Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ литературных и производственных данных по обеспечению качества поверхности отливок из хромистых сталей при литье в керамические формы 11
1.1 Технические требования к отливкам из хромистых сталей 11
1.2 Пленообразование в процессе плавки и заливки хромистых сталей 13
1.3 Образование точечных поверхностных дефектов на отливках из хромистых сталей 16
1.4 Классификация способов предупреждения образования точечных поверхностных дефектов 34
Выводы 35
2 Исследование динамики поверхностного окисления хромистой стали 38
2.1 Моделирование процессов заполнения и затвердевания отливок 38
2.2 Сравнение результатов компьютерного моделирования с практическими результатами исследований 45
2.3 Моделирование динамики роста оксидной пленки в процессе заливки расплава 49
2.4 Термодинамический анализ процесса окисления хромистой стали и его влияние на образование точечных поверхностных дефектов 61
2.4.1 Анализ процесса окисления компонентов хромистой стали в расплавленном состоянии 61
2.4.2 Анализ влияния компонентов хромистой стали на физико-химические изменения в расплаве 67
2.4.3 Анализ зависимости равновесной концентрации кислорода в жидком железе от концентрации элементов-раскислителей и температуры 72
2.4.4 Анализ физико-химических процессов на границе контакта керамической формы с хромистой сталью 76
Выводы 83
3 Экспериментальные исследования точечных поверхностных дефектов отливок и факторов, влияющих на их образование 86
3.1 Исследование интенсивности образования точечных поверхностных дефектов в зависимости от технологических условий процесса литья 86
3.1.1 Методика определения дефектной площади отливки 86
3.1.2 Исследование влияния состава керамической формы на образование точечных поверхностных дефектов 89
3.1.3 Исследования влияния химического состава хромистой стали, температуры заливки стали и температуры керамической формы перед заливкой на образование точечных поверхностных дефектов 93
3.1.4 Исследование влияния фильтрации и раскисления расплава на образование точечных поверхностных дефектов 98
3.1.5 Исследование влияния восстановительной атмосферы на образование точечных поверхностных дефектов 100
3.1.6 Исследования взаимодействия твердой хромистой стали с керамической формой 106
3.2 Исследование химического состава и структуры неметаллических включений, образующихся при литье хромистых сталей в керамические формы 110
3.2.1 Исследование микроструктуры и поверхностного слоя отливок из хромистых сталей 110
3.2.2 Исследование металлооксидного слоя в кварцевой форме и оксидов хромистых сталей 112 3.2.3 Исследование точечных поверхностных дефектов 119
Выводы 124
4 Механизм образования точечных поверхностных дефектов и разработка способов их предупреждения 126
4.1 Обобщенный механизм образования точечных поверхностных дефектов 126
4.2 Способы предупреждения образования ТПД
4.2.1 Способ заливки керамических оболочковых форм в герметичной восстановительной атмосфере 132
4.2.2 Способ изготовления керамических оболочковых форм из перспективных материалов 139
4.2.3 Технологические рекомендации для получения качественных отливок из хромистых сталей 146
4.3 Выводы 152
Заключение 153
Список используемой литературы
- Образование точечных поверхностных дефектов на отливках из хромистых сталей
- Сравнение результатов компьютерного моделирования с практическими результатами исследований
- Исследование влияния состава керамической формы на образование точечных поверхностных дефектов
- Способ изготовления керамических оболочковых форм из перспективных материалов
Образование точечных поверхностных дефектов на отливках из хромистых сталей
Поверхности тонкостенных отливок из хромистых сталей, полученные методом литья по выплавляемым моделям часто поражены специфическими точечными дефектами глубиной до 0,8 мм. В литературных источниках и терминах литейщиков на различных предприятиях встречаются разные названия этого дефекта: питтинг, темные пятна, черные точки, далматинцы, оспенные отметины, корь, ошлаковывание, разъедание [1, 2].
В диссертационной работе рассматриваются отливки из хромистых сталей, на которые распространен стандарт для изделий отрасли ОСТ 3-4365-79.
Отливки относятся к группе II. На необрабатываемых поверхностях отливок не допускаются дефекты, превышающие по размерам и количеству приведённые в таблице 1.1.
Шероховатость литой поверхности не должна превышать Rz 80 мкм. Нормы механических свойств для отливок из хромистых сталей 20Х13, 09Х16Н4БЛ и 10Х18Н9Л после термической обработки приведены в таблице 1.2. Некоторые детали, получаемые из отливок, рассматриваемых в диссертационной работе, подвергаются дополнительному испытанию на прочность дистиллированной водой давлением 52,5+6Мпа (525+60кгс/см2) по ОСТ92-4291-75, ГОСТ 6709-72.
Высоколегированные стали, имеющие легкоокисляющиеся элементы в процессе плавки и заливки склонны взаимодействовать с окружающим кислородом воздуха, что приводит к образованию на зеркале расплава вязких тугоплавких плен. Температура плавления оксида основного легирующего элемента этих сталей – хрома, по данным разных авторов, колеблется от 2263 до 2548 К.
К основным факторам, от которых зависит склонность расплава к пленообразованию, относят температуру расплава и состав контактирующей с расплавом атмосферы в форме при заливке [3].
С повышением температуры расплава пленообразование уменьшается. Плены не возникают, если температура расплава больше температурного порога пленообразования, который зависит от химического состава стали. Для стали марки Х18Н9ТЛ этот температурный порог лежит в пределах 1873–1903 К, для стали марки Х20Н5Г12АФЛ 1773–1853К.
По данным авторов [4, 5] в хромистых и хромоникелевых сталях основным пленообразующим элементом является хром. Расчеты показывают, что при отсутствии вторичных взаимодействий в равновесной оксидной фазе преобладают оксиды элементов, имеющих наибольшее сродство к кислороду, даже в том случае, когда их содержание в стали невелико (до 1%). Результаты спектрального и химического анализов плен, снятых с открытой поверхности жидкого металла и с поверхности твердой стали марки Х18Н12М3ТЛ, авторы [5] свели в таблицу 1.3, из которой следует, что в основном окисляются хром, железо, кремний и титан. Никель и молибден практически не окисляются. Величины сродства к кислороду для Ті, Si, Мn, Cr, Мо, Ni и Fе (-AZ2V) равны соответственно 203,8; 192,4; 173,4; 167,0;
Рентгеноструктурный анализ оксидных плен на стали марки Х18Н12М3ТЛ показал, что в их составе преобладает фаза типа шпинели. По параметру она близка к составу Fe2+ {Fe\+_xCr3x+)04, где х=2.
К важной характеристике хромистых сталей относят температуру начала пленообразования. Чем она выше, тем менее технологична сталь для получения отливок, так как в этом случае необходим большой перегрев, обусловливающий склонность отливок к горячим трещинам и пригару.
По данным авторов [6], металлический хром почти не влияет на поверхностное натяжение железа и, следовательно, растворяется почти равномерно как в объеме, так и в поверхностных слоях металла. Окисление хрома в толще металлической ванны в условиях сталеплавильных печей маловероятно. Получить данные, показывающие слабое сродство хрома к кислороду в чистой системе Fe-Cr–О, можно из уравнения [7]: lg[Cr] 2-[0] 3=- + 39,21 Т Окисление хрома в расплавленной стальной ванне происходит преимущественно на границе фаз металл-шлак, металл-руда или металл-газообразный кислород. Выполненные в лабораторных условиях исследования распределения хрома между металлом и шлаком показали [8], что константа равновесия реакции
Сравнение результатов компьютерного моделирования с практическими результатами исследований
Результаты данных по времени заливки формы, полученные с приборов и из компьютерной модели по нашему мнению можно считать сопоставимыми. Второй эксперимент заключался в регистрации максимальной температуры расплава в пяти заданных точках формы во время ее заливки.
Методика исследований. По аналогии с первым экспериментом в парафино-стеариновую выплавляемую модель были установлены пять платино-платинородиевых термопар. Выплавляемая модель для второго эксперимента представляла собой копию модели, использовавшейся в первом эксперименте. Места установки термопар в выплавляемой модели для второго эксперимента также совпадали с местами установки титановых контактов в модели для первого эксперимента.
Далее изготовили форму из кристаллического кварца. Термопары соединили с электронными потенциометрами КСП-4. Регистрация показаний приборов во время заливки формы осуществлялась на диаграммных лентах. Температуры расплава и формы перед заливкой составляли 1921 К и 298 К соответственно. Результаты исследований.
Максимальные температуры, полученные с каждой термопары и соответствующих их расположению датчиков в компьютерной модели, сведены в таблицу 2.3. Таблица 2.3 – Оценка результатов исследования
Значения максимальных температур, полученные в результате практического эксперимента и компьютерного моделирования, по нашему мнению являются сопоставимыми.
Таким образом, результаты компьютерного моделирования литейных процессов в программе ProCAST являются достаточно достоверными и могут быть использованы при изучении образования ТПД.
Для определения объема оксидной пленки, образующейся во время заливки формы расплавом хромистой стали при температуре 1873 К, и выбора рациональных технологических параметров литья была написана компьютерная программа в Delphi [77] (рисунок 2.8).
Описание интерфейса программы. После запуска программы на экране появляется главное окно. В верхней части главного окна размещена строка меню, состоящая из четырех пунктов: «Параметры», «Калькулятор», «Результаты» и «Справка». Справа под строкой меню в виде подсказки находится рисунок заливающегося блока отливок, на котором отображены основные параметры, по которым выполняется расчет. Внизу главного окна расположена кнопка «Рассчитать». Рисунок 2.8 – Главное окно программы
В окне меню «Параметры» находится пять команд: «Параметры воронки», «Параметры яруса», «Параметры зумпфа», «Параметры заливки» и «Параметры отливки». Каждая команда вызывает свое диалоговое окно, где пользователю необходимо сделать подходящие установки и задать необходимые для расчета параметры. Для элементов литейной формы (воронки, стояка, зумпфа и отливки) – это скорость заполнения, объем и высота элементов (рисунки 2.9, 2.10). В диалоговом окне команды «Параметры заливки» необходимо задать угол падения струи, диаметр струи, время заливки, высоту струи над формой. Рисунок 2.9 – Диалоговое окно команды «Параметры воронки»
Скорости заполнения элементов формы рекомендуется определять при помощи сторонних САМ ЛП типа ProCAST, обладающих специальными датчиками скорости. Объемы геометрически сложных отливок рекомендуется определять при помощи 3D САПР типа SolidWorks [94] и встроенных в них геометрических датчиков. Для увеличения производительности расчета в программу встроен геометрический калькулятор (рисунок 2.11), который находится в окне меню «Калькулятор». Он позволяет рассчитывать объемы простых тел и может быть полезен при задании параметров элементов литниковой системы и простых отливок.
После того, как будут введены все запрашиваемые для расчета параметры, необходимо нажать кнопку «Рассчитать». Программа выполнит расчет объема оксидной пленки, образующейся во время заливки формы расплавом хромистой стали при температуре 1873 К Для просмотра результатов расчета необходимо выбрать в строке меню пункт «Результаты» (рисунок 2.12). В программе имеется справка по работе с ней. Для просмотра справки необходимо выбрать в строке меню пункт «Справка».
Исследование влияния состава керамической формы на образование точечных поверхностных дефектов
С целью устранения попадания неметаллических включений при заливке расплава из ковша в форму были произведены заливки расплава через пенокерамические фильтры из диоксида циркония марки «VUKOPOR HT» пористостью 20 ppi и фильтровальную кремнеземистую сетку КС-11 ЛА (ТУ 5952-177-05786904-2003), установленные на литниковой воронке в форме. Заливка расплава через них практически не привела к снижению (1,4%) площади поражения отливок ТПД (рисунок 3.8, таблица 3.9). Это подтверждает гипотезу, что образование ТПД происходит при взаимодействии расплава с атмосферой в форме непосредственно при ее заполнении.
С целью исключения влияния на образование ТПД оксидов кремния и марганца, входящих в состав SiCa и FeMn, являющихся раскислителями расплава хромистой стали, проводилась специальная плавка, во время которой в расплав эти компоненты не вводились. Повышенное содержание газов в расплаве привело к возникновению трещин на отливках, количество ТПД возросло на 14,5% (рисунок 3.9, таблица 3.10).
Материал формы – кварцевый песок, Т формы 1073 К, Т расплава 1873 К Таким образом, раскисление расплава позволяет снизить площадь поражения отливок ТПД, но не исключает их образование. 3.1.5 Исследование влияния восстановительной атмосферы на образование точечных поверхностных дефектов
Проведено исследование влияния древесноугольного карбюризатора (ГОСТ 2407-83) на площадь поражения отливок ТПД и на процент отливок пораженных ТПД от общего числа отливок полученных за одну плавку. Карбюризатор предназначен для создания восстановительной атмосферы в форме во время заливки расплава.
Методика исследований. Готовые керамические формы на основе кристаллического кварца помещались в металлические опоки. Затем в опоки насыпался опорный наполнитель: керамический бой в смеси с древесноугольным карбюризатором. Количество карбюризатора в опорном наполнителе в разных опоках составляло: 5, 10, 12 и 15 об.%. Собранные формы прокаливались при температуре 1173-1273 К в течении 4-5 часов и заливались расплавом стали 09Х16Н4БЛ. Температуры форм и расплава перед заливкой составляли 1173 К и 1873 К соответственно.
Регрессионный анализ показал, что функция зависимости площади поражения отливок ТПД от количества карбюризатора является линейным полином y = –0,6132x + 11,189 с достоверностью R = 0,9842. Функция зависимости процента отливок пораженных ТПД от количества карбюризатора является полиномом второй степени y = 0,162x2 – 5,6861x + 53,359 с достоверностью R = 0,9987. Исследования показали, что увеличение в объеме опорного наполнителя карбюризатора приводит к снижению образования ТПД.
Однако полного отсутствия ТПД на отливках, находящихся в верхней части формы, достигнуть не удалось. Минимальная площадь ТПД на них составляет 2 %. Кроме этого введение в объем опорного наполнителя больше 12% карбюризатора привело к возникновению на поверхности отливок, находящихся в нижней части формы, других поверхностных дефектов в виде зеленых стеклообразных пятен. Вероятно вызванных восстановлением хромита железа (FeCr2O4), являющегося основной составляющей окалины хромистых сталей. Процесс восстановления железа из окалины опережает восстановление хрома. В результате хромит железа при восстановлении пересыщается и железом и Cr2O3, и диспропорционирует с образованием одновременно двух фаз – металла и Cr2O3. Система становится безвариантной, процесс протекает до полного разложения FeCr2O4 при постоянном давлении кислорода [102].
В соответствии с диаграммой состояния «CrО»-SiO2 (рисунок 3.11) [103] в восстановительных условиях взаимодействие кремнезема с оксидом хрома (Сr2О3) сопровождается восстановлением Сr3+Сr2+ с последующим образованием ортосиликата хрома Cr2SiO4.
На рисунке 3.12 показан стояк из стали 10Х18Н9Л, отлитый в форме с высоким содержанием карбюризатора. На нем видно, что нижняя часть стояка покрыта зеленой окалиной. По высоте стояка цвет окалины постепенно меняется на темно серый. Рентгеноструктурный анализ окалины внизу и вверху стояка показал разное содержание основных компонентов хромистой стали (таблица 3.11). Средние значения железа, хрома, никеля, кремния и марганца внизу составляет 24,11; 24,25; 3,176; 6,55 и 9,116 %, вверху среднее содержание этих компонентов составляет 47,41; 9,8; 0,36; 0,46 и 1,27 %. Такое различие объясняется следующим образом. Сверху форма и опока находятся в контакте с кислородом воздуха, который беспрепятственно поступает в них. Внизу формы и опоки количество кислорода мало. Это обеспечивает сохранение восстановительной атмосферы в нижних частях, которая в свою очередь влияет на состав окалины.
Способ изготовления керамических оболочковых форм из перспективных материалов
Как свидетельствуют данные разделов 1.2, 2.4.4 и 3.1.2 большое влияние на рост ТПД оказывают, происходящие между материалом формы и оксидами сталей, химические реакции. Кристаллический кварц активно взаимодействует с оксидами стали, что вызывает укрупнение дефектов (таблица 3.6).
Хорошие результаты с точки зрения получения отливок с минимальным количеством поверхностных дефектов, себестоимости литья и экологии были получены при литье хромистых сталей в керамические формы изготовленные из плавленого кварца марки «Экосил-мелур» в качестве основного формообразующего материала и кремнезольного связующего марки «Армосил».
К достоинствам плавленого кварца можно отнести следующее [97-99]: - среди всех формовочных материалов он обладает самым низким коэффициентом термического расширения - 0,5х10-6 %; - обладает низкой химической активностью к оксидам стали; - как и все аморфные вещества при нагреве выше 1473 К кристаллизуется с уменьшением объема, в следствии кристаллизации только поверхностного слоя форма легко отделяется от поверхности стальных отливок; - имеет самую низкую насыпную плотность 1100 кг/м3, например, плотность кристаллического кварца 1650 кг/м3. Количество необходимого наполнителя для приготовления суспензии, в конечном счете, зависит от его плотности. К примеру, для одного и того же связующего необходимо загрузить в полтора раза больше по весу маршалита, чем пылевидного плавленого кварца, так как плотность маршалита в полтора раза больше.
Следует отметить, что хотя плавленый кварц не относится к высокоогнеупорным материалам (температура плавления 1986 К), даже при температурах 2073-2273 К он имеет очень высокую вязкость. Чтобы его деформировать, необходимо приложить значительные усилия.
Кремнезольные связующие имеют следующие преимущества перед этилсиликатами [99-101]: - это готовый продукт, не требующий дополнительных химических операций, как при приготовлении связующего из этилсиликата путем его гидролиза; - оболочки на их основе имеют хорошую прочность, при этом из технологического процесса исключаются кислота и спирт; - они на водной основе, невоспламеняемы, нетоксичны, производство наиболее экологически чистое; - обеспечивается повышенная газопроницаемость керамических форм, как результат отмечено полное отсутствие на поверхностях отливок дефектов в виде воздушных «рябин» и непроливов; - суспензии на их основе обладают большим сроком живучести, более высокой седиментационной устойчивостью, более постоянными свойствами; - кремнезем в кремнезолях аморфный (не кристаллический) подобный плавленому кварцу, поэтому у него очень низкий коэффициент термического расширения, подобный плавленому кварцу.
На основании приведенных выше данных был предложен новый способ изготовления керамических оболочковых форм для литья по выплавляемым моделям [114]. В его основу легли следующие положения. Из предыдущего уровня техники известны способы изготовления керамических форм по выплавляемым моделям, для осуществления которых используется суспензии, содержащие в своем составе кремнезоль.
Известна суспензия, применяемая для процесса изготовления литейных форм по выплавляемым моделям, которая содержит кислый кремнезоль, этилсиликат, поверхностно-активное вещество и огнеупорный наполнитель [115]. Недостатком известного технического решения является применение в технологическом процессе токсичных кислот (соляной и фосфорной) и этилсиликата, что отрицательно влияет на экологическую безопасность производства. Кроме того, присутствие этилсиликата, сокращает время живучести керамической суспензии из-за развития процессов гелеобразования при хранении суспензии.
Известна суспензия для изготовления литейных оболочковых форм по выплавляемым моделям, содержащая этилсиликат, кремнезоль основной, поверхностно-активное вещество анионоактивное и кварц пылевидный [116].
Недостатком известного технического решения является наличие в технологическом процессе токсичного этилсиликата. Наличие в кремнезоле основном Na2O снижает химическую стойкость керамической формы к заливаемому расплаву.
Известен способ изготовления форм по выплавляемым моделям, в котором использован щелочной кремнезоль, термореактивная смола и огнеупорный порошок [117].
К недостаткам известного способа можно отнести: - увеличение номенклатуры ингредиентов для приготовления суспензии (термореактивная смола); - увеличение стоимости изготовления керамической формы, вызванное применением дополнительных ингредиентов в суспензии; - снижение химической стойкости керамической формы к заливаемому расплаву вследствие наличия Na2O в кремнезоле основном. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ [118], согласно которому покрытие наносят окунанием модельного блока в керамическую суспензию, содержащую кремнезоль кислый, поливиниловый спирт, поверхностно-активное вещество, 141 пеногаситель и обессоленную воду при следующем соотношении компонентов, масс.%:
