шинского научно-исследовательской работы проводится анализ параметрических признаков конструкций отливок для уменьшения их металлоемкости в зависимости от методов их получения. Оптимизация литых конструкций рекомендуется как синтез технологий формообразования с правильным выбором сплава из базы данных высокопрочных материалов, что позволит адаптировать компьютерные методы определения и прогнозирования эксплуатационных свойств базовых литых деталей машиностроения для автоматизированных систем проектирования отливок малой металлоемкости. Планируется изготовление по оптимизированным технологиям опытных образцов таких отливок с определением технико-экономических показателей нового класса литых легковесных конструкций.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шинский, О. И. Снижение металлоемкости литейной продукции — основа развития отрасли / О. И. Шинский // Оборудование и инструмент для профессионалов. —
2011. — № 1.
2. Александров, H. H. Производство крупногабаритных отливок их чугуна / Н. Н. Александров, А. А. Черепов, В. В. Андреев, Е. В. Ковалевич. — М. : НИИЭинформэнергомаш, 1987.
Размещено в номере: «Вестник арматуростроителя», № 7 (42) 2017
