Технология литья жаропрочных сплавов

Рахманкулов М.М., Паращенко В.М.

Интермет инжениринг, 2000 г.

Износостойкие и жаропрочные чугуны

Чугунами называются сплавы железа с углеродом, содержащие 2-4% С. Чугун является наиболее распространенным материалом для изготовления фасонных отливок, так как он обладает хорошими литейными свойствами, лучшими по сравнению со сталью. Область применения чугуна как конструкционного материала расширяется вследствие повышенных прочностных эксплуатационных свойств, а также в результате разработки чугунов новых марок со специальными физическими (износостойкости) и химическими свойствами (жаропрочности и жаростойкости) при повышенных температурах (600 – 1000) °С.

Структурными составляющими чугунов являются: феррит, перлит и графит (у серых и ковких чугунов) или перлит, ледебурит и цементит (у белых чугунов).

Графит оказывает сильное влияние на основные свойства чугуна, в первую очередь на прочность и пластичность, характеризующие чугун как конструкционный материал. Он обладает такими преимуществами, которыми не обладают легированные и жаропрочные стали и сплавы. Графит имеет способность хорошо смазывать работающие при трении в паре чугунные и стальные детали при высоких температурах (800 – 1000°)

Перлит наиболее прочная структурная составляющая чугуна σ_В = 700 МПа) по сравнению с ферритом (σ„ = 400 МПа) и цементитом (σ_Β = 20 МПа). Ферритная матрица и цементитная структура снижают прочностные свойства чугуна.

На характер кристаллизации чугуна, а также форму, размеры и расположение образующихся фаз влияет много факторов. Это прежде всего зависит от содержания элементов - постоянно присутствующих (С, Si, Μn, S, Ρ) и легирующих (Ni, Ni, Сu, Cr, Ti и др.).

На графитизацию чугуна существенное влияние оказывает углерод, кремний, никель, алюминий, медь и титан, которые ускоряют процесс графитизации. Такие элементы, как хром, марганец, вольфрам, молибден, сера и кислород, наоборот, затрудняют графитизацию и способствуют получению сорбитообразного перлита.

Таким образом, элементы можно расположить в ряд в зависимости от их положительного или отрицательного влияния на графитизацию: А1, С, Si, Ti, Ni, Сu, Ρ, Со, Zr, Nb, W, Μn, Mo, S, Cr,

V, Те, Mg, Sr, В. Элементы, расположенные слева от ниобия, способствуют графитизации, а элементы, расположенные справа от него, - тормозят ее. Влияние элемента тем интенсивнее, чем дальше он расположен от ниобия.

Для повышения прочности чугуна, а также для получения чугунов со специальными свойствами (износостойкости, жаропрочности и др.) их легируют различными элементами.

Все легирующие элементы можно подразделить на три группы.

К первой группе относятся элементы (Ni, Сu и др.), которые в основном образуют растворы с ферритом (аустенитом). Эти элементы понижают растворимость углерода в жидком и твердом растворах, что обусловливает их графитизирующее влияние. Влияние этих элементов на эвтектическую кристаллизацию аналогично влиянию кремния. В то же время никель, способствуя графитизации структурно свободных карбидов, тем самым стабилизирует перлит и способствует повышению его дисперсности. Аналогично, но в более слабой степени, влияет на графитизацию медь.

Ко второй группе относятся элементы (Cr, Mo, V и др.), образующие растворы замещения преимущественно с цементитом, например (Fe, Сr)зС, (Fe, Мо)зС, - (Fe, V)зС. При превращении определенной концентрации эти элементы образуют специальные фазы - карбиды (например, СrСз, V4C3) и тем самым тормозят графитизацию и вызывают размельчение графитовых включений.

К третьей группе относятся элементы (Ti, Zr и др.), которые вследствие высокой химической активности практически полностью расходуются на образование карбидов, нитридов, оксидов и только в небольшом количестве рстворяются в феррите и цементите. Тугоплавкие включения, образующиеся еще в жидком расплаве, могут служить центрами кристаллизации графита. Поэтому титан, являющийся карбидообразующим элементом, в то же время способствует графитизации и размельчению графитовых включений.

Таким образом, изменяя структуру чугуна, можно получить необходимые конструкторам свойства: физико-механические, износостойкие, жаропрочностные и др.

Износостойкие и жаропрочные чугуны.

Такие чугуны работают при высоких температурах и их широко применяют в двигателестроении и металлургической промышленности. Сфера применения износостойких и жаропрочных чугунов представлена на рис. 26. Например, температура газов внутри цилиндра автотракторных двигателей в момент сгорания топлива достигает 2800°С, а температура рабочего цикла четырехтактного карбюраторного двигателя колеблется в широком диапазоне:

Азотирование проводят при 500°С путем выдержки гильз цилиндров в сухом диссоциированном аммиаке. Технология трудоемкая и непроизводительная, т.е. неприемлема для изделий продукции при массовом производстве.

Гильзы цилиндров для автомобилей ГАЗ-51, ЗИЛ-130, М-412 отливают в песчаные формы, а некоторые тракторные гильзы центробежным способом.

Седла клапанов. Седла клапанов двигателей внутреннего сгорания работают в особо тяжелых ударно-переменных нагрузках и высоких температурных (700 – 1000)°С режимах. Поэтому к жаропрочному материалу для седел клапанов предъявляют особые требования: необходимы высокая жаростойкость и сопротивление к газовой эрозии, коррозии и ползучести, высокие механические свойства, хорошая теплопроводность и небольшой коэффициент линейного расширения. В составе чугуна, кроме основных элементов (С, Si, Μη, S, Ρ), содержатся карбидообразующие элементы: 2,75 - 3,25% Сr; 4 - 5% Мо и до 0,3% Ni.

Седла клапанов отливают по выплавляемым моделям. Отливки после термической обработки по режиму: нагрев в течение 1 ч при 950°С, интенсивное охлаждение струей воздуха 0,5 ч, отпуск при 650°С, 2 ч, медленное охлаждение на воздухе, имеют твердость 50 - 60 HRC Структура металла - мартенсит с включением мелких карбидов хрома и молибдена (рис 27).

Химический состав и механические свойства износостойких и жаропрочных чугунов, применяемых для авиационных двигателей, приведены в табл. 16. Чугун ПЧИ используют для изготовления маслот и индивидуальных отливок поршневых и маслосборочных колец автомобильных и авиационных двигателей. Из чугунов марок ХНВ, ХНМ, ХНМВ отливают в песчаные формы маслоты и из них изготовляют поршневые и уплотнительные кольца для газотурбинных авиационных двигателей. Уплотнительные кольца ГТД служат для предотвращения перепада давления между компрессором и турбиной, где температура составляет 400 - 500°С

Антифрикционный ковкий чугун ЧМ1,3 применяется для трущихся и опорных частей: ног шасси, демпферов, цилиндров, втулок, букс, колец, опор, подшипников и других деталей, работающих со смазкой при статической и динамической нагрузках. В литом виде чугун является белым, после отжига - ковким. Отжиг проводят при температуре 1000 - 1050°С в течение 3 - 15 ч (в зависимости от толщины отливки). В результате отжига получается структура перлита, феррита (до 20%) и графита отжига.

Для защиты от коррозии готовые детали из чугуна ЧМ1,3 рекомендуется оцинковывать.

Литье чугуна ЧНМХ производится центробежным способом в обечайки (рубашки) из стали 15. Такой чугун применяют для изготовления биметалличерких тормозных барабанов авиационных колес всех типов. После заливки барабаны подвергают отжигу при температуре 550 - 600°С в течение 3 - 5 ч.

Для защиты от коррозии тормозные барабаны также подвергают цинкованию.

Жаростойкий чугун ЧЯ отливают центробежным способом в горячий кокиль или в песчаную форму. Такой чугун применяют для изготовления направляющих втулок клапанов, шаровых соединений выхлопных труб, поршней, а также втулок приборов и цилиндров насосов.

Высокопрочный магниевый чугун МН плавят в вагранке или в электропечи; отливку производят в песчаных формах; в ковше перед разливкой его модифицируют магниевоникелевой лигатурой.

В структуре чугуна, получаемого литьем или подвергаемого отжигу, должно быть 10 - 30% феррита. Такой чугун применяют для изготовления фрикционных дисков, антифрикционных втулок и направляющих втулок клапанов, поршневых и уплотнительных колец, матриц для холодного прессования алюминия, крышек и корпусов газосборника реактивных двигателей.