Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния проблемы 15
1.1 Условия эксплуатации пресс-форм литья под давлением 16
1.2 Материалы для пресс-форм литья под давлением требования, предъявляемые к этим материалам 25
1.3 Пути и способы повышения эксплуатационной стойкости пресс-форм ЛПД 34
1.4 Выводы и постановка задач исследований 63
2 Материалы и методика исследования .67
2.1 Химический состав исследуемых сталей 67
2.2 Основные принципы обеспечения требуемой совокупности свойств 69
2.3 Методы исследования структуры, физико-механических и эксплуатационных свойств 75
2.4 Методы исследования и оценки термостойкости и коррозионной стойкости 78
2.4.1 Метод оценки термостойкости по принципу нагрева проходящим током 78
2.4.2 Метод исследования коррозионной стойкости в условиях эксплуатации пресс-форм ЛПД 80
2.5 Методы оценки тепловой структурной стабильности ..83
2.6 Метод главных компонент 91
2.7 Методы многофакторного статистического анализа 92
2.8 Выводы по главе 2 98
3 Исследование влияния легирующего комплекса и режимов термической обработки на структуру и свойства хромистых сталей 99
3 1 Исследование влияния легирующего комплекса на структуру и свойства сталей в литом состоянии 99
3.2 Влияние режимов термической обработки на структуру и свойства 104
3.2.1 Исследование изменений структуры и свойств при закалке 104
3.2.2 Изменение структуры и свойств сталей в процессе отпуска 115
3.2.3 Изменение структурно чувствительных свойств в процессе отпуска 159
3.3 Выводы по главе 3 168
4 Исследование влияния циклических температурно-силовых воздействий на структуру и свойства хромистых сталей 169
4.1 Изменение структуры и свойств сталей в процессе термоциклических воздействий 169
4.2 Исследование процессов физико-химического взаимодействия сталей с алюминиевым расплавом 190
4.3 Анализ поведения пресс-форм ЛПД в условиях эксплуатации 195
4.4 Исследование тепловой структурной стабильности с использованием универсального комплекса показателей 198
4.5 Использование метода главных компонент для выбора наилучшего состава сталей 202
4.6 Построение регрессионных моделей для прогноза свойств 206
4.7 Выводы по главе 4 215
Заключение 217
Список использованных источников 223
Приложение
- Материалы для пресс-форм литья под давлением требования, предъявляемые к этим материалам
- Методы исследования структуры, физико-механических и эксплуатационных свойств
- Влияние режимов термической обработки на структуру и свойства
- Исследование процессов физико-химического взаимодействия сталей с алюминиевым расплавом
Введение к работе
Актуальность диссертации. Литье под давлением (ЛПД) является одним из наиболее перспективных способов получения литых заготовок, однако более высокая себестоимость получаемых отливок сдерживает его более широкое применение в машиностроении. Традиционно самые большие затраты при ЛПД относятся к изготовлению пресс-форм, а среди затрат на её изготовление наиболее существенной статьей является стоимость высоколегированных штамповых сталей. Пресс-формы работают в условиях жестких циклических температурно-силовых воздействий ЩТСВ) и динамического физико-химического взаимодействия с расплавом. В связи с этим, к сталям для наиболее ответственных деталей пресс-форм предъявляются высокие требования по теплостойкости, разгаростойкости и коррозионной стойкости. В соответствии с ГОСТ 19946-74 пресс-формы ЛПД алюминиевых сплавов должны выдерживать не менее 25000 запрессовок без снижения качества отливок.
Опыт эксплуатации пресс-форм в условиях производства и исследования, проведенные на кафедре «Материаловедение, литье, сварка» РГАТА им. П. А. Соловьева, показали, что пресс-формы ЛПД алюминиевых сплавов, изготовленные из штамповых сталей, выходят из строя уже после 20000 - 22000 запрессовок вследствие недопустимого снижения основных эксплуатационных характеристик. К сожалению, данные стали не имеют и существенных резервов для повышения эксплуатационных характеристик. Анализ различных путей и способов повышения эксплуатационной стойкости пресс-форм показал, что наиболее рациональным методом решения этой проблемы является изготовление пресс-форм ЛПД из коррозионно-стойких литейных малоуглеродистых сталей мартенситного класса типа 20X13Л вместо традиционных штамповых сталей. Основными достоинствами стали 20Х13Л являются высокая коррозионная стойкость и отсутствие дорогостоящих легирующих элементов, а недостатками -низкая разгаростойкость и, особенно, теплостойкость, что не позволяет использовать их для изготовления пресс-форм. Поэтому разработка сталей для пресс-форм на базе 20X13Л с повышенной эксплуатационной стойкостью является актуальной задачей.
Цель работы - разработать на основе комплексного анализа тепловой структурной стабильности (ТСС) литейные хромистые экономнолегированные стали на базе 20X13Л и определить наилучшие режимы их термической обработки для обеспечения необходимой эксплуатационной стойкости пресс-форм ЛПД алюминиевых сплавов.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
разработать основные принципы обеспечения требуемой совокупности эксплуатационных свойств и ТСС сталей для пресс-форм;
исследовать влияние элементов легирующего комплекса на структуру и свойства хромистых сталей для пресс-форм ЛПД и на этой основе определить легирующий комплекс базовой хромистой стали 20X1ЗЛ и наилучшие соотношения между его элементами; | рос. национальная і
і БИБЛИОТЕКА і
!. ."ад
установить закономерности влияния режимов термической обработки на характер изменения свойств с учетом типа легирования;
выявить закономерности изменения характеристик ТСС в условиях ЦГСВ и динамического физико-химического взаимодействия исследуемых сталей для пресс-форм с алюминиевым расплавом в зависимости от типа легирования и режимов термической обработки;
определить наилучший химический состав исследуемых хромистых сталей для пресс-форм ЛПД алюминиевых сплавов на основе комплексного анализа ТСС;
- разработать регрессионные модели для оценки и прогноза изменения
основных свойств хромистых сталей в зависимости от содержания элементов
легирующего комплекса.
Научная новизна работы. Впервые проведено комплексное исследование ТСС сталей при эксплуатации пресс-форм ЛПД. В том числе:
установлены основные закономерности изменения тепловой структурной стабильности хромистых сталей в условиях ЦГСВ и динамического физико-химического взаимодействия с алюминиевым расплавом в зависимости от типа легирования и режимов термической обработки, что позволило разработать сталь 20Х10АЮФЛ с повышенным уровнем ТСС и определить наилучшие режимы её термической обработки;
сформирован тип микроструктуры, обеспечивающий наиболее высокий уровень ТСС в условиях эксплуатации пресс-форм;
разработан универсальный комплекс показателей, который позволяет, с учётом многообразия условий эксплуатации пресс-форм ЛПД, проводить наиболее точную сравнительную количественную оценку изменения тепловой структурной стабильности сталей;
- получены математические зависимости, описывающие закономерности
процессов растворения хромистых сталей для пресс-форм при динамическом
взаимодействии с алюминиевым расплавом и позволяющие прогнозировать
характер протекания данных процессов.
Достоверность научных результатов подтверждается:
- корректным применением теории синтеза сплавов и термической
обработки;
высокой степенью адекватности полученных регрессионных зависимостей;
- получением патента Российской Федерации № 2193073 на химический
состав литейной коррозионно-стойкой стали для пресс-форм ЛПД.
Практическая ценность и реализация работы. Разработана новая хромистая экономнолегированная литейная коррозионно-стойкая сталь 20Х10АЮФЛ и определены режимы ее термической обработки, обеспечивающие повышение эксплуатационной стойкости пресс-форм в 1,5-2 раза по сравнению со стойкостью пресс-форм из штамповых сталей ЗХ2В8Ф, 4Х5МФС.
Установлена высокая эффективность использования метода термо-ЭДС для экспресс-оценки состояния материала в условиях эксплуатации и определения
остаточного ресурса с целью своевременного проведения восстановительной термической обработки пресс-форм ЛПД.
Разработана методика, спроектированы и изготовлены установки для имитации условий эксплуатации пресс-форм, что позволило сократить число дорогостоящих экспериментов на реальных пресс-формах.
Разработанная литейная хромистая экономнолегированная сталь для пресс-форм ЛПД алюминиевых сплавов внедрена в цехе цветного литья ОАО «НПО «Сатурн» г. Рыбинск.
Результаты работы используются в учебном процессе на кафедре «МЛС» РГАТА им. П. А. Соловьева при выполнении дипломного проектирования.
Автор защищает:
основные принципы обеспечения требуемой совокупности эксплуатационных свойств и ТСС сталей для пресс-форм ЛПД;
результаты экспериментальных и теоретических исследований влияния элементов легирующего комплекса на структуру и свойства хромистых сталей;
результаты комплексных исследований влияния легирования и режимов термической обработки на ТСС и эксплуатационную стойкость хромистых сталей в условиях эксплуатации пресс-форм;
универсальный комплекс показателей для сравнительной количественной оценки изменения ТСС в условиях эксплуатации пресс-форм;
тип микроструктуры, обеспечивающий наиболее высокий уровень ТСС и наименьшую интенсивность ее снижения в условиях ЦТСВ;
- математические зависимости, описывающие закономерности износа
исследуемых сталей при взаимодействии с алюминиевым расплавом, а также
регрессионные уравнения для оценки и прогноза влияния элементов легирующего
комплекса и упрочняющих фаз на изменение основных механических и
эксплуатационных характеристик исследуемых сталей.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались в Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П. А. Соловьева на семинарах кафедры «МЛС»; на Всероссийской научно-технической конференции «Повышение эффективности механообработки на основе аналитического и экспериментального моделирования процессов» (Рыбинск, 1999); на Всероссийских научно-технических конференциях «Теплофизика технологических процессов» (Рыбинск, 2000, 2005); на Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмические технологии и образование на рубеже веков» (Рыбинск, 2002); на Российской научно-технической конференции «Новые материалы, прогрессивные технологические процессы и управление качеством в заготовительном производстве» (Рыбинск, 2002); на 4 Московском международном салоне инвестиций и инноваций (Москва, 2004).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 печатных работ, в том числе 4 статьи в центральных журналах, 1 патент РФ, 4 статьи в сборниках научных трудов, 1 информационный листок и 16 тезисов докладов.
Материалы для пресс-форм литья под давлением требования, предъявляемые к этим материалам
Пути и способы повышения эксплуатационной стойкости пресс-форм ЛПД Наиболее четко выводы о недостаточной эксплуатационной стойкости деталей пресс-форм ЛПД алюминиевых сплавов, изготовленных из штамповых сталей, сформулированы в работах [18, 19]. В указанных работах изучено применение для пресс-форм ЛПД алюминиевых сплавов штамповых сталей 4Х5В2ФС, 4Х5ВФ1С, 4Х5МФС и ЗХ2В8Ф. Показано [18], что сталь ЗХ2В8Ф не является оптимальной. Вязкость этой стали составляет 294 и 390 кДж/м2 при 50 HRC и температурах испытания 20 и 600 С соответственно. Понижение твердости, сопровождающееся ухудшением износостойкости, не дает существенного улучшения - вязкость возрастает лишь до 390 и 490 кДж/м2 при 45 HRC и тех же температурах испытания соответственно. Стали 4Х5В2ФС, 4Х5ВФ1С, 4Х5МФС более рационально легированы, чем сталь ЗХ2В8Ф. Сталь 4Х5В2ФС содержит значительно меньше вольфрама, чем сталь ЗХ2В8Ф, а в сталях 4Х5МФ1С и 4Х5МФС он отсутствует. Ударная вязкость стали 4Х5В2ФС существенно выше, чем стали ЗХ2В8Ф. Она составляет 390 и 490 кДж/м" при 50 HRC и температурах испытания 20 и 600 С соответственно, а при 45 HRC и тех же температурах испытания ударная вязкость равна 490 и 590 кДж/м. Это обеспечивает более высокую разгаростойкость стали 4Х5В2ФС в условиях эксплуатации пресс-форм ЛПД алюминиевых сплавов в сравнении со сталью ЗХ2В8Ф. Однако, повышение стойкости пресс-форм более чем в 1,5-2 раза за счет применения сталей типа 4Х5В2ФС, вместо стали ЗХ2В8Ф невозможно. Данное утверждение обусловлено тем, что при увеличении твердости до 48 - 50 HRC улучшается износостойкость, но ухудшается разгаростойкость.
При уменьшении твердости до 40 - 43 HRC разгаростойкость возрастает, но при этом пресс-формы усиленно изнашиваются. Повышенный износ рабочих поверхностей пресс-форм при ЛПД алюминиевых сплавов связан с коррозионным разрушением этих поверхностей и образованием вследствие этого интенсивного физико-химического взаимодействия с жидким алюми 35 ниевым расплавом хрупких химических соединений — интерметаллидов типа Al3Fe и Al3Fe2, которые служат дополнительными очагами для зарождения иразвития трещин разгара. Кроме того, сталям данного класса также свойственна малая стойкость против налипания жидкого металла. Частички металла, попа дая в образующиеся мелкие трещины разгара, усиливают их развитие и способствуют преждевременному выходу пресс-форм из строя. Налипание жидкого металла до образования трещин снижает точность получаемых отливок, что недопустимо [18]. Анализ литературных данных, в частности [16, 18, 19, 24, 39, 89] позволил сформулировать следующие основные направления повышения эксплуатационной стойкости пресс-форм ЛЇЇД:- разработка новых материалов;- выбор оптимальных режимов термической обработки материалов;- исследование возможностей эффективного предохранения рабочих поверхностей пресс-форм за счет применения различных вариантов химико-термической обработки (ХТО) и защитных покрытий;выбор оптимальных режимов восстановительной «промежуточной» термической обработки с целью своевременного снятия остаточных напряжений, возникающих в процессе эксплуатации пресс-форм; совершенствование конструкции, обеспечение требуемого эксплуатационного ресурса за счет оптимизации теплонапряженного состояния;снижение трудозатрат на проектирование и изготовление. Обеспечение требуемого эксплуатационного ресурса за счет оптимизации теплонапряженного состояния пресс-форм является весьма важным направлением повышения эксплуатационной стойкости. Состояние вопроса по данному направлению достаточно подробно проанализировано в работе [10]. Там же предложен ряд представляющих существенный научный интерес меро приятий по повышению эксплуатационной стойкости пресс-форм за счет обеспечения оптимального теплонапряженного состояния матриц пресс-форм в условиях ЦТСВ и кинетики развития трещин термоусталости. Выбор оптимальных режимов восстановительной «промежуточной» термообработки с целью своевременного снятия остаточных термических напряжений, возникающих в процессе эксплуатации пресс-форм, также является весьма актуальным. При этом, увеличение срока эксплуатации пресс-форм за счет восстановительной термообработки обеспечивается путем устранения обратимой повреждаемости, которая накапливается в материале при эксплуатации пресс-форм и подготавливает появление трещин. Анализ литературы [4, 6, 33, 90] показал, что обратимая повреждаемость, накапливаемая в начальной стадии эксплуатации пресс-форм, представляет собой дефекты кристаллического строения (полосы скольжения, дислокация, вакансии), субграницы зерен, вторичные фазы и выделения, образующиеся в результате отпуска и термической диссоциации. Процессы образования и накопления скрытых, обратимых дефектов приводят либо к монотонному разупрочнению, либо к начальному упрочнению и последующему разупрочнению. При этом, как правило, снижаются упругие и пластические свойства. Характер и особенности изменения структуры, фазового состава и физико-механических свойств конкретных материалов зависит от исходных свойств и характера температурно-силовых воздействий при эксплуатации. На выбор режимов восстановительной термической обработки и периода эксплуатации, когда ее проведение имеет смысл с точки зрения повышения эксплуатационной стойкости, в литературе имеется ряд мнений. В частности, И. И. Горюнов проводил [24] восстановительный «промежуточный» отпуск на вкладышах пресс-форм из стали ЗХ2В8Ф при изготовлении четырех наименований деталей из алюминиевого сплава АК12. Показано, что стойкость вкладышей, подвергнутых «промежуточному» отпуску, оказалась в 2 - 3 раза больше, чем стойкость вкладышей, которые такому отпуску не подвергались.
Методы исследования структуры, физико-механических и эксплуатационных свойств
Микроструктуру сталей исследовали на оптическом микроскопе ММР-4Р при увеличении 500х и на электронном микроскопе «TESLA BS-300» при увеличении до 9000х. Микроструктуру выявляли химическим травлением в 3 %-ом растворе азотной кислоты в этиловом спирте. Количество и дисперсность частиц вторичных упрочняющих фаз определяли линейным методом Ро-зиваля. Фрактографический анализ также проводили на сканирующем электронном микроскопе «TESLA BS-300». Микрорентгеноспектральный анализ проводили на микроанализаторе «САМЕВАХ». Рентгеноструктурные исследования проводили на дифрактометре «Дрон-2,0». Все измерения выполняли со сцинтилляционным счетчиком ВДС-6-0,5 в железном ки излучении при напряжении на трубке 15 кВ. Снимали линии феррита (110)а и (220)а. По дифракционным отражениям определяли положение центра тяжести и параметр кристаллической решетки твердого рас- твора. Размеры блоков твердого раствора и величину микронапряжений 2 рода определяли по методу моментов второго порядка. Твердость определяли на твердомере Роквела в соответствии с ГОСТ 9013-59 путем вдавливания индентора (алмазного конуса) с углом меж ду противоположными гранями 120 С и при окончательной нагрузке Р=1300 Н в исследуемую сталь. Число твердости определяем по шкале «С» индикатора с округлением до 0,5 единиц. Для обеспечения необходимой точности испытаний сначала устанавливали небольшую (100 Н) предварительную нагрузку, при этом шкала прибора устанавливалась на отметку «0». Затем общая нагрузка доводилась до нужного предела и, непосредственно со шкалы прибора, считыва-лось число твердости по Роквелу. Метод измерения микротвердости является более точным и «глубоким» в сравнении с измерением твердости. Микротвердость является не только меха ническим свойством, но также может считаться и надежным способом оценки тепловой структурной стабильности. Микротвердость измеряли на приборе ПМТ-3 при нагрузке Р=0,5 Н в со- ответствии с ГОСТ 9450-76. Число микротвердости определяли по величине диагонали отпечатка при помощи специальных переводных таблиц.
Каждое экспериментальное значение микротвердости является средним по результатам 30 замеров. Испытания на ударную вязкость проводили на маятниковом копре ИМ-4Р в соответствии с ГОСТ 9454-78 на образцах с полукруглым (U-образным) надрезом. Измерение прочностных свойств: временного сопротивления разрыву при растяжении (предела прочности) ав условного предела текучести о"о,2, а также характеристик пластичности - относительного удлинения 5 и относительного сужения \j/ проводили в соответствии с ГОСТ 1497-84 на основе анализа характерных кривых одноосного нагружения в координатах «деформация — нагрузка». Испытания проводили на разрывной машине, снабженной самописцем для записи кривых нагружения. Размеры «гагаринских» образцов цилиндрической формы также регламентированы ГОСТ 1497-84. Соотношение между диаметром d и длиной рабочей части образца 1 определяли из выражения I=5d. Каждое экспериментальное значение указанных характеристик является средним по результатам испытаний 3 - 5 образцов. Химический состав исследуемых сталей определяли методом спектрального анализа на спектроскопе «SPECTROLAB» фирмы SPECTRO, Германия. Теплостойкость определяли по твердости при определенной температуре #- отпуска, а также по изменению исходной, полученной после термической обработки, твердости в процессе термоциклир ования в соответствии с ГОСТ 19943-74 и ГОСТ 19944-74.
Влияние режимов термической обработки на структуру и свойства
Закалку сталей проводили в интервале температур от 950 до 1250 С через 50 С. Выбор указанного интервала температур закалки обусловлен необходимостью максимального растворения частиц вторичных упрочняющих фаз в аустените при нагреве. В соответствии с диаграммой состояния железо-хром, по данным [59, 85], область гомогенного аустенита для хромистых сталей, содержащих 9 - 13 % Сг, располагается в интервале температур 950 - 1250 С. Время выдержки при температурах нагрева под закалку, исходя из размеров образцов, было установлено 1 час с последующим охлаждением в масле.
Исследовали изменение микроструктуры, параметра кристаллической решетки а, величины микронапряжений 2-го рода Аа/а, а также размеров кристаллических блоков твердого раствора. Кроме того, измеряли прочность, твердость, микротвердость, ударную вязкость, а также термо-ЭДС и величину коэрцитивной силы после различных режимов закалки.
Зависимость твердости исследуемых сталей в зависимости от температуры закалки представлена на рисунке 9. Изменение микротвердости исследуемых сталей в зависимости от температуры закалки представлена на рисунке 10.
Анализ полученных результатов ( см. рисунки 9, 10) показывает, что в сталях плавок 1 и 2 значения твердости и микротвердости и их изменение в зависимости от температуры закалки практически одинаковы. Наибольшие твердость и микротвердость для этих плавок достигаются после закалки 1050 С. Очевидно, этот факт связан с наибольшим растворением карбидов хрома при нагреве именно под эту температуру закалки.
Дополнительное легирование ванадием, азотом, алюминием смещает максимальные значения твердости и микротвердости в область более высоких температур закалки 1100 - 1200 С. При этом, наибольшие значения твердости и микротвердости в плавках с 7-ой по 20-ую зафиксированы после закалки 1150 С. Это связано с наиболее полным растворением частиц упрочняющих фаз при нагреве под эту температуру закалки и наибольшей степенью пересыщения твердого раствора. При нагреве до более высоких температур происходит некоторое снижение твердости и микротвердости, что связано, в частности, с перегревом стали и ростом аустенитного зерна.
Из представленных данных также следует, что по абсолютным значениям твердость и микротвердость стали плавок с 7-ой по 20-ую существенно превосходят как стали плавок 1, 2, так и стали плавок с 3-ей по 6-ую. Следовательно, дополнительное легирование оказывает положительное влияние на характеристики твердости и микротвердости. Для подтверждения полученных данных проводили рентгеноструктурные исследования на дифрактометре «Дрон-2,0». Изменение параметра кристаллической решетки а в зависимости от температуры закалки исследуемых сталей представлено на рисунке 11. Изменение микронапряжений 2-го рода Да/а в зависимости от температуры закалки исследуемых сталей представлено на рисунке 12. Изменение величины блоков твердого раствора D в зависимости от температуры закалки представлено на рисунке 13. Анализ полученных результатов рентгеноструктурных исследований показывает, что в сталях плавок 1, 2 изменение всех исследованных характеристик при закалке носит одинаковый характер. Максимальное значение параметра решетки а, микронапряжений 2-го рода Аа/а и минимальный размер блоков наблюдается в этих плавках после закалки 1050 С. При закалке сталей указанных плавок с более высоких температур наблюдается в начале незначительное снижение, а затем стабилизация величин параметра решетки и микронапряжений 2-го рода. Размеры же блоков твердого раствора несколько возрастают. Дополнительное легирование базовой плавки 2 вышеуказанными элементами легирующего комплекса (плавки 7 - 20) смещает область наибольших значений параметра а, микронапряжений 2-го рода А а/а и наименьших значений величины блоков твердого раствора до температуры закалки 1150 С. При нагреве до более высоких температур закалки происходит стабилизация значений параметра а, микронапряжений 2-го рода и некоторое увеличение размеров блоков. По абсолютной величине наибольшие значение параметра а и микронапряжений 2-го рода А а/а наблюдаются в плавке 9 (система Fe-C-Cr-V-N) и в плавках 12;, 18 (система Fe-C-Cr-V-N-Al, плавка 18 модифицирована бором и церием). Увеличение параметра решетки а (в плавках 1, 2 до 1050 С, в плавках с 3-ей по 20-ую до 1150 С) связано также с увеличением пересыщения твердого раствора углеродом и легирующими элементами, увеличением степени растворимости легирующих элементов в твердом растворе. Этим же фактом обусловлено увеличение микронапряжений 2-го рода и измельчение блоков твердого раствора. Полученные данные рентгено структурного анализа подтверждают, что наибольшая степень пересыщения твердого раствора наблюдается в плавках с 10-ой по 20-ую. Стабилизация значений д, при закалке с температур выше 1050 С для плавок 1, 2 и свыше 1150 С - для плавок с 3-ей по 20-ую связано с тем, что количество растворенного углерода и легирующих элементов, частиц вторичных фаз при этих температурах практически не меняются. Некоторое уменьшение значений Аа/апри закалке с температур выше 1050 С для плавок 1, 2 и выше 1150 С - для плавок 3-20 связано с их релаксацией при укрупнении блоков в процессе нагрева.
Исследование процессов физико-химического взаимодействия сталей с алюминиевым расплавом
С целью комплексной оценки факторов, оказывающих влияние на материал деталей пресс-форм ЛПД, соприкасающихся в процессе эксплуатации с алюминиевым расплавом, исследовали процессы физико-химического взаимодействия алюминиевого расплава с исследуемыми сталями. В качестве алюминиевого расплава выбран эвтектический силумин АК12, обладающий повышенной жидкотекучестью. Ключевым фактором при взаимодействии материала пресс-форм с жидким расплавом, заполняющим полость пресс-формы под давлением, является процесс растворения материала в расплаве. Интенсивность процессов растворения в расплаве АК12 оценивали по износу образцов I, а также по изменению массы образца Am в процессе термо-циклирования в соответствии с формулой, приведенной в подразделе 2.4.2. Для каждой плавки значения Am определяли как среднее от измерений потери массы на трех образцах. Исходя из размеров образца: диаметра d = 1,5 см и длины h = 15 см опре-делили площадь контакта поверхности образца с расплавом S = 7,07 см . Исследования проводили на установке, описанной в подразделе 2.4.2 по режиму 1. Окунание образца в алюминиевый расплав с температурой t = 700 С. 2. Вращение образца в расплаве со скоростью n = 200 об/мин в течение 5 минут. 3. Подъем образца из расплава. Всего было проведено 1000 термоциклов. Характеристики износа измеряли через каждые 100 циклов. Внешний вид образцов из сталей плавки 18 (№1), плавки 9 (№2), 20X13Л (№3), 4Х5МФС (№4) после 1000 циклов в алюминиевом расплаве представлен на рисунке 116. Характер изменения параметров износа исследуемых сталей в течение 1000 термоциклов в алюминиевом расплаве представлен в таблице 9. Графическая интерпретация полученных зависимостей изменения износа I от количества термоциклов представлена на рисунке 117, а потери массы образцов Am от количества термоциклов - на рисунке 118. Анализ представленных результатов показывает, что износ в сталях плавок 1-9 начинается после 10 - 15 термоциклов, а в сталях плавок 10 - 20 только после 25 - 30 термоциклов. Интенсивность износа образцов у сталей всех исследуемых групп плавок находится на достаточно низком уровне. Наибольший износ на уровне По данным работ [72, 74] интенсивность износа штамповых сталей ЗХ2В8Ф, 4Х5МФС в указанном интервале термоциклирования минимум в 2-3 раза выше, чем у сталей плавок 1,2. Интенсивность износа сталей плавок 3 - б, 7 - 9 в сравнении со сталями плавок 1, 2 несколько ниже, но порядок цифр в целом совпадает. Существенно ниже зафиксирована интенсивность износа образцов у сталей плавок 10 - 20 в сравнении с остальными исследованными группами плавок в течение всего интервала термоциклирования.
После 1000 термоциклов в этих плавках износ составил 0,849 г/см2. Полученный результат существенно лучше характеристик износа, полученных на сталях плавок 1, 2. Это связано с благоприятным воздействием алюминия на характеристики износа в сталях плавок 10 - 20 в процессе интенсивного физико-химического взаимодействия с алюминиевым расплавом. Тонкие пассивирующие пленки окислов алюминия, образующиеся на поверхности образцов из сталей плавок 10-20, формируют дополнительные барьеры против коррозионного воздействия жидкого алюминиевого расплава, в значительной степени нейтрализуя его, за счет того, что алюминиевый расплав не имеет возможностей проникнуть сквозь алюминиевую пленку в материал детали пресс-формы или такие возможности существенно затруднены. Приведенные данные дополнительно подтверждают правильность выбора алюминия в качестве одного из элементов легирующего комплекса коррозионно-стойкой стали 20Х10АЮФЛ для пресс-форм ЛПД алюминиевых сплавов. Таким образом, из исследованных сталей коррозионная стойкость стали 20X10АЮФЛ плавок 10 - 20 является наиболее высокой. Для сравнительного анализа изменения эксплуатационной стойкости исследуемой коррозионно-стойкой стали плавки 18 (20Х10АІОФЛ) и штамповых сталей ЗХ2В8Ф, 4Х5МФС проводили производственное опробование на реальных пресс-формах. Визуально оценивали состояние поверхности формообразующих вкладышей на различных пресс-формах после определенного количества запрессовок (от 500 до 95000), согласно их паспортам. Вид трещин разгара на рабочей поверхности формообразующего вкладыша пресс-формы представлен на рисунке 119. Разгаростойкость сталей оценивали по ширине раскрытия трещин, которая определяет работоспособность пресс-форм. Измеряли ширину раскрытия трещины при помощи специальной лупы. На вкладышах из стали 20Х10АЮФЛ первые трещины появились после 42320 запрессовок, при этом ширина раскрытия трещин составила 0,07 - 0,1 мм. При дальнейшей эксплуатации пресс-форм до 64700 запрессовок наблюдалось незначительное увеличение ширины раскрытия трещины до 0,15-0,18 мм. Эта ширина раскрытия трещин сохранялась до 74700 запрессовок. Указанный размер ширины трещин не оказывает неблагоприятного воздействия на качество поверхности отливок, а также не вызывает затруднений при извлечении отливки из пресс-формы. При увеличении числа запрессовок до 95000 ширина трещины составила 0,3 - 0,33 мм. Из приведенных данных хорошо видно, что срок эксплуатации (количество запрессовок, выполненных на пресс-формах) вкладышей из предложенной стали 20Х10АЮФЛ значительно превысил установленный ГОСТ 19946-74 (25000 запрессовок). В связи с этим дальнейшие наблюдения за указанной пресс-формой были приостановлены.
Одновременно проводились измерения на формообразующих вкладышах пресс-форм ЛПД, изготовленных из штамповых сталей ЗХ2В8Ф, 4Х5МФС для отливок аналогичного типа и габаритов. Первые видимые трещины на вкладышах из стали ЗХ2В8Ф были обнаружены после 16400 запрессовок с шириной раскрытия ОД мм. После 26000 запрессовок эта ширина составила ОД 8 - 0,2 мм. При дальнейшей эксплуатации зафиксировано более интенсивное развитие трещин разгара. В частности, после 32600 запрессовок ширина раскрытия равна 0,3 мм. После 43100 запрессовок значения ширины раскрытия трещин достигли 0,55 - 0,6 мм, что затрудняет последующую эксплуатацию пресс-форм и недопустимо снижает качество поверхности отливок за счет образования заливов, заусенцев и наростов вследствие заполнения трещин на рабочих поверхностях вкладышей жидким расплавом. Кинетика развития ширины раскрытия трещин на вкладышах пресс-форм из стали 4Х5МФС следующая. Первые трещины шириной ОД мм возникают после 19100 запрессовок. После 37500 запрессовок ширина раскрытия трещин составила около 0,3 мм. Максимально допустимая ширина раскрытия, равная 0,6 - 0,65 мм, была зафиксирована после 52200 запрессовок. Следует отметить, что аналогичные данные о ширине раскрытия трещин на пресс-формах ЛПД из сталей ЗХ2В8Ф и 4Х5МФС представлены в паспортах и на другие пресс-формы.
