|
Из нелегированной стали
изготовляют около 2/3 стальных отливок. По технологическим (литейным)
свойствам углеродистая сталь уступает чугуну, тем не менее из нее можно
получать сложные отливки, разнообразные по конструкции, размерам, массе,
толщине стенок. Литая углеродистая сталь после термической обработки обладает
высокими механическими свойствами.
В зависимости от содержания углерода сталь делят на
низкоуглеродистую (до 0,2 % С), среднеуглеродистую (0,2—0,45 % С),
высокоуглеродистую (более 0,45 % С). Углерод является основным элементом,
определяющим механические свойства углеродистых сталей. Увеличение содержания
углерода повышает прочность и снижает пластичность ( 92). Такое изменение свойств
связано с тем, что по мере увеличения концентрации углерода в структуре
возрастает количество перлита — более прочной, но менее пластичной, чем
феррит, составляющей.
Для углеродистой стали, как для конструкционного
материала, важной характеристикой является отношение предела текучести ат к
временному сопротивлению сгв, выраженное в процентах. С увеличением
концентрации углерода ат увеличивается менее интенсивно, чем ств, поэтому в
конструкциях наибольшее распространение получили отливки из среднеуглеродистой
стали. В большинстве случаев содержание углерода выше 0,45 % только с целью
обеспечения специальных свойств отливок. Стали с высоким содержанием углерода
относят иногда к группе специальных высокоуглеродистых сталей. Низкое
содержание углерода (менее 0,1 %) требуется также при необходимости получения
отливок со специальными свойствами.
В ГОСТ 977—75 включено девять марок нелегированной
конструкционной стали, отличающихся содержанием углерода. По качественным
показателям, устанавливаемым в зависимости от назначения и предъявляемых
требований, отливки подразделяют на три группы:
I — отливки общего назначения; контролируют их
внешний вид и размеры, химический состав сплава;
II — отливки ответственного назначения;
дополнительно контролируют прочность (ах или ав) и относительное удлинение
(6);
III — отливки особо ответственного назначения:
дополнительно контролируют ударную вязкость. С учетом группы качества отливки
марку стали обозначают: сталь 35Л-П1.
Углеродистая сталь всех марок содержит кремний и марганец,
которые вводят главным образом для раскисления, а марганец и для
нейтрализации вредного действия серы. Существенного влияния на механические
свойства они не оказыьают.
Содержание серы в основной и кислой стали для отливок III
группы качества ограничивается соответственно 0,045 % и 0,05 %, а фосфора —
0,04 % и 0,05 %. Во всех сл>чаях серу и фосфор желательно иметь в
минимальном количестве. Сера усиливает красноломкость стали, склонность ее к
образованию горячих трещин. Для отливок сложной конфигурации и для
толстостенных отливок, в которых в результате ликвации возможно местное
увеличение концентрации серы, целесообразно ограничивать ее содержание 0,035
%. Фосфор понижает пластичность стали при нормальной и низких температурах,
входя в раствор с Fea и образуя по границам зерен фосфидную эвтектику.
Вредное влияние фосфора особенно резко проявляется в сталях с повышенным
содержанием углерода. Учитывая возможность ликвации, для особо ответственных
и массивных отливок желательно ограничить содержание фосфора 0,03 %.
Механические свойства стали определяют на образцах,
вырезанных из пробных брусков, которые отливают в середине разливки плавки и
подвергают термообработке совместно с отливками данной партии. Свойства стали
отливок, самые тонкие стенки которых имеют толщину более 100 мм, устанавливают согласно особым техническим условиям.
Из низкоуглеродистых литейных сталей изготовляют детали,
которые должны обладать высокой пластичностью. Однако такие стали
недостаточно тверды даже после закалки, поэтому для обеспечения их
долговечности целесообразно проводить цементацию или другую
химико-термическую обработку с последующей закалкой и отпуском. Из
низкоуглеродистой (магнитомягкой) стали получают отливки деталей
электродвигателей и т. п.
Высокоуглеродистые стали предназначены для отливок,
работающих в абразивной среде без ударов.
Особенности изготовления отливок. Изготовлять стальные
отливки более сложно и трудоемко, чем отливки из серого чугуна. Специфические
условия сталелитейного производства обусловлены способами выплавки и
литейными свойствами стали.
Жидкотекучесть углеродистой стали в среднем в 2 раза меньше
жидкотекучести серых чугунов. Пределы доступного регулирования жидкотекучести
более узки, и проводить это
регулирование сложно. Низкая жидкотеку честь стали
объясняется относительно высокими вязкостью и поверхностным натяжением при
температурах разливки, а также значительно меньшим перегревом.
Жидкотекучесть углеродистой стали в значительной
мере определяется содержанием в ней углерода. При повышении содержания
углерода практическая жидкотекучесть (при одинаковой температуре заливки)
возрастает. Это вызвано прежде всего
увеличением относительного перегрева над температурой
ликвидуса. Расширение же интервала кристаллизации с увеличением содержания
углерода оказывает менее сильное противоположное влияние
Истинная жидкотекучесть (при одинаковом перегреве над
температурой нулевой жидкотеку чести ж) понижается с увеличением содержания
углерода, так как перегрев над температурой ликвидуса уменьшается и
жидкотекучесть все больше определяется состоянием сплава в интервале
кристаллизации ( 93).
Марганец и кремний (в пределах их обычного содержания) не
изменяют заметно интервал кристаллизации, вязкость и другие свойства стали,
поэтому их влияние на жидкотекучесть также несущественно. Следует отметить,
что жидкотекучесть стали будет тем выше, чем полнее она раскислена.
Как известно, концентрацию серы и фосфора в углеродистой
стали для получения высокой прочности и пластичности желательно иметь
минимальной, а в допустимых пределах их практическое влияние на
жидкотекучесть не обнаруживается.
На жидкотекучесть отрицательно влияют тугоплавкие
неметаллические включения, попавшие в сталь в период выплавки, а особенно
раскисления.
Первичная кристаллизация, обусловливая структуру отливки,
во многом определяет ее свойства. Характер первичной кристаллизации зависит
от свойств сплава и условий производства отливки. Существенное влияние
оказывает концентрация углерода.
Наибольшей склонностью к образованию обширной зоны
столбчатых кристаллов обладают стали, содержащие ~0,2 % С. По мере увеличения
концентрации углерода (до 0,8 % С) уменьшается зона транскристаллизации, что
объясняется главным образом влиянием углерода на интервал кристаллизации
сплава и его теплофизические свойства. Протяженность по сечению отливки зоны
двухфазного состояния с повышением концентрации углерода возрастает ( 94).
Изменением перегрева стали, температуры заливаемого сплава, скорости
охлаждения, а также модифицированием можно регулировать первичную структуру
стальных отливок.
Следует отметить, что высокие перегрев и температура
заливаемой стали вызывают огрубление структуры, поэтому их верхний уровень
определяют, как правило, только исходя из условий заполнения всей полости
литейной формы. В этом существенное отличие влияния температурно-временных
факторов на свойства стальных и чугунных отливок.
Усадка стали в отливке складывается из уменьшения объема в
жидком состоянии при охлаждении от /зал до tni из уменьшения объема в
интервале (/л — tc) при изменении агрегатного состояния и, наконец, из
изменения объема при охлаждении затвердевшей стали от температуры конца
затвердевания до нормальной температуры ( 95). О развитии усадки углеродистой
стали (0,35 % С) в различных температурных интервалах можно судить по
изменению величины удельного объема этого сплава.
Усадка в жидком состоянии определяется коэффициентом
объемного сжатия |5Ж и величиной перегрева над температурой плавления. Для
углеродистой стали в жидком состоянии коэффициент = 1,5.10"4. Этот
коэффициент увеличивается на 20 % при повышении содержания углерода на 1 %.
Марганец, кремний, сера и фосфор заметно не влияют на коэффициент
термического сжатия углеродистой стали.
Изменение объема стали при затвердевании определяется
сжатием при переходе в твердое состояние и усадкой в температурном интервале
(/л — *<>)• С повышением содержания углерода увеличивается интервал
кристаллизации, а следовательно, возрастает и усадка
Содержание углерода, % 0,1 0,35 0,45 0,7
Сокращение объема стали при затвердевании, % . . . 2 3 4,3
5,3
Усадка стали в твердом состоянии складывается из доперлит-
ной усадки в интервале — а). расширения при фазовом у а-превращении и послеперлитной
усадки при дальнейшем охлаждении.
Суммарное сокращение объема в твердом состоянии составляет
7,2—7,5 %, а линейных размеров — 2,4—2,5 % (свободная линейная усадка).
С повышением содержания углерода линейная усадка в твердом
состоянии уменьшается главным образом за счет уменьшения доперлитной усадки (
19). Исключение составляют стали, содержащие 18 % С. Повышенная усадка в этом
случае объясняется резким сокращением объема при перитектической реакции (б
у). Снижение доперлитной усадки вызвано уменьшением температурного интервала
усадки (tc — ty-+а). Этот фактор имеет решающее значение, и доперлитная
усадка снижается несмотря на то, что коэффициент терхмического сжатия при
повышении содержания углерода увеличивается.
В реальных условиях действительное изменение линейных
размеров стальных отливок (литейная усадка) меньше свободной линейной усадки
стали. В результате торможения усадки, главным образом доперлитной при
высоких температурах, происходит пластическая деформация, несколько
уменьшающая общее изменение размеров.
Литейная усадка тонкостенных отливок сложной конфигурации
составляет 1,25—1,5%, толстостенных — 2—2,3%. Даже в условиях торможения
литейная усадка обычно не бывает меньше 1 %, иначе в отливках образуются
трещины.
Торможение усадки, особенно в высокотемпературной области,
если даже оно и не привело к появлению трещин, является причиной заметного
снижения пластичности и ударной вязкости в результате появления
деформационной пористости. По данным А. М. Михайлова, А. А. Тимофеева и В. В.
Требухина, снижение относительного удлинения и ударной вязкости стали 35J1
достигает соответственно 40 и 30 %.
Особенности литейных свойств углеродистой стали вызывают
необходимость разработки специфической технологии производства фасонных
отливок.
Сталь выплавляют в агрегатах периодического действия, т.
е. металл выдается через определенные промежутки времени. Емкость плавильных
агрегатов для этих условий выбирают с учетом допустимых продолжительности
разливки всей плавки и максимального числа открытий стопора ковша при
разливке металла по формам. Число открытий стопора, изготовленного из
шамотного припаса, составляет в среднем 120. В сталелитейных цехах наиболее
распространены печи емкостью 3, 5 и 10 т.
В фасонно-сталелитейных цехах большой мощности,
производящих мелкие и средние отливки, при выборе емкости плавильного
агрегата учитывают необходимость непрерывной подачи стали на заливочную ветвь
конвейера. В этих случаях устанавливают много печей малой емкости, что
обеспечивает выдачу металла из разных печей через короткие промежутки времени
(не реже 2—3 раз в час). Крановый стопорный ковш часто является промежуточной
емкостью, из которой сталь распределяется по раздаточным ковшам. Заливка
движущихся на конвейере форм из кранового стопорного ковша невозможна, так
как трудно добиться синхронности движения мостового крана и конвейера.
Температура стали перед заливкой 1600—1550 сС. В связи с этим к формовочным и
стержневым смесям предъявляют высокие требования по огнеупорности. Исходными
материалами для смесей являются чистые кварцевые пески и огнеупорные глины.
Глинистые пески Е сталелитейных цехах, как правило, не применяют. Заливка из
стопорного ковша обусловливает значительное действие струи металла на форму,
поэтому ее необходимо изготовлять прочной, с большей степенью уплотнения
Схмееи. Худшая по сравнению с другими сплавами жидкотекучесть стали, меньший
относительный перегрев требуют увеличения размеров каналов литниковой
системы, сокращения ее протяженности. По данным Б. Б. Гуляева, площадь
сечения питателей при литье стали должна быть в 1,5—2 раза больше, чем при
литье чугуна. В случае изготовления крупных отливок (массой более 10 т) эта
разница может увеличиться до 3 раз.
Применение стопорных ковшей позволяет несколько упростить
литниковую систему: вместо чаши применяют воронки, не устанавливают
фильтровальные сетки, шлакоуловители, по возможности уменьшают суммарную
протяженность каналов. Площади сечения питателя, литникового хода и стояка
рекомендуется делать одинаковыми.
Чтобы исключить механическое разрушение стенок литниковых
каналов в крупных формах, их изготовляют из огнеупорного сифонного припаса.
Конструкция литниковой системы определяется конфигурацией и массой отливки, а
также наиболее рациональным местом подвода металла. Для отливок массой до 100 кг применяют преимущественно литниковые системы с боковым подводом металла по разъему формы; для
отливок массой 100—500 кг — с боковым и нижним подводом. Формы тяжелых
отливок (500 кг и выше) заливают, как правило, через сифонные или ярусные
литниковые системы. В зависимости от конфигурации отливки, ее назначения и
ответственности металл подводится:
в толстые стенки (лучше в прибыли, так как это повышает
коэффициент использования металла прибыли) для создания направленного
затвердевания, обеспечивающего получение плотной отливки;
рассредоточенно через большое число литников, чтобы
добиться равномерного охлаждения частей отливки и, следовательно, меньших
напряжений, что целесообразно при изготовлении тонкостенных протяженных
отливок;
к тонким частям, чтобы по возможности выравнять скорости
охлаждения частей отливки, склонных к образованию трещин. Для питания
массивных частей в этом случае целесообразно использовать прибыли, работающие
под избыточным давлением газа или воздуха.
Усадка стали в жидком состоянии и в период кристаллизации,
если не принимать специальных мер, вызывает образование усадочных раковин и
пористости. Получение плотных отливок обеспечивается установкой прибылей и
созданием направленного, последовательного затвердевания. Без прибылей из
стали можно изготовлять только малоответственные тонкостенные отливки.
Усадка стали в твердом состоянии может вызвать образование
горячих и холодных трещин, коробление отливок, высокие внутренние напряжения
и изменение линейных размеров. Горячие трещины в отливках из углеродистой
стали являются следствием сильного торможения, главным образом со стороны
формы, доперлитной усадки. Трещины располагаются в наиболее слабых местах,
какими являются разогретые участки.
Увеличение содержания углерода (см. 11) уменьшает
линейную усадку, особенно доперлитную, что снижает опасность образования
горячих трещин. С другой стороны, при охлаждении низкоуглеродистых сталей
быстрее увеличивается их прочность. Отливки, испытывающие большое
механическое торможение усадки, рекомендуется изготовлять из углеродистой
стали с повышенным или очень низким содержанием углерода. Разностен- ные
отливки со значительным термическим торможением усадки целесообразнее
получать из низкоуглеродистой стали. Отрицательное влияние на
трещиноустойчивость оказывают сера и неметаллические включения, особенно
легкоплавкие. Отмечается большая склонность к образованию трещин кислых
сталей. Основные мероприятия по предотвращению появления горячих трещин
заключаются в улучшении технологии изготовления форм, обеспечении хорошей их
податливости, Еыборе конструкции отливки, литниковой системы, в рациональном
режиме заливки и охлаждения.
Кроме уменьшения усилий, затрудняющих усадку, образование
горячих трещин предупреждают упрочнением слабых мест отливки усадочными
ребрами и установкой холодильников. Усадочные ребра воспринимают часть
усилий, тем самым разгружают слабое (горячее) место отливки. Холодильники,
наружные или внутренние, способствуют более быстрому охлаждению и,
следовательно, упрочнению опасного участка отливки.
В области температур ниже 650 СС под действием внутренних
напряжений или внешних нагрузок в углеродистой стали возникают
преимущественно упругие деформации. При охлаждении отливки происходит
дальнейшее изменение ее линейных размеров в результате фазового у ->
«-превращения и послеперлитной усадки. Всякое препятствие развитию усадки
вызывает образование внутренних напряжений, которые могут привести к короблению
отливки или образованию холодных трещин. Металл в этом случае разрушается не
по границам зерен, а по самим зернам. Поверхности трещин не окисляются.
Наибольшей склонностью к образованию холодных трещин
обладают отливки из высокоуглеродистых сталей. Повышение содержания углерода
вызывает увеличение среднего коэффициента термического сжатия. Например,
коэффициент термического сжатия стали с 0,14 % С равен 14,5. 10"6, стали
с 0,45 % С — 16,1 - 10"6. Высокоуглеродистые стали менее теплопроводны,
чем низкоуглеродистые, что обусловливает больший перепад температур по се
чению отливки и между отдельными ее частями. Таким
образом, из-за увеличения термических напряжений с повышением содержания
углерода увеличивается и опасность образования холодных трещин.
|