Песчаная форма как нагревательная середа для литья заготовок из высокопрочного чугуна с изотермической закалкой

На основе обзора информации в концепции сочетания процессов получения высокопрочных сплавов с ресурсоэффективными способами точной песчаной формовки, а также известных комбинированных процессов литья с термообработкой рассмотрены предпосылки создания такой технологии литья высокопрочного чугуна на основе ЛГМ-процесса. Во ФТИМС НАН Украины подана заявка на патент о способе такого комбинированного литья с извлечением горячих отливок из песчаной формы и выполнением их изотермической закалки. Для этого использовали преимущества ЛГМ-процесса – быстрое разупрочнение песка формы при отключении вакуума и опыт регулируемого охлаждения отливок в песчаной форме.

Ключевые слова: литье по газифицируемым моделям, чугун с шаровидным графитом, высокопрочный чугун, изотермическая закалка, аусферритный чугун, охлаждение отливки, песчаная форма, вакуумная формовка.

Ресурсоэффективности процессов литейно-металлургического производства нередко достигают путем совмещения технологий, типичным примером чего служит непрерывное литье с прокаткой. В данном обзоре рассмотрено совмещение фасонного литья из высокопрочного чугуна (ВЧ) с термообработкой отливок.

Для этого использовали преимущества литья по газифицируемым моделям (ЛГМ) в вакуумируемой песчаной форме без связующего, а именно, возможность разупрочнения песка формы при отключении вакуума и быстрого освобождения горячей отливки от песка двумя путями: либо извлечением отливки краном из формы, либо высыпанием песка из формы.

Такие исследования проведены под руководством проф. Шинского О. И. по теме «Разработка научных и технологических основ создания литых конструкций, оптимальных процессов их получения и проектирования» с использованием  обзора современного состояния применения высокопрочного чугуна (ВЧ) с шаровидным графитом в литейном производстве [1].

Согласно ряду экспериментальных работ показано, что комбинированные процессы литья со встроенной термообработкой, а именно, охлаждения отливки из ВЧ, извлеченной из формы в аустенитном состоянии и подвернутой термообработке, позволяют получать требуемые структуры  ВЧ непосредственно из литого состояния [2-4]. В табл. 1 [4-6] представлено сопоставление различных структур металлической матрицы ВЧ с механическими и эксплуатационными свойствами.

Таблица 1. Взаимосвязь механических и эксплуатационных свойств со структурой металлической матрицы высокопрочных чугунов с шаровидным графитом

Ранее запатентованы процессы литья ВЧ в кокиль (рис. 1) [3] с удалением (выбивки) из него отливки при температурах 900-1000 °C, при которых из аустенитной области выполняют закалку отливки с последующей изотермической выдержкой ее в солевой ванне для получения бейнитной или аусферритной структуры для ВЧ типа ADI (Austempering Ductile Iron).

 Рисунок 1. Схема литья ВЧ в кокиль с охлаждением отливки по режиму термообработки [3].

Среди преимуществ этого способа – существенные сокращения снижение потребления энергии и продолжительности процесса производства по сравнению с раздельными процессами литья и термообработки. Поскольку основной объем отливок из ВЧ производят в песчаных формах, среди таких форм наиболее удобно быстрое извлечение отливки (при температурах аустенитной области) из контейнерных форм с сухим песком, в частности, при литье по газифиципуемым моделям (ЛГМ).

При ЛГМ не применяют песчаных стержней, высокая сыпучесть сухого песка не требует силового воздействия на форму, свойственного выбивке отливок из форм со связующим, что значительно облегчает быстрое извлечение отливки из формы. После извлечения горячей отливки из контейнерной формы с глухим дном возможно охлаждение ее в контейнере в водовоздушной среде («спрейерное охлаждение» или «душирование») [2] как альтернатива соляным ваннам, наиболее часто применяемым для такого вида закалки.

При выборе режимов изотермической закалки также учитывали опыт охлаждения путем замачивания в воде с различной выдержкой. Отливки из низколегированного ЧШГ с толщиной стенки до 20 мм допускается охлаждать на воздухе, а массивные отливки (с толщиной стенки 25 мм и более) замачивают в воде с выдержкой, зависящей от толщины стенки отливки. При толщине стенки 25-40 мм - в течение 4-5 с, а при толщине > 40 мм - 6-10 с [7].

Критикуя известные способы изотермической закалки металлопродукции, которые, как правило, предусматривают применение расплавов солей и щелочей, проф. Малинова Л. С. [8] описывает закалку с охлаждением в воде и изотермической выдержкой по схеме «вода-печь» для железоуглеродистых сплавов в недавней работе. Охлаждение из аустенитного состояния осуществлялось в воде до температуры изотермы, а выдержка при ней была в печи.

Изотермическая закалка без применения расплавов солей и щелочей является энергосберегающим и экологически чистым способом термообработки, который в ряде случаев может заменить изотермическую закалку, проводимую по типовой технологии, и улучшение (закалка из аустенитной области и высокий отпуск). В первом случае исключается применение расплавов солей и необходимость их утилизации, а также промывка деталей после термообработки. Во втором случае нет необходимости в проведении высокого отпуска после закалки стальной продукции, что снижает энергозатраты на термообработку. Способ изотермической закалки с охлаждением в воде и изотермической выдержкой в печи достаточно прост и легко может быть реализован в промышленных условиях [8].

Температурные режимы изотермической выдержки для получения различных структур ВЧ указаны в работе проф. Макаренко К. В. (табл. 2), в которой на основе экспериментальных работ и теории графов обоснован процесс поэтапного структурообразования графитизированных чугунов с получением требуемых структур на стадиях кристаллизации и охлаждения непосредственно из литого состояния [4].

А влияние температуры Т (°C) изотермической выдержки на процесс структурообразования ВЧ при различных видах термической обработки отливки показан на рис. 2 [9]. Скорость охлаждения отливок до температуры изотермического превращения и время выдержки определяют по диаграммам изотермического превращения переохлажденного аустенита.

Таблица 2. Температуры изотермических выдержек, соответствующие заданным структурам металлической матрицы

Рисунок 2. Влияние температуры Т изотермической выдержки на структурообразование ВЧ [9].

Традиционные химически активные жидкие среды в операциях изотермической закалки нами предложено заменить нагретым сухим песком, применяемым для формовки при ЛГМ [2], температура которого сравнима с температурой песка при выбивке отливки из контейнерных форм. Тем самым, по сути, песок литейной формы выступил в качестве нагревательной середы для термообработки отливок из ВЧ при выполнении этой операции в контейнере для формовки.

Кроме того, формовочные контейнеры с челюстным затвором, разработанные ФТИМС НАН Украины, удобны тем, что быстро высыпав вниз из них песок и оставив отливку в пустом контейнере (мелкие отливки на металлической решетке), при неполном закрытии затвора можно частично опускать этот контейнер в емкость с водой, замачивая отливку с различной выдержкой.

Также предложены варианты помещения в контейнер перед формовкой корзины из крупноячеистой сетки с проушинами, выходящими к контрладу формы, для зацепления краном, безопасного и быстрого извлечения из песчаных форм горячих отливок и закалки их прямо в корзине. Опыт удаления сыпучего песка при регулировании охлаждения отливки [10], наличие герметичных стальных контейнеров в литейном цехе ЛГМ позволяет путем включения операций изотермической закалки в литейный процесс получать с использованием этих контейнеров изделия из бейнитного или аусферритного ЧШГ из литого состояния без термообработки как вторичной операции [2].

Процесс извлечения отливки из формы при высоких температурах, когда ее металл (железоуглеродистые сплавы) находится в аустенитном состоянии, с последующей термообработкой отливки, используя песок формы, несложно осуществить в литейном цехе ЛГМ по графику изменения температуры отливки, аналогичному на рис. 1.

После извлечения из сыпучего песка формы и быстрого охлаждения с применением воды в порожнем формовочном контейнере до температур (табл. 2) отливку из ВЧ помещают в контейнер с нагретым песком до тех же температур для изотермической выдержки.

При этом температуру песка поддерживают нагреванием, помещая контейнер с песком и отливкой в печь, либо нагревая песок в контейнере ТЕНами, вставленными контейнер перед заполнением его с отливкой горячим песком. Причем длительность комбинированного варианта охлаждения отливки со встроенной в литейный процесс изотермической закалкой может быть короче традиционного охлаждения отливки в песчаной форме.

Для комбинированного охлаждения отливки предложен метод контроля структуры металла [2]. Однако введение в такой процесс сыпучей дисперсной закалочной среды требует тщательного контроля температуры и других характеристик литой конструкции, вероятно, сочетая контроль режима охлаждения с контролем качества металла отливки.

Так, например, возможен, если необходимо, контроль степени сфероидизации графита в чугуне при внутриформенном модифицировании, поскольку реакция модифицирования проводится в каждой отдельной форме, в отличие от ковшевого модифицирования, когда обычно берется проба из ковша. В этой связи табличные данные свидетельствуют, что серый чугун (СЧ) отличается от ВЧ линейной усадкой, температуропроводностью, а теплопроводность ВЧ практически вдвое ниже чем СЧ [9].

Поэтому для контроля температуры и теплофизических свойств отливки, а также для исследования тепловых потоков в песчаной, воздушной или водо-воздушной закалочных средах рассмотрены методы получения информации о тепловом потоке и его плотности (рис. 3 [11]).

При таком комбинированном процессе охлаждения отливки и ее термической обработки снижаются затраты и длительность производства металлопродукции из ВЧ, которая способна конкурировать с прокатом легированных сталей и стальными поковками при снижении себестоимости получения равноценных по служебным свойствам заготовок.

Рассмотрим некоторые примеры применения ВЧ типа ADI из обширного обзора [12]. Еще в начале 1970-х годов финская компания Kymi Kymmene Metall стала заменять кованую сталь на ADI в широком диапазоне с весьма удовлетворительными результатами, в частности показаны цилиндрические и конические шестерни (рис. 4).

Экономия оценивается в 30% по сравнению с коваными и стальными шестернями, использовавшимися ранее. Свойства ADI обусловлены его уникальной металлической матрицей игольчатого феррита и стабилизированного углеродом аустенита, такую структуру называют аусферритной.

            Рисунок 3. Методы получения информации о тепловом потоке и его плотности [11].

Рисунок 4. Шестерни из ADI компании Kymi Kymmene Metall [12]. 

Для легковых и грузовых автомобилей из ВЧ типа ADI производят детали подвески, шпиндели, ступицы, буксирные крюки, соединительные детали, дифференциалы и корпуса, кронштейны двигателя, распределительные валы, крепления двигателя, коленчатые валы и рычаги управления. Компания General Motors для автомобилей с полным приводом с 1978 года производит такие детали из ADI, и в настоящее время объем комплектов превышает 5000 в день. Один из примеров показан на рис. 5.

 Рисунок 5. Подвеска грузовой пружины из ADI, который заменил литую сталь [12].  

Перечень деталей из ADI для строительной и горнодобывающей техники включает в себя всевозможные цанги, кольцевые носители, износостойкие пластины, звездочки, крышки, плечи, суставы, валы, ролики, компоненты гусеницы, держатели инструмента, зубы экскаватора, резаки, молотковые молотки, кулачки, шатуны, втулки, скобы и компоненты конвейера (рис. 6 - 7).

Рисунок 6. Ассортимент конвейерных компонентов из ADI [12].

Рисунок 7. Гусеничный трак (Process Inc.) и коленчатый вал для герметичного компрессора (Wagner Castings и Tecumsen Products) из ADI [12].

Таким образом, в цикле обзора технической информации в концепции сочетания процессов получения высокопрочных сплавов с ресурсоэффективными способами точной песчаной формовки, а также известных комбинированных (синтезированных) процессов литья с термообработкой рассмотрены предпосылки создания такой технологии на основе ЛГМ-процесса. Во ФТИМС НАН Украины подана заявка на патент о способе такого комбинированного литья с извлечением горячих отливок из песчаной формы и выполнением их изотермической закалки.

Для этого использовали преимущества ЛГМ-процесса – быстрое разупрочнение песка формы при отключении вакуума и опыт регулируемого охлаждения отливок в песчаной форме. Получение требуемых структур в ВЧ непосредственно из литого состояния (без термообработки как вторичной операции) позволит снизить затраты и длительность производства, конкурируя с прокатом легированных сталей и стальными поковками при снижении себестоимости получения равноценной по служебным свойствам металлопродукции.

Литература:

1. Гнатуш В. А. Дорошенко В. С. Тенденции мирового рынка литья из чугуна с шаровидным графитом // Процессы литья. – 2017. - № 2. – С. 70-78.
2. Дорошенко В. С. О получении аусферритного чугуна из литого состояния при ЛГМ-процессе // Процессы литья. – 2017. - № 4. – С. 35 - 43.
3. Patent No. 85046 Portugal. Processo de Producao de Ferrous Fundidos Bainiticos por Austempera Directa / P. B. Magalhaes, 1985.
4. Макаренко К. В. Рациональное структурирование графитизированных чугунов // Труды НГТУ им. Алексеева. – 2014. – №2 (104). - С. 196 – 205.
5. Машиностроение: энциклопедия: в 2 т. / Г.Г. Мухин [и др.]; под общ. ред. О.А. Банных, Н.Н. Александрова. – М.: Машиностроение. – Стали. Чугуны, 2001. – 784 с.
6. Чугун: справочник / под ред. А.Д. Шермана, А.А. Жукова. – М.: Металлургия, 1991. – 576 с.
7. Полухин М. С. Разработка и использование чугунов с шаровидным графитом с повышенными механическими и триботехническим свойствами / М. С. Полухин: дис. … канд. техн. наук: 05.02.01. - Брянск, 2009. - 148 с.
8. Малинов Л. С. Бурова Д. В. Высокая пластичность улучшаемых сталей cо структурой нижнего бейнита и метастабильного аустенита // Университетская наука - 2017 : Междунар. научно-техн. конф. (Мариуполь, 18-19 мая 2017 г.) : тез. докл. : в 3 т. / ГВУЗ "ПГТУ". – Мариуполь, 2017. – Т. 1. – С. 15–17.
9. Марукович Е.И., Карпенко М.И. Литейные сплавы и технологии. — Минск: Беларуская навука, 2012. — 442 с.
10. Дорошенко В. С. Регулирование охлаждения отливки в вакуумируемой форме фильтрацией хладагентов и движением частиц песка // Литейное производство. - 2013. - № 10. - С. 32 - 37.
11. Теплометрия: теория, методология, практика. / Т. Г. Грищенко и др. Кн. 1: Методы и средства измерения теплового потока – К.: Инст. технич. теплофизики НАНУ, 2017 – 438 с.
12. Keough J. R. Austempered Ductile Iron // Ductile iron data for design engineers. – Strongsville: Ductile Iron Society, 1998: http://www.ductile.org/didata/Section4/4intro.htm.