Ливарно-термічні технології виготовлення деталей ґрунтообробних органів і різальних інструментів з можливостю їх самозаточування

Анотація. Розробка способів застосування нових знань в області регулювання високих і регульовано-диференційованих механічних властивостей залізовуглецевих сплавів для ґрунтообробних органів сільгосптехніки і різальних інструментів розкриває як ресурсоефективний потенціал цих сплавів, так і можливість взаємного доповнення процесів лиття металу і термообробки (ТО) затверділого металевого виливка з його гарячого литого стану, що значно скорочує процес виробництва термообробленого виливка. Для цього використали процес лиття за моделями, що газифікуються (ЛГМ, Lost Foam Casting Process). За прикладом з біоніки про такі властивості зубів гризунів (бобрів, щурів), як різна твердість поверхні зуба, що зумовлює його самозаточування, створено умови самозагострювання металевихих виробів, що функціонують в екстремальних умовах, на прикладі їх виготовлення з високоміцного чавуну (ВЧ).

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

1. Вступ

Конструктори і виробники сільгосптехніки для обладнання та компонентів знайшли ефективне застосування ізотермічно загартованих (аustempered) чавунів, це відноситься до високоміцного чавуну (ВЧ) типу ADI, сірого чавуну типу AGI і карбідного (сarbidic) ВЧ (CADI) [1], що пройшли гартування і ізотермічну витримку. Проблема у загальному вигляді полягає в важливості поширення, включно зі створенням нових способів, застосування загартованих досить недорогих за вартістю матеріалів на основі заліза, які здатні в 1,5-2 рази підвищити експлуатаційні характеристики литих конструкцій грунтообробної техніки, різальних і ударних інструментів (що функціонують в екстремальних умовах), порівняно з такими ж конструкціями, що не пройшли ТО на основі гартування.

Аналіз останніх досліджень і публікацій за цією проблемою свідчить, що, зокрема, CADI виробляється шляхом введення карбідів у чавунну матрицю під час процесу лиття, після чого піддається ізотермічному гартуванню таким чином, що отримує контрольований відсоток карбідів в аусферитній матриці [1, 2]. Також відомий ВЧ типу Quenched-Tempered Ductile Iron (QTDI), котрий загартовують охолодженням нижче температури мартенситного перетворення з наступною ізотермічною витримкою в інтервалі температур бейнітного перетворення, після чого в його структурі залишаються вільні карбіди [3, 4]. 

2. Дослідження і розробки

2.1. Вибір способів-аналогів ізотермічного гартування чавуну (аustempering)

З розробок Фізико-технологічного інституту НАН України по цій темі відомий спосіб ізотермічного гартування деталей з залізо-вуглецевих сплавів [4], що включає нагрівання до температури аустенізації, витримку, прискорене охолодження, ізотермічну витримку, причому прискорене охолодження проводять у воді до температури 100-250 °С з наступним перенесенням в піч для ізотермічної витримки. Таке охолодження у воді до температури 100 °С у поверхневих шарах, що візуально визначається по кипінню води на поверхні виливка, тобто, трохи нижче температури мартенситного перетворення М_н (~200 °С), забезпечує часткове мартенситне перетворення (~10-20 %). 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 (250-400 °С), зупиняє мартенситне перетворення, що почалося, метал нагрівається до температури печі і при ізотермічній витримці проходить перетворення аустеніту на бейніт. Частина мартенситу, що утворилася, відпускається з формуванням структури у вигляді трооститу [4].

Також відома технологія [5], за якої виливки вилучають з ливарних форм при температурі вище евтектоїдного перетворення - 900-1000 °С і протягом 5-15 с, переміщують у ванну з рідиною для охолодження до температури, що визначається необхідним типом структури; перелік структур металевої матриці і рекомендовані інтервали температур для їх отримання у виливках з ВЧ показано в цій роботі. Також у ній описано приклад отримання структури бейніту з твердістю 320-352 НВ у виливку (з литого стану) після його «гарячого» вибивання з форми при температурі 920-950 °С та подальшого ізотермічного гартування при температурі 300-320 °С [5]. Схожі режими ТО також відомі для виливків зі сталі. На рис. 1 показано приклад видалення гарячих виливків авторами статті з сирої піщано-глинистої форми та при литті за ЛГМ-процесом з контейнерних форм з сухого піску, які вакуумуються при заливанні форми металом і затвердінні виливка.

Рис. 1. Приклади видалення гарячих металевих виливків з сирої піщано-глинистої форми та гарячих куль (для кульових млинів) з форми за ЛГМ-процесом.

2.2. Постановка мети створення нового методу виробництва деталей шляхом вибору інтервалів твердості бейнітних ВЧ відповідно до інформації з області біоніки.

В роботі [6] вказано такі значення мікротвердості НВ бейнітних та мартенситних чавунів згідно їх структур: бейніт - 280–350, бейніт + мартенсит - 350–550, мартенсит - 550–650, мартенсит відпуску - 300–550. Такий значний інтервал твердості, що можна отримати на одному і тому ж виливку з ВЧ завдяки різним режимам ТО, розглянули в поєднанні з дослідженнями в області біоніки з огляду обробка металевих деталей сільгосптехніки. Застосували принцип конструкції зубів бобра, які ростуть і ніколи не тупляться від того, що одна сторона зуба твердіша за іншу і при сточуванні край зуба завжди залишається твердим [7]. Цим (шаруватістю структури зуба) аргументували наступну мету нової розробки: створення способу ТО виливків, зокрема, з ВЧ, що самозаточуються. Це б дозволило зменшити тягові зусилля та продуктивніше вести різальну, бурильну обробку матеріалів, ґрунту тощо. Доречно відзначити збільшення випадків звернення до методів біоніки при конструювання робочих органів сільгосптехніки [8].

2.3. Застосування чавунної оснастки як теплоізолятора для термообробки виливків

Для досягнення мети, як аналогію, обсудили наш досвід застосування в піщаній формі металевих (чавунних) зовнішніх холодильників, які накладають на модель, формують в піщану суміш  для організації направленого затвердіння виливка знизу вверх до надлива чи випора. Подібні чавунні холодильники вирішили застосовувати на виливках з ВЧ в гарячому аустенітному стані металу, але ця чавунна оснастка (ЧО) повинна бути в нагрітому стані (до температури 250-900 °С) і діяти за принципом «нагрівальника» виливка, щоб його поверхня не охолола нижче температури мартенситного перетворення при гартуванні у воді (зануренням чи спреєрною обробкою) аналогічно роботі [4]. Тоді одна поверхня (без ЧО) зуба, лемеха, різця чи долота з ВЧ буде твердішою за іншу від того, що після ізотермічної витримки (250-400 °С) в дотичному до неї прошарку будуть вільні карбіди (більший відсоток карбідів), як у ВЧ типу QTDI чи CADI. А друга поверхня, як у прикладі [5], отримає, зокрема, структуру верхнього бейніту з твердістю ~320 НВ.

Наслідуючи технологію [5], після видалення з форми гарячого (920-950 °С) виливка на нього додатково кріплять (навішують, накладають) нагріту ЧО (аналогічну до конструкції металевого холодильника, що покриває поверхню виливка) і проводять гартування у воді, як у роботі [4], з охолодженням до температури нижче мартенситного перетворення з боку контактуючої поверхні виливка з водою. Іншу поверхню, захищену гарячою ЧО, неначе переводять в середину гарячого виливка з температурою вище 250 °С, як за умов в описі [4]. Для виробництва такої ЧО доцільно застосовувати ЛГМ-процес з моделями, виготовленими з пінополістиролу (ППС). Також сухий сипкий пісок ливарних форм при ЛГМ дозволяє легко видалити гарячий виливок з форми (рис. 1, фото справа).

Приклади наших виливків і їх моделей для ЛГМ показано на рис. 2, де а – виливки культиваторів і їх моделі з ППС; б – вид плуга з лемехом 1, закріпленим на відвалі і лемехи 2, а також (нижче) моделі лемехів з ППС; в – ці моделі на вертикальному стояку в вигляді модельного  кластера для формовки в сухому піску контейнерної форми при ЛГМ.

               а                                            б                                            в                                                                                                                                                                                                                                             Рис. 2. Виливки культиваторів та їх ППС-моделі (а); плуг з лемехом 1, закріпленим на відвалі і лемехи 2, а також (нижче) моделі лемехів з ППС (б); ці моделі на стояку в вигляді модельного кластера для формовки в контейнерній формі по методу ЛГМ (виготовлено в ливарному цеху ФТІМС НАНУ).

В окремих випадках, якщо виливки симетричні, простої геометричної форми і такі, що їх можна збирати попарно (у стик) і в такому стані гартувати, то тоді кожен виливок щодо другого в гарячому стані буде служити нагрівальною ЧО, тобто контактні поверхні двох виливків будуть гарячі при гартуванні, а зовнішні поверхні їх будуть контактувати безпосередньо з водою і будуть більш холодними. Можливі варіанти формовки ЧО у стик до моделі з ППС (з наступним нагріванням ЧО теплом виливка) і покриття ЧО протипригарним шаром низької теплопровідності для кращого утеплення поверхні виливка.

2.3. Спосіб гартування виливків у псевдозрідженому піску в ливарній формі

Крім того, обнадійливу перспективу має спосіб гартування гарячих виливків у псевдо-киплячому (псевдозрідженому) шарі піску при суміщенні цього процесу з ЛГМ-процесом [9]. При цьому формувальний пісок засипають у контейнерну ливарну форму при формуванні разової ППС-моделі (рис. 2, в), що потім газифікується розплавом металу, що заливають в цю форму. Після затвердіння виливка і досягнення ним температури вище евтектоїдного перетворення - 900-950 °С прямо у цій формі з гарячим виливком припиняють його самовільне охолодження у формі і починають гартування (з литого стану аналогічно технології [5]) тим чином, що подають повітря під тиском з нижньої частини контейнерної форми для створення у цьому контейнері псевдозрідженого шару формувального піску шляхом рівномірного продування повітря або іншого газу крізь пісок у вертикальному напрямі знизу вверх.

Швидкість охолодження гарячого виливка про його гартуванні в псевдозрідженому шарі формувального піску по величині знаходиться між такими швидкостями його охолодження в оливі та воді. Таке гартування придатне для застосування у всіх ливарних формах, які мають сипкий наповнювач, що дозволяє створити за його участі рухоме твердо-газове дисперсійне середовище при конвекційному охолодженні виливка. Рухоме піщане середовище в деякій мірі діє на поверхню виливка подібно обробці піщаним струменем, що зменшує потребу наступної очистки виливка, а тертя нагрітих піщинок між собою створює ефект термічно-механічної регенерації піску, що сприяє  економії витрат на його очисних та регенераційних операціях.

Після гартування виливка (за тих же умов, що за допомогою води, які вказано в роботі [4]) його можна переносити для ізотермічної витримки в нагріту піч [4], або засипати піском [10], нагрітим до температури [5], що визначається потрібним типом структури в інтервалі температур бейнітного перетворення. В останньому випадку [10] виливок неначе повторно формується в контейнерну ливарну форму (як раніше модель), а ізотермічний режим у піску цієї форми навколо виливка підтримують нагріванням піску ТЕНами, що встановлюють вздовж внутрішніх стінок контейнерної форми. Зовнішні стінки такої форми можуть покривати матеріалом-теплоізолятором або коробчастим екраном з такого матеріалу.

При цьому практично однакової конструкції (або ті ж самі) металеві короби можуть застосовуватись як для формовки, так і для псевдозрідження формувального піску навколо виливка, а також і для ізотермічної витримки виливків, що дає економію при універсальному використанні ливарної оснастки на трьох операціях, особливо в ливарних цехах, де нема обладнання для ТО. Також формувальний пісок для ізотермічної витримки виливків може нагріватись лише частково, якщо застосовувати гарячий відпрацьований пісок, в який залили метал та потім видалили гарячий виливок, або в якому провели ізотермічну витримку виливків. Відомо, що при видаленні з форми, зокрема, стальних виливків пісок, який висипають разом з виливком із форми може нагріватись до 300 °С.

2.3. Приклад гартування виливків з чавунною оснасткою

В дослідно-промисловому цеху ФТІМС НАН України виконували експерименти з гартування у воді (аналогічно [4]) дослідних пластин лемехів завтовшки 10-15 мм з отворами (рис. 2 б) в якості прикладу опрацювання способу отримання деталей з різною твердістю поверхні. Для цього було достатньо лише ємності з водою як гартувальним середовищем. Вага виливка – 0,6 кг. Дослідні пластини з ВЧ виливали в формі з сипкого піску методом ЛГМ. Хімічний склад чавуну, % мас.: 3,1 – 3,2 С; 2,1 – 2,4 Si; 0,25 – 0,28 Mn; 0,055 – 0,06 P; 0,015 – 0,018 S; Fe – решта.

При температурі 920 ± 15 °С, яку визначали пірометром, плоский виливок лемеха видаляли з сипкого піску форми, на гарячий виливок, розташований пластиною вертикально, навішували нагріту пластину такого ж самого виливка, попередньо виготовленого з сірого чавуну і нагрітого на електроплиті до температури вище 420 ± 10 °С. Це був дослідний варіант нагрітої ЧО, яку попередньо заготовленою скобою сталевого дроту крізь однакові з виливком отвори швидко прикручували до нього і занурювали в ємність з водою. При охолодженні та кипінні води біля поверхні виливка температура знижувалася, припинялося спочатку світіння виливка (~5 с), а після закінчення (через ~10-12 с) кипіння води біля тонких частин виливка воно практично зупинялося. У цей момент виливок виймали з води та за рахунок внутрішніх більш гарячих шарів металу відкрита поверхня виливка розігрівалася, залишки води на цих ділянках виливка закипали як результат розігріву виливка до температури ≥100 °С.

Виливок з води переносили в металевий прямокутний контейнер з двома ТЕНами вздовж внутрішніх поверхонь двох протилежних бокових стінок і в підвішеному стані виливок засипали нагрітим піском до температури 350 ± 10 °С. Тривалість перенесення і засипання піску – до 15 с. Тривалість ізотермічної витримки виливка в  нагрітому піску становила 1 годину. Після видалення з гарячого піску і охолодження на повітрі метал виливка піддавали дослідженню на твердість, міцність, також досліджували мікроструктуру.

Мікроструктура чавуну виливка складалася з бейніту та відпущеного мартенситу (трооститу), на відкритій і охолодженій до 100 °С при гартуванні поверхні кількість трооститу у поверхневому шарі складала 15-20%, у поверхневому шарі з боку контакту з ЧО – менше 10%. Твердість чавуну литої пластини на більш твердій стороні досягала 360-370 НВ, на стороні з меншою твердістю 280-300 НВ. Міцність на зразках, вирізаних з центру пластини складала σ_в - 850-1150 МПа, δ - 3-6%. В подальших дослідах планується дослідити нарощування твердості зменшенням тривалості ізотермічної витримки та температури піщаного середовища чи печі для такої витримки. Запропоновані способи ізотермічного гартування дозволять розширити можливість такого гартування безпосередньо в ливарних цехах, покращити екологічні умови його проведення (порівняно з типовим гартуванням в розплавах технічних солей, сумішей лугів або кислот) та зекономити на оснастці і обладнанні для цього виду ТО.

3.    Висновки

В результаті виконаної роботи нами розроблено методи виготовлення виливків з ВЧ, у тому числі при суміщенні лиття і ТО, що створюють різні значення твердості на поверхі виливка і дають можливість самозагострювання лемеха, зуба, диска борони, різця чи долота в процесі його зношування. Це підвищить продуктивність таких виробів, що функціонують в екстремальних умовах, зменшить зусилля і зекономить ресурси, що призводять до руху цих виробів при обробці ґрунту чи іншого матеріалу, та витрати на їх заточку чи заміну.

Для цих методів запропоновано:

- ресурсоефективний спосіб гартування виливка (з додатковою нагрітою оснасткою) у воді чи за рахунок продування контейнерної форми і псевдозрідження у ній формувального піску без застосування рідких гартувальних середовищ, нерідко з непростими, капіталоємними та екологічно несприятливими умовами роботи з ними, системами їх очищення, обороту та утилізацією відходів;

- універсальне застосування формувальних контейнерів та можливість трикратного застосування сухого формувального піску на таких операціях ливарно-термообробного процесу в ливарному цеху (без спеціального обладнання для ТО): 1) формовка і лиття в піску при ЛГМ, 2) гартування виливка в псевдозрідженому піску та 3) ізотермічна витримка виливка в нагрітому піску.

                                                        ЛІТЕРАТУРА

1. John R. Keough, PE. Tim Dorn, Kathy L. Hayrynen et al. Agricultural Applications of Austempered Iron Components. URL: https://www.researchgate.net/publication/242359329.
2. International application WO2008076497A1. C22C 37/10, C21C 1/10. As-cast carbidic ductile iron / J. P. Lemke, R. E. Eppich. Publication 26.06.2008.
3. Saghafian L.H. et al. Comparison of Wear Behavior of a Ductile Iron in Austempered and Quenched-Tempered Conditions. URL: https://www.researchgate.net/publication/356147832
4. Патент 19545А Україна, МПК C21D 1/18, C21D 5/00. Спосіб ізотермічного гартування деталей із залізовуглецевих сплавів / І.Г. Неїжко. Опубл. 25.12.1997. - Бюл. № 6.
5. Макаренко К. В. Рациональное структурирование графитизированных чугунов // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2014. – № 2. – С. 196-205.
6. Найдек В.Л., Гаврилюк В.П., Неижко И.Г. Бейнитный высокопрочный чугун. – Киев: ФТИМС НАН Украины, 2008. – 139 с.
7. Нахтигаль В. Бионика. М.: Мир книги, 2007. - 128 с.
8. Бионическое проектирование и аддитивное производство рабочих органов сельскохозяйственной техники / В. Г. Савич, Д. И. Копчик, Н. К. Толочко, П. В. Авраменко // Техсервис - 2021: материалы научно-практической конференции студентов и магистрантов, Минск, 19-21.05.2021 г. – Минск: БГАТУ, 2021. – С. 26-28.
9. Патент 106005 Україна, МПК В22D 27/04. Спосіб охолодження виливків у ливарній формі чи контейнері з сипким наповнювачем / В.С. Дорошенко, П.Б. Калюжний. - Опубл. 11.04.2016, Бюл. №7.
10. Патент 123731 Україна, МПК B22 D7/00, B22 D23/00, С21D5/02, С21D1/20, B22 D27/04. Спосіб виготовлення виливків з бейнітного або аусферитного чавуну з кулястим графітом / В.С. Дорошенко, В.О. Шинський. - Опубл. 12.03.2018, Бюл. № 5.

В.C. Дорошенко, д-р техн. наук, пров. наук. співр. ФТІМС НАН України, e-mail: doro55v@gmail.com

П.Б. Калюжний, канд. техн. наук, ст. наук. співр. ФТІМС НАН України, e-mai: kpb.ptima@gmail.com 

Литье Украины, 2022, №5-6