Диссертация написанное для получения академической степени магистра PhD. доц. У. Н. Рузиев Ташкент 2022

1.2. Технология производства литых металлических композиций

Литые биметаллическиеи многослойные композиции имеют свои

преимущества и недостатки [1-12,16, 21-30].
Проблемы производства, связанныесо свойствами и применением слоистых композитов, полученных методами твердофазного совмещения, подробно освещены в работе[27, 28, 31-34]. Крупногабаритные биметаллические листы [ГОСТ10885-75] [27, 28, 31-34]получают пакетной прокаткой или литейным плакированием с последующей прокаткой. Основной слой низкоуглеродистых, углеродистых и низколегированных сталей плакируется слоем хромоникелевых и хромистых сталей, сплавов на никелевой основе или цветных металлов. Сочетание низколегированных сталей основного слоя 10Г2ФР, 12Х1МФ, 20К с наиболее распространенной сталью плакирующего слоя 12Х18Н10Т дает заметное повышение прочности композиции по сравнению с металлом плакирующего слоя. Отечественной промышленностью уже освоено производство биметаллов с пределом текучести 400 –500 МПа. Обычно значения прочности соединения слоев заметно выше допустимых по стандарту (не менее 150 МПа) [27, 28, 31-34]. Это связано с достоинствами крупногабаритного листа по сравнению со стандартным цельным листом стали или цветного металла.
Способность металла противостоять коррозии в той или иной среде обосновывает конкретную область его применения. При этом коррозионная стойкость определяется материалом плакирующего слоя. Двухслойные материалы с плакирующим слоем из сталей 02Х18Н10Т и 08X13 применяются в химическом и нефтяном машиностроении для изготовления деталей и конструкций аппаратов и оборудования, работающих в различных агрессивных средах: органических соединениях/растворах солей, в атмосфере сухого хлора, углекислого газа. Например, высокохромистая сталь 08X13, несмотря на достаточную коррозионную стойкость в некоторых средах, не может быть использована в качестве конструкционного материала из-за ее низкой ударной вязкости и хрупкости сварных швов, особенно в условиях низких температур. Применение хромистой стали в качестве плакирующего слоя дает возможность получить конструкционный материал с новыми служебными свойствами.В качестве второго примера рассмотрим эффективное применение литого биметалла для повышения долговечности экструдерного оборудования при производстве химических волокон, полиэтилена и других полимерных материалов[18,27, 28, 35-37].
Биметаллические цилиндрические отливки для экструдеров типа РГШ-160 отливают центробежным способом заливкой «жидкое на жидкое»,используя Ст 35 + сталь 60Х15К2 M2Л. Применение в качестве плакирующего слоя стали 60X15K2M2Л в 5 – 6 раз повышает стойкость к коррозионно-абразивному износу.Монометаллические трубы и втулки в химической, нефтяной, горнодобывающей и металлургической промышленности, в судостроении и других областях техники не удовлетворяют современным требованиям, так как имеют недостаточный ресурс работы в экстремальных условиях, поэтому все большее применение находят биметаллические заготовки[27, 28, 35-37].
Традиционные способы получения биметалла (гильзование, наплавка, нанесение защитных покрытий и др.) весьма трудоемки и малопроизводи-тельны. Новые перспективы расширения применения литых слоистых композиционных материалов открывает технология центробежного литья.Используемый для втулок цилиндров судовых двигателей серый чугун обладает высокой износостойкостью, хорошими литейными свойствами, низкой себестоимостью, однако вследствие низкой кавитационно-коррозионной стойкости втулки из этого материала имеют ограниченный ресурс работы (15 – 20 тыс. ч). Применение втулок, изготовленных из слоистого композита сталь + чугун, позволяет повысить кавитационно-коррозионную стойкость со стороны поверхности охлаждения при сохранении высокой износостойкости со стороны рабочей внутренней поверхности и одновременно увеличить конструкционную прочность. Для получения заданных геометрических параметров биметаллических втулок, снижения напряжений в переходной зоне и в литой заготовке в ИПЛ АН Украины разработан способ последовательной заливки металлов в изложницу центробежной машины. Первоначально в изложницу заливают 90 – 95 % порции стали, а по достижении на свободной поверхности температурысолидусастали заливают остаток порции жидкой стали. После чего с противоположного торца изложницы заливают чугун. Такая технология заливки обеспечивает получение максимальной прочности соединения слоев металла. Кроме того, для высококачественного сваривания слоев от начала до конца заливки дозируют на струю металла наружного слоя флюс системы CaF₂-CaO-SiO₂-Al₂O₃-MgO (в количестве 0,4-0,6 % массы стали). Промышленные испытания биметаллических втулок на судовых дизелях 6Д50М, 8NVД48 показали повышение износостойкости в 2 раза, кавитационно-коррозионной стойкости в 6-10 раз, конструкционной прочности в 2-4 раза по сравнению с изделиями, серийно выпускаемыми отечественными и зарубежными дизеле-строительными заводами и фирмами[27, 28, 35-37]. Экономическая эффективность применения биметаллов обусловлена повышением эксплуатационной стойкости втулок, обеспечивающей не только значительное сокращение расхода деталей и запчастей, но, самое главное, уменьшение вынужденных простоев судов на внеплановых ремонтах[27,28, 35-42].
В качестве основного слоя износостойких слоистых композитов используются обычно малоуглеродистые стали с содержанием 0,05 –0,5% С, а в качестве плакирующего слоя – стали и сплавы с высокой стойкостью против абразивного износа; инструментальные стали с содержанием 0,6 –1,3 % С, легированные инструментальные и карбидные стали типа 6ХС; 9Х5В; 65Г; Х6Ф;Х12М; износостойкие чугуны и цветные сплавы.Износостойкие биметаллы получаются с помощью различных методов литья и другими жидко- и твердофазными способами: литейным плакированием, пакетной прокаткой, сваркой взрывом, наплавкой и др.[27,28, 35-42].
Литейные технологии, и особенно непрерывная и полунепрерывная разливка, являются одними из наиболее перспективных методов производства заготовок из слоистых износостойких композитов, так как характеризуются высокой производительностью и наименьшим расходным коэффициентом металла по сравнению с пакетной прокаткой и сваркой взрывом[27,28, 35-42].Трехслойная композиция «Ст 60 + сталь 10 + Ст 60» получила применение для изготовления отвалов плугов с соотношением толщин с 1:1:1.Другой износостойкий материал предназначен для лемехов и представляет собой фасонный профиль в виде сдвоенного клина с общей толщиной 4 –12 и шириной 220 мм. Толщина твердого слоя, выполненного из стали Х6Ф1 с содержанием 1,5 %С, 6,0 % Cr, 1 % V, составляет 23 –30 % общей толщины биметалла. Биметаллы применяются для изготовления культиваторных дисков, дисков лущильников, борон, плоскорезов и других деталей сельхозтехники[27,28, 35-42].
В НПО «Тулачермет» (РФ) разработаны технологии непрерывного литья биметаллов на машине непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) или на установке непрерывной разливки стали (УНРС) по двум схемам. По системе жидкая сталь – жидкая разливка схема осуществлялась с помощью двух кристаллизаторов, расположенных один над другим в вертикальной плоскости: верхний – для формирования основного металла, а нижний – плакирующего. В процессе разливки слиток основного металла со сформировавшейся поверхностью твердой корочки погружается в нижний кристаллизатор, куда заливается плакирующий металл. По второй схеме жидким металлом заливается твердая вставка, устанавливаемая в кристаллизатор. Полученные заготовки отличались хорошим качеством: равномерной мелкозернистой структурой стали основного и плакирующего слоев и бездефектной границей сплавления, что гарантирует получение высоких механических свойств. Непрерывно-литые биметаллические заготовки (145 х 145 мм) из композиций «сталь 50 + ШХ15», «сталь Х18Н10Т + Ст 3» и другие прокатывались в лист толщиной 7 мм и прокат различного сечения. При этом расходный коэффициент был снижен по сравнению с расходным коэффициентом по действующей технологии на 30 %[27,28, 35-42]. Эксплуатационные испытания биметаллических отвалов плугов показали увеличение их стойкости в результате применения в качестве плакирующего слоя вместо стали 60 сталей 85 и ШХ4 в 2 –2,5 раза. Разработанная технология для реализации в промышленных масштабах не требует больших капиталовложений и внедряется в производство широкой номенклатуры изделий (Россия) [27,28, 35-42].Разработаны технологические схемы и конструкции установок методом полунепрерывного литья при вытягивании слитка из кристаллизатора вверх. При формировании биметаллической заготовки вначале формируется наружный слой заданной толщины, затем жидкая фаза удаляется из центральной зоны слитка, а в образовавшуюся полость подается второй металл, из которого формируется внутренний слой.В связи с развитием технологии непрерывной разливки стали чрезвычайно актуальной остается проблема повышения эксплуатационной стойкости кристаллизаторов МНЛЗ. В качестве материала рабочих стенок кристаллизаторов используется горячекатаная раскисленная медь, легированная серебром или подвергнутая дисперсионному твердению. Чем чище медь, тем выше ее теплопроводность и ниже твердость, поэтому медные плиты (стенки) кристаллизатора быстро истираются. При непрерывной разливке стали температура на внутренней поверхности достигает 250°С, а на охлаждаемой водой 50-60 °С. Большой градиент температур в сравнительно тонкой стенке кристаллизатора приводит к выгибанию (вспучиванию) медной плиты и возникновению деформации[27,28, 35-43].
В последние годы на предприятиях"OldsМodile" (США), "ТойоКоуе Хиросима" и "Рейкин пистон оф Токио" (Япония), «Уралмаш» (Россия), ПО "Минский тракторный завод" (Белоруссия) и др. применяются литые матрицы ивставные элементы штампов, причем производственные испытания этих вставок показали, что их стойкость в 1,5 – 1,9 раза выше, чем кованых из этой же стали, а трудоемкость их изготовления в 1,5 – 3 раза снижается по сравнению с кованымно точность получения требуемых размеров штампов очень низкая [27, 28, 44 - 48].
Фирмы Англии применяют литой штамповый инструмент из стали состава: 0,2-0,3% C; 1,5-2,0% Мо; 4,5-5% Cr; 0,8-1% W; 0,2-0,25% V. При этом стойкость литого инструмента по сравнению со стойкостью кованого инструмента удвоилась, но точность получения требуемых размеров литого инструмента очень низкая [27, 28, 45, 48].
Первые упоминания о применении литого кузнечного инструмента относятся к 1934 г., когда были опубликованы сведения об использовании литых бойков из хромомолибденовых сталей [27, 28, 48].
В 1945-1948 гг. на заводе "Красное Сормово" проводили эксперименты по получению литых штамповых кубиков. Полученные литьем кубики показали хорошие эксплуатационные характеристики, но эта технология недостаточно была изучена [27, 28, 44-48].
В работахНоскова [13, 15, 27, 28, 48],вначале 50-х годов, также отмечалась эффективность использования литых штампов для горячей штамповки. Однако несовершенство технологии изготовления литых штампов, недостаточная изученность особенностей эксплуатации и повреждения штампов явились причинами того, что литые штампы в то время не нашли применения на предприятиях.
Определенным толчком к решению этой проблемы послужилоиспользование более прогрессивной, по сравнению с отливкой в земляные формы, технологии изготовления литых штампов-литьяв керамические формы (Метод Шоу). Эти работы, выполненные в Белорусском политехническом институтеи на другихпредприятиях, с большей наглядностью продемонстрировали потенциальные возможности литого инструмента. При получении литого штампового инструмента используется литье в песчаные и керамические формы, изготовляемые из термореактивных и холодно–твердеющихсмесей, а также по выплавляемым моделям, описание которых дано в работах [49-53 ]. Недостатками этого метода при применении металлов, является их полная не эстетичность и аллергические реакции, действующие на организм человека.
В настоящее время получил широкое распространение способлитья в керамические формы по постоянным моделям (Метод Шоу)[43, 50 - 53].
В.Н.Иванов и Т.М.Зарецкая [53] применяли керамическую массу,состоящую из гидролизованного раствора этилсиликата, огнеупорногонаполнителя КП-1 и триэтаноламина. После заливки металла для предотвращения от окисления и обезуглероживания рекомендуется охладить его в нейтральной среде (аргон, азот), недостатком этого метода является применение несколькихвредных токсичных веществ.
В НИИ Автопроме (Россия) разработан способ литья штампов в формы, изготовленные из термореактивной смеси [54, 55], недостатками которого являются: высокая стоимость смесей, выделение вредных паров и газов из смесей при изготовлении и заливке форм.
Принципиально новый способ изготовления отливок в разовыхпесчаных формах без связующих материалов с использованием вакуумаи синтетической пленки был разработан в Японии. Его технологическиеособенности описаны в работах [56, 57], недостаткомявляется не точное получение размеров будущих отливок.
Слоистые композиты весьма перспективны для изготовления двухслойных штампов горячего деформирования металла. Сочетая материалы с различными свойствами, изменяя соотношение толщин и взаимное расположение слоев, можно целенаправленно изменять свойства штамповых заготовок; представляется возможным экономить дефицитные и дорогостоящие легированные стали, при этом одновременно улучшать качество изделий, повышать их надежность и работоспособность. Двухслойные заготовки и штампы получают с помощью следующих пяти способов: электрошлаковой сваркой; наплавкой; горячей пластической деформацией; сваркой взрывом; литьем с применением электрошлакового обогрева (ЭШО). Наибольшие преимущества, с точки зрения технологических возможностей, имеет метод с использованием ЭШО, разработанный ИЭС им. Е. О. Патона АН Украины в содружестве с ПО «Азовмаш»: последовательной заливкой двух жидких сплавов; заливкой жидкого металла в форму с твердой заготовкой[45 - 57]. Недостатком этого метода является неполное знание особенностей структуры и свойств современных штамповых сталей в литом состоянии в их взаимосвязи с эксплуатационной долговечностью штампов.
При конструировании биметаллических молотовых штампов следует учитывать следующие факторы: минимально допустимую высоту, до которой возможно понижение штампа при восстановлении его механической обработкой; степень сложности штампуемых деталей (ГОСТ 7505—74) и преобладающий вид износа. С учетом указанных положений рекомендуются следующие соотношения: при штамповке деталей сложности С2 и С3 - 40 % сталь 5ХНМ + 60 сталь 45; при штамповке деталей сложности C1 - 30 % сталь 5ХНМ + 70 % сталь 45. При конструировании прессовых штампов решающее значение имеет сложность штамповок, так как эти штампы механической обработкой не восстанавливаются: для деталей сложности Cl достаточна толщина рабочего слоя 25 %; для деталей сложности С2, С3 - до 40%. Проведенные автором, исследования структуры и свойств металла литых двухслойных (сталь 45 + сталь 5ХНМ) штамповых кубиков, показали, что биметаллические заготовки по качеству не уступают кованому монометаллу[50 - 64]. При соблюдении оптимальных режимов литья и ЭШО литая сталь имеет однородную дисперсную структуру, между слоями образуется четкая чистая граница без видимых дефектов и скоплений неметаллических включений, что обеспечивает совершенное соединение слоев и достаточно высокие механические свойства металла биметаллического штампового кубика. По эксплуатационным и специальным свойствам в рабочем интервале температур 350-550 °C литой металл ЭШО имеет определенные преимущества. Из двухслойных (40 % сталь 5ХНМ + 60 % сталь 45) кубиков изготовлялись молотовые (0,8 х 0,62 х 0,7 м) и прессовые штампы (0,38 х 0,28 х 0,42 м), которые проходили термическую обработку по режиму: закалка с 880 °C в масло, объемный отпуск молотовых штампов при температуре 470 °С; прессовых–420 °С. Твердость по рабочей части молотовых штампов составляла HB341–387; в прессовых–HB 368 – 415. Испытания штампов проводились в условиях кузнечно-прессового цеха ПО «Азовмаш» методом статистического контроля. Износ штампа оценивался по выходу штамповок из полей допусков. Стойкость штампов определялась по количеству снятых штамповок с требуемыми размерами[56 - 60].
Дальнейшее увеличение стойкости литых биметаллических штампов возможно путем армирования. ИПЛАН Украины совместно ПО «Азовмаш» разработана технология армирования двухслойных штампов ЭШО. Оптимальное армирование нерасплавляющимися вставками обеспечивает сокращение времени и изменение характера затвердевания штамповых заготовок, эффективное воздействие на формирование кристаллической структуры, а также значительное снижение уровня напряжений по сечению штампа в процессе его эксплуатации. Промышленное испытание партии литых штампов в ПО «Азовмаш» показало, что армирование позволяет увеличить ресурс работы биметаллических штампов в 1,3 – 1,5 раза[56 - 60]. Недостатком этого метода является высокая стоимость оснастки.
Применение биметаллов позволяет решить важную экономическую задачу массового восстановления изношенных металлоемких деталей ходовых систем тракторов и других сельхозмашин: опорных катков, поддерживающих роликов, траков, пальцев, звездочек и др. деталей. С точки зрения экономии металла, увеличения ресурса работы машин после восстановления деталей, сокращения ремонтов и производства запчастей важное значение имеет наплавка изношенных деталей износостойкими материалами с использованием в качестве шихтовых составляющих металлическихотходов, применение высокопроизводительного наплавочного оборудования, реализующего в автоматическом режиме процесс «жидкое на твердое».
При производстве синтетического каучука на современных высокопроизводительных агрегатах повышенные требования предъявляют к шнекам экспандеров, работающих в условиях интенсивного коррозионного и абразивного износа, высоких механических нагрузок. Для повышения износостойкости в ИПЛ АН Украины разработана технология изготовления литых биметаллических шнеков с рабочим слоем из высокоизносостойких сплавов методом заливки плакирующего металла на твердую заготовку под слоем кислорода непроницаемого покрытия[53 - 63].
Основа биметалла – нержавеющая сталь, рабочий слой – сплав на основе кобальта. Формирование сложного профиля детали осуществляется с использованием приемов литья по газифицируемым моделям. Толщина слоя из износостойкого сплава выбираетсяисходя из допустимого износа шнеков. Твердость рабочего слоя 38 –40 HRC. Внедрение технологического процесса изготовления биметаллическихшнеков наПО «Нижнекамскнефтехим»
позволило повысить ресурс работы до 10 –12 тыс. ч, что в 1,8 –2 раза превышает ресурс работы шнеков, наплавленных электродами; увеличить производительность изготовления в 5 - 6 раз; снизить стоимость биметаллических деталей в 2,0 –2,5 раза; сократить затраты на ремонт линии по производству каучука в 1,8 –2 раза.Приведенные примеры не исчерпывают все возможные области эффективного применения литых слоистых композиционных материалов, однако однозначно свидетельствуют о больших перспективах использования этих новых материалов в различных областях техники[53 - 63].
Все перечисленные выше способы имеют следующие, кроме персональных,общие недостатки:
-высокая трудоемкость и энергоемкость подготовительного периода;
-большое количество токсичных выделений из керамических, термореактивных и холодно-твердеющих смесей.
Кроме того, при использовании этих способов в создании биметаллических композиций диссертант встретился с трудностями технологического порядка.
Таким образом, анализ научно-технической и патентной литературы показывает, что наиболее актуальным и перспективным в плане получения МСК и получения изделий на их основе является метод литья по газифицируемым моделям [50, 51 - 65]. Применение этого метода с использованием МСК позволит разработать научные основы производства и термической обработки металлических слоистых композиций, что и является одной из задач, решаемых в настоящей диссертационной работе.