Суміщення процесів лиття і термообробки чавунних деталей для регулювання твердості їх поверхні

     За урядовими програмами планується переробка в Україні більшості руди власного видобутку на метал та виготовлення з нього готової металопродукції, зокрема в галузі машинобудування, з ключовою вимогою локалізації виробництва не менше 60 %. При цьому для конкурентних переваг необхідні матеріали з підвищеними властивостями та розробка нових технологій в ливарництві для машинобудування. Запропоновано нові методи виготовлення литих деталей на прикладах виливків з високоміцного чавуну, головним чином при суміщенні ливарного процесу за моделями, що газифікуються, та термообробки (ТО). Ці методи дозволяють створити диференційовані значення твердості на різних сторонах поверхні виливка. За науково-технологічним підходом і умовами їх реалізації зазначено, що аналогічні методи доступні також для більшості залізовуглецевих сплавів, а також для застосування в ливарних цехах з мінімальним обладнанням для ТО. Подальші дослідження такого диференційованого структуроутворення перспективні в напрямі створення способів здрібнення литої мікроструктури (аж до рівня наноструктурних матеріалів) і взаємного проникнення елементів різних фаз (аж до рівня високоентропійних сплавів) для поліпшення властивостей сплавів. Для розвитку досліджень вказано доречність методів генерації тривимірної мікромеханічної моделі. Розроблені металургійні способи створюють можливість для самозагострювання робочих органів чи інструмента по мірі його зношування, що дозволяє підвищити продуктивність експлуатації в екстремальних умовах, зекономить ресурси, що призводять до руху цих виробів, та витрати на їх заточку чи заміну. Диференційовані значення твердості металовиробів також перспективні для конструювання броньованих перешкод, в яких чергування твердих і пластичних прошарків з ряду пластин, розташованих під гострим кутом до напряму дії зовнішнього фактору ураження, значно його послаблює.

Ключові слова: лиття металу, залізовуглецеві сплави, термічна обробка, високоміцний ізотермічно загартований чавун, ізотермічна витримка, загартування, лиття за газифікованими моделями.

     Промисловість з кожним роком все швидше сприймає нові технології. При цьому для конкурентних переваг необхідні матеріали з підвищеними властивостями, що також важливо для виготовлення в Україні готової продукції з металу, отриманого, як планується здійснювати за урядовими програмами, при переробці більшості руди власного видобутку. Це відзначено першим віцепрем'єр-міністром – міністром економіки Юлією Свириденко [1] з ключовою вимогою локалізації виробництва не менше 60 %. Україна дев’ята у світі за експортом металів (19 млн т на рік) та експортує велику кількість руди, яку за планом післявоєнного відновлення слід переробляти всередині країни. Адже тонна руди коштує 100-150 дол. США (тут і далі), тонна металу – 500-1000 дол., а готовий металевий виріб – 1,5-2 тис дол. Якщо з металевих виробів виготовляти енергетичні машини, то ціна доходить до 15-20 тис дол. за тонну [1], з відповідною доданою вартістю. Застосування та розробка нових технологій в ливарництві сприятиме зміцненню потенціалу розвитку машинобудування країни.

     На основі досліджень та розробки варіантів регульованого охолодження виливка, який затвердів у піщаній формі при литті за моделями, що газифікуються (ЛГМ), розглянемо нові процеси зовнішнього впливу на виливок способами термообробки (ТО). Ці процеси створено в розвиток розробок по регульованому структуроутворенню литих металовиробів з залізовуглецевих сплавів та відображені на прикладі виливків з високоміцного чавуну (ВЧ), а також в значній мірі їх здійснення ґрунтується на подальшому розкритті потенціалу технології ЛГМ у формах з сипкого піску.

   В останні роки зростає увага до такого виду ТО, як Austempering - ізотермічне гартування (ІГ) чорних металів із середнім та високим вмістом вуглецю, яке створює металеву структуру, що називається бейнітом. ІГ використовується для збільшення міцності, ударної в'язкості металу і дає більш низький ступінь деформації, ніж у випадках традиційних гартування і відпуску. Деталі нагрівають до температури приблизно на 200-300 °C нижче температури затвердіння металу, потім досить швидко охолоджують (гартують) до температури початку бейнітного перетворення і витримують протягом часу, достатнього для отримання заданої бейнітної мікроструктури.

     В фундаментальній роботі [2] показана залежність механічних властивостей виливків з графітизованих чавунів від температури аустенізації, з якої виконують ІГ. Це також підтверджують інші публікації, наприклад, про вплив температури аустенізації на твердість загартованих зразків з високоміцного чавуну (ВЧ) з наступним відпуском (рис. 1) [3].

Рис. 1. Вплив температури аустенізації на твердість загартованих зразків.

     Підвищення властивостей залізовуглецевих сплавів досягають методами отримання двофазних (dual phase, DP) [4] чи багатофазних (зокрема, за вітчизняними працями Л. С. Малинова, К. І. Узлова та інших) мікро- і макронеоднорідних структур (аусферит, бейніт, мартенсит тощо), зокрема, у виливках. Прикладом цього є двофазні за металевою матрицею ізотермічно загартовані чавуни DP-ADI, структура яких складається з аусфериту, вільного (проевтектоїдного), пересиченого вуглецем фериту та графіту. DP-ADI чавуни мають більшу пластичність, кращу оброблюваність, ніж звичайні ADI, що містять, наприклад, аусферит та графіт [4].

     На рис. 2 [5] показано вертикальні розрізи потрійної діаграми Fe-C-Si паралельно стороні Fe-C при Si - 2,0 % та Si - 3,8 %. Вони ілюструють наявність певної області міжкритичного інтервалу температур (МКІТ), з якої, спрощено кажучи, можна ізотермічно гартувати чавун з аустенітно-феритної металевої матриці (з області МКІТ) до бейнітно-феритної (DP-ADI), а вище (по діаграмам, рис. 2) області МКІТ  – з аустенітної – до бейнітної матриці, властивої чавунам типу ADI.

                            а                                                             б

Рис. 2. Вертикальні розрізи потрійної діаграми Fe-C-Si паралельно стороні Fe-C при Si - 2,0 % (а) та Si - 3,8 % (б) [5]: α – ферит, γ – аустеніт, Р – рідина, С – вуглець (графіт); області МКІТ зафарбовано сірим кольором.

     Методом ІГ з області МКІТ, що зафарбована на рис. 2, забезпечують певну долю у структурі DP-ADI вільного (проевтектоїдного) пересиченого вуглецем фериту і тим самим регулюють твердість DP-ADI. Так, в зразках [4] чавуну з мас. %: 3,53 С; 2,53 Si; 0,35 Mn; 0,045 Cu; 0,07 Ni; 0,055 Mg; 0,031 P; 0,015 S; при долі 18,4 % і 78,8 % (за об’ємом) такого фериту (решта – аусферит і графіт) твердість DP-ADI, відповідно, доступна для регулювання від 300 до 178 НВ (рис. 3).

Рис. 3. Вплив відносного вмісту фаз (% за об’ємом) в структурі чавуну DP-ADI на його твердість [4];                       Т_а - температура аустенізації [4].

     У відділі проф. О. Й. Шинського запатентовано ряд способів взаємного доповнення лиття (ЛГМ) та ТО, а саме: ІГ виливків з графітизованих чавунів. Ці методи поєднують дві металургійні технології в один процес, який ще називають термообробкою з литого стану [6]. У розвиток досліджень цього напряму виявили технологічну можливість зовнішнього впливу на затверділий виливок методами ТО для створення його диференційованих механічних властивостей. При цьому використали унікальний потенціал ЛГМ не лише для легкої формовки з сипкого піску, а і для легкого вибивання чи видалення виливка з форми. Зокрема, гарячий виливок в аустенітному стані зовсім нескладно видалити з сипкого піску і провести його ІГ (за відомими методами, зокрема [2-4, 6, 7]) з підвищенням механічних показників литого чавуну в 1,5-2,0 рази, або виконавши більш складне регулювання його властивостей.

     Часткове звільнення виливка від піску в формі для захвату і вилучення його з неї при ЛГМ спростить, зокрема, створений компанією Omega Foundry Vac - великий технічний пилосос для ливарного виробництва [8] з всмоктувальним транспортером, який підходить для більшості пісків, дробу, порошків, гранульованих продуктів і металевого шлаку. Пилосос Vac вагою до 2000 кг з гнучким трубопроводом з ДУ до 100 мм видаляє до 10 тонн на годину сухого піску з насипною щільністю матеріалу ~1600 кг/м³ і ефективний на відстанях до 30 м. Він має легке керування за допомогою автонавантажувача та знімний бункер ємністю 0,7 м³ з циклом самоочищення.

     Взявши за основу чисельні дані на рис. 3, визначили: якщо одну поверхню виливка при ІГ загартувати з температури 820 °С, а другу - з 800 °С, то твердість першої поверхні буде 265 НV, а другої -  195 НV. Звідси, спосіб ґрунтувався на тому, що, зокрема для плоских виливків, слід одну поверхню гарячого виливка захистити від охолодження, а другій прискорити охолодження, досягнувши вищевказаного перепаду температур. При цьому застосували технологічний прийом з металевою оснасткою під умовною назвою «нагрівальник чи теплоізолятор» або «холодильник-навпаки». Зовнішні металеві холодильники давно застосовують, як один із традиційних способів для регулювання затвердіння і охолодження виливків у піщаній формі. Їх укладають на моделі і заформовують у піщану суміш як металеві вставки у ливарну форму з цієї суміші.

     Для перевірки реалізації способу спроектували такий експеримент. В лабораторній термічній печі (термосі) нагріли чавунні пластини до температури 820+5 °С, видалили плоский чавунний виливок з сипкого піску форми за ЛГМ-процесом при температурі 830±10 °С, наклали гарячу пластину на одну стінку виливка, а другу відкриту охолодили до температури ~800 °С самовільною конвекцією повітря. Також придатне охолодження обдуванням повітря, в тому числі, вологого чи з аерозолем, які прискорюють охолодження до заданого рівня. При досягненні 800 °С провели гартування виливка в воді з подальшим виконанням операцій згідно ІГ. Таким чином, одна поверхня загартувалася з температури 820 °С, а друга - з 800 °С. Для виготовлення експериментального пластинчастого виливка з ВЧ використовували моделі для лиття лемехів плугів (рис. 4, а), що серійно виготовлялися в ливарному цеху ФТІМС НАНУ.

     За хімічним складом основних елементів, згідно нашого розрахунку шихти, ВЧ практично не відрізнявся від вищевказаного складу зразків [4]. В якості нагрітої пластини також застосували такий же виливок з сірого чавуну, який кріпили прикручуванням дротом до виливка з ВЧ крізь отвори, які видно на виливках (рис. 4). Виміряна твердість протилежних поверхонь з точністю ±5 НВ була 260 НВ та 200 НВ, тобто відрізнялась на близько 60 НВ. Для вимірювання температури користувались контактною термопарою з потенціометром, також доступні сучасні пірометри, що дають похибки ±3 °С і менше. На рис. 4 також показані приклади моделей виливків, а також виливків, що застосовують в умовах зношування і мають доцільність регулювання твердості.

                           а                                          б

                          в                                         г

Рис. 4. Приклади моделей лемехів з цеху ФТІМС НАНУ, що зібрані на стояку у кластер (а), окремих подібних до лемехів моделей (б) та виливків, що застосовують в умовах зношування (в, г).

       З такими диференційованими механічними властивостями виливків є потенціал застосування для деталей, що служать в умовах регульованого зношування (рис. 4), потребують одної поверхні твердої і міцної, а другої - більш м’якої, пластичної чи з покращеною оброблюваністю тощо. При зношуванні м’який прошарок буде зношуватись швидше, «загострюючи» прошарок з більш твердою поверхнею.

     В розглянутому вище способі показано регулювання твердості виливка за рахунок зміни температури аустеізації Т_а з урахуванням МКІТ, а ІГ (Austempering) виконують з витримкою в інтервалі температури бейнітного перетворення. З розробок ФТІМС НАНУ також відомо спосіб виготовлення деталей з залізо-вуглецевих сплавів [9], що на відміну від традиційного ІГ по режиму (рис. 5, а) включає нагрівання до температури Т_а, витримку протягом τ_а, прискорене охолодження у воді до температури 100-250 °С, та ізотермічну витримку в печі при Т_ізо тривалістю τ_ізо (рис. 5, б). Таке охолодження у воді до температури 100 °С на поверхні виливка (візуально визначається по кипінню води з короткочасним його припиненням), тобто, трохи нижче температури мартенситного перетворення М_н (~200 °С), забезпечує часткове мартенситне перетворення (~10-20 %) [9]. Внутрішні шари металу при цьому мають більш високу температуру (вище 200-250 °С), у яких мартенситне перетворення може і не розпочатися. Прискорене перенесення в піч, нагріту до необхідної температури ізотермічної витримки Т_ізо (250-400 °С), зупиняє мартенситне перетворення, що почалося, в металі при такій витримці проходить перетворення аустеніту на бейніт. Частина мартенситу, що утворилася, відпускається до структури трооститу [9].

                                           а                                                             б

Рис. 5. Температурний режим двох варіантів ІГ [9]: без охолодження (а) і з охолодженням нижче температури М_н перед изотермічною витримкою при Т_ізо (б).

     Якщо за першим запропонованим способом, що ґрунтувався на рис. 3,  ми отримали виливок ВЧ з бейнітно-феритною металевою матрицею і диференційованою твердістю завдяки різній температурі Т_а його сторін з різною кількістю (%) фериту і проведення ІГ по схемі (рис. 5, а), то наступним способом ми можемо на більш твердій стороні ще отримати вкраплення мартенситу (зробивши її ще твердішою) за аналогією до режиму (рис. 5, б). Спроектуємо теоретично цей другий спосіб.

      Виходячи з умов в роботі [4] (рис. 3), слід видалили плоский виливок ВЧ з сипкого піску форми за ЛГМ-процесом, наприклад, при температурі Т_а = 820 °С, до першої сторони прикласти чавунну пластину з температурою 820+5 °С, а другу сторону охолодити на повітрі чи легким струменем повітря до температури 800 °С. Потім відняти гарячу пластину від першої сторони, притиснути її до другої сторони і зразу занурити у воду, щоб почалось швидке загальне охолодження і ця сторона не встигла нагрітись від дотичної пластини. При охолодженні та кипінні води біля поверхні виливка температура буде знижуватися, припиниться спочатку світіння виливка (~5 с), а після закінчення кипіння води (через ~10-12 с) біля поверхні виливка його слід виймати з води. За рахунок внутрішніх більш гарячих шарів металу поверхневі шари виливка розігріються, залишки води на окремих ділянках виливка закиплять як результат розігріву виливка до температури ≥100 °С.

     Потім виливок протягом до 15 с слід перенести до термічної печі чи іншого нагрітого середовища для ізотермічної витримки при 350 °С протягом 1 год. Мікроструктура ВЧ виливка з однієї сторони, загартованої з 800 °С в контакті з пластиною практично не буде відрізнятися від умов першого способу і аналогічно до рис. 3 орієнтовно буде складалася з 39 % аусфериту, 51 % фериту, 10 %  графіту і мати твердість 195 НV. А на другій стороні, що гартувалась від 820 °С і була короткочасно частково охолоджена до 100 °С, замість складу з 67 % аусфериту, 20 % фериту, 12 % графіту і твердості 265 НV (як за рис. 3 згідно першого способу ІГ) можемо прогнозувати твердість на рівні 330-340 НV із-за того, що замість 67 % аусфериту найбільш вірогідно буде близько 15 % відпущеного мартенситу (трооститу) в сумі з залишком близько 52 % аусфериту чи бейніту. В останньому випадку утворений мартенсит при температурі нижче М_н і ізотермічній витримці перейде у відпущений мартенсит (троостит), аналогічно опису [9]. Також загальновідомо, що для ВЧ значення твердості пропорційне величині міцності, ці показники є складовими визначальних механічних характеристик сплавів. 

    Таким чином, за останнім (другим) описаним способом пропонується отримати плоский виливок типу лемеха (як одного з варіантів чи «пілотної» конструкції) з ВЧ з різними значеннями твердості на двох його сторонах. Один прошарок меншої твердості матиме двофазну аусферитно-феритну металеву матрицею, а більш твердий – трифазну аусферитно-феритну-трооститно матрицю, причому з деякою можливістю регулювання взаємного відношення відсоткових кількостей цих фаз.

     Подальші дослідження такого диференційованого структуроутворення перспективні в напрямі створення способів здрібнення литої мікроструктури (аж до рівня наноструктурних матеріалів) і взаємного проникнення елементів різних фаз (аж до рівня високоентропійних сплавів) для поліпшення властивостей сплавів до значно вищих показників від характерних для стандартизованих сплавів. Доречно було б застосувати методологію, засновану на генерації тривимірної мікромеханічної моделі, яка дозволяє отримати за моделюванням пластичності кристалів (crystal plasticity simulations) загальну реакцію механічно стабільної віртуальної мікроструктури α'/γ тощо, за аналогією з роботи [10]. Зазначимо також, що шаруваті матеріали чи з диференційованими властивостями затребувані не лише для експлуатації в умовах зношування, але і, наприклад, для конструювання броньованих перешкод. Чергування твердих і пластичних прошарків з ряду пластин, розташованих під гострим кутом до напряму дії зовнішнього фактору ураження, значно його послаблює.

    Продовжуючи тему ІГ з литого стану переважно в поєднанні з ЛГМ, розглянемо запропонований нами наступний спосіб, що дещо спрощує цей процес отримання некрупних термооброблених виливків із залізовуглецевих сплавів. В монографії [7] по тематиці гартування виливків з таких сплавів зазначено, що її авторами розроблено більш технологічний та економічний режим ІГ. Він включає короткочасне гартування у холодній воді (чи розчині NaCl) з витримкою у ній 3…4 с, зі швидким перенесенням у киплячу чи гарячу воду, витримкою в ній 5…15 с і швидким перенесенням у атмосферну піч з температурою 320…420 °C. Пояснюється, що гаряча вода сприяє уникнення надлишкового жолоблення виливків та виникнення тріщин.

     З табличних даних видно, зокрема, що при зануренні гарячих, зокрема, чавунних виливків у воду з температурою її 18 °C і витримці їх там при зміні температури виливків, зокрема, від 650 °C до 300 °C, швидкість охолодження виливків падає від 600 °C/с до 200 °C/с, тобто, в 3 рази, відповідно, якщо вода нагріватиметься навколо виливка від 18 °C до 74 °C. Очевидно, що гаряча вода дає більш «м’який» вплив на виливок, що усаджується при охолодженні з притаманним цьому утворенням напружень в різних стінках чи прошарках металу виливка.

    Якщо гартування виливків після видалення їх в гарячому стані з контейнерної форми з сипкого піску проводити в воді кімнатної температури обмеженої (дозованої) кількості, то в контакті з гарячим виливком вода перейде в гарячий, а потім в киплячий стан. Прирівнюючи кількість тепла, що від виливка перейде до води, виконали орієнтовний розрахунок за формулою Q = c(T₁–T₂)m при охолодженні чавунного виливка при температурі, °C, від 950 до 300 і нагріванні цим виливком води від 20 до 100. Взяли до розрахунку такі середні показники для чавуну і води: теплоємність с, кДж/(кг·°С), чавуну 0,5; води 4,2; температури (T₁–T₂), °С, охолодження чавуну на 950 - 300 = 650, нагрівання води 20-100 на 80; розрахункова маса чавуну m_ч = 20 кг.

      Із того рівняння теплового балансу, що тепло від виливка переходить до води, визначили масу води m_в = 0,5·650·20/(4,2·80) = 19,35 (кг). Таким чином, якщо у воду в кількості 19,4 л з температурою 20 °C помістити чавунний виливок при температурі 950 °C масою 20 кг, то, коли вода закипить при 100 °C, це буде означати, що виливок охолонув до 300 °C (що вище точки М_н). Далі виливок переноситься в нагріте середовище на ізотермічну витримку при температурі, що визначається необхідним типом структури в інтервалі температур бейнітного перетворення, згідно табличних даних в роботі [6]. При цьому об’єм 20 кг чавуну складає 2,85 дм³, що підніме, відповідно, рівень води в контейнері при зануренні у воду виливка.

     Останній спосіб зручно застосовувати в ливарних цехах ЛГМ, поставивши біля ливарних форм, залитих металом, невеликі ємності з водою в дозованій кількості відповідно до розрахунку. Після заливання форм металом і витримки на затвердіння і попереднє охолодження виливків їх видаляють в аустенітному стані з сипкого піску форми, контролюють температуру (можливе термостатування) і занурюють у дозовану кількість води. Можливе перевезення контейнера з виливком і водою до термічної печі для видалення виливка і переміщення його в піч (чи інше нагріте середовище, наприклад, гарячий пісок) для ізотермічної витримки. Згідно монографії [7], для чавуну чи сталі це триває 10…20 с.  Якщо виливок видалений з форми з ливниково-живильною системою, то масу її враховують в розрахунку на величину її занурення у воду, але занурюють лише виливки, частини стояка і надливів залишаючи на повітрі. При «гарячій вибивці» витримка виливків у формі різко скорочується (нерідко на порядок), що веде до економії на контейнерних опоках, формувальному піску, величині конвеєра і площі цеху для вистоювання форм при традиційному охолодженні виливків. Дані з довідників свідчать, що попередньо нагріта, дистильована чи мильна вода в рази зменшує швидкість охолодження, що дає певний інтервал регулювання (збільшення) часу та дозованої кількості води для гартування у ній за останнім запропонованим методом.

   Таким чином, запропоновано нові методи виготовлення литих деталей на прикладах виливків з ВЧ, головним чином при суміщенні ливарного процесу ЛГМ і ТО, що створюють диференційовані значення твердості на різних сторонах поверхні виливка. За науково-технологічним підходом і умовами їх реалізації зазначено, що аналогічні методи доступні також для більшості залізовуглецевих сплавів, а також для застосування в ливарних цехах з мінімальним обладнанням для ТО. Такі методи створюють можливість для самозагострювання робочих органів чи інструмента по мірі його зношування, що дозволяє підвищити продуктивність експлуатації в екстремальних умовах, зекономить ресурси, що призводять до руху цих виробів, та витрати на їх заточку чи заміну. Диференційовані значення твердості металовиробів також перспективні для конструювання броньованих перешкод, в яких чергування твердих і пластичних прошарків з ряду пластин, розташованих під гострим кутом до напряму дії зовнішнього фактору ураження, значно його послаблює.

Література

1. Свириденко Ю. Як буде відновлюватися Україна? 21.04.2022. URL: https://www.pravda.com.ua/columns/2022/04/21/7341214/
2. Найдек В.Л., Гаврилюк В.П., Неижко И.Г. Бейнитный высокопрочный чугун. – К., 2008. – 140 с.
3. 3. Jon L. Dossett, Howard E. Boyer. Practical Heat Treating: Second Edition. 2006. ASM International. 296 р.
4. 4. O. E. Cekic, D. Rajnovic, L.Sidjanin et al. Dual Phase Austempered Ductile Iron - The Material Revolution and Its Engineering Applications // Computational and Experimental Approaches in Materials Science and Engineering, Proceedings of the Int. Conf. of Experimental and Numerical Investigations and New Technologies, CNNTech. September. 2019. Р. 22-38.
5. 5. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. М.: Металлургия, 1989. – 456 с.
6. 6. Макаренко К. В. Рациональное структурирование графитизированных чугунов // Труды Нижегородского ГТУ им. Алексеева, 2014. - № 2. - С. 196-205.
7. Савуляк В. І., Янченко О. Б. Економічні технології високоміцних графітизованих сплавів заліза: монографія. – Вінниця: ВНТУ, 2014. – 160 с.
8. Omega Foundry Vac. Portable, compact & powerful. URL: https://www.ofml.net/foundry-equipment/foundry-accessories/omega-foundry-vac
9. Патент 19545 А Україна, МПК C21D 1/18, C21D 5/00. Спосіб ізотермічного гартування деталей із залізовуглецевих сплавів / І. Г. Неїжко. Опубл. 25.12.1997. Бюл. № 6.
10. CarolaCelada-Caser et al. Analysis of work hardening mechanisms in Quenching and Partitioning steels combining experiments with a 3D micro-mechanical model. Mater. Sci. Eng., A, 846 (2022), p. 143301.

 Литье Украины, 2022, №12, с.2-9