3.4 Дослідження впливу технологічних факторів плавлення високолегованих сплавів на формування структури металу у виливках, виготовлених різними способами лиття

Послідовність введення легувальних елементів у розплав. Вивчено вплив послідовності введення в хромистий розплав алюмінію й титану на ливарні та механічні властивості й структуру хромоалюмінієвої сталі.

Відомо, що алюміній і титан мають високу спорідненість до кисню, тому значна їхня кількість витрачається, насамперед, на розкиснення металу. Але оксиди титану, на відміну від оксидів алюмінію, мають більші розміри, часто залишаються в металі, розташовуються на межах зерен і послаблюють їхній зв’язок, особливо при температурах можливого утворення гарячих тріщин.

Досліджено три варіанти послідовності введення титану й алюмінію в хромистий розплав (титан вводили у вигляді феротитану ФТи 35):

– у розплав, нагрітий до необхідної температури й попередньо розкиснений феромарганцем і феросиліцієм, додавали розрахункову кількість феротитану, а потім розрахункову кількість алюмінію;

– здійснювали остаточне (після феромарганцю й феросиліцію) розкиснення сталі алюмінієм у кількості 0,2% від маси металу, а потім додавали феротитан й основну кількість алюмінію;

– додавали в розкиснений феромарганцем і феросиліцієм розплав весь алюміній, а потім розрахункову кількість феротитану.

Введення феротитану й алюмінію в хромистий розплав здійснювали при температурі – 1600+10°С. Інтервал між введенням компонентів, а також між введенням останнього компонента й випусканням металу з печі становив 3 хв.

Хімічний склад досліджених сталей показано в табл. 3.3, а структуру металу – на рис. 3.27.

Таблиця 3.3 – Хімічний склад досліджених сталей

Індекс плавки	Хімічний склад, %
	C	Cr	Ti	Al	Si	Mn	P	S
1	0,32	29,6	0,28	1,58	0,54	0,34	0,018	0,021
2	0,31	30,4	0,27	1,52	0,68	0,35	0,018	0,021
3	0,34	29,9	0,31	1,68	0,65	0,35	0,018	0,021

Дослідженнями встановлено, що найкращий комплекс ливарних і механічних властивостей має сталь, попередньо розкиснена алюмінієм перед додаванням у неї феротитану. Така послідовність введення в хромисту сталь термодинамічно активних титану й алюмінію зберігає на високому рівні практичну рідкотекучість (не менш 550 мм за спіраллю Керрі), знижує до 1,68% лінійну усадку та підвищує тріщиностійкість сталі.

Найгомогеннішу структуру має сталь, попередньо розкиснена алюмінієм, (див. рис. 3.27). Така структура забезпечує високі механічні й, особливо, експлуатаційні властивості виробів. Алюміній сприяє очищенню меж зерен, покращанню властивостей легованого хромом фериту, а титан здійснює зміцнювальну дію внаслідок утворення більшої кількості карбонітридів, які є додатковими центрами кристалізації й подрібнюють первинне зерно.

Тi + Al;	0,2% Al + Ti + Al;	Al + Ti.

Рисунок 3.27 – Структура хромоалюмінієвої сталі залежно від послідовності введення в неї титану й алюмінію (х 100)

Вплив температури перегрівання сталі на її властивості. Температура рідкого металу перед заливанням його в ливарну форму є одним з основних факторів керування технологічним процесом виготовлення якісних виливків з високими службовими характеристиками.

У зв’язку з цим вибір оптимальної температури заливання хромоалюмінієвих сталей у форми при виготовленні фасонних виливків має першочергове значення. Наприклад, для сталей із вмістом 25...32% хрому мінімальною температурою металу перед заливанням його у форми слід вважати 1580...1600°С.

Вивчено вплив температури металу перед заливанням його у форми на властивості хромоалюмінієвої сталі. Установлено, що рідкотекучість хромоалюмінієвої сталі підвищується майже пропорційно росту температури до критичної температури рідкотекучості й може бути описана рівнянням першого порядку λ = f(t °C), рис. 3.28.

а 1 – рідкотекучість; 2 – лінійна усадка; 3 – площа тріщини

б 1 – тимчасовий опір розриванню; 2 – ударна в’язкість; 3 – твердість

Рисунок 3.28 – Вплив температури перегрівання сталі 30Х30Ю2ТЛ перед заливанням її у форми на ливарні (а) і механічні (б) властивості

Вище критичної температури зростання рідкотекучості сталі проходить повільно, оскільки вона залежить від складу металу, в якому при досягненні критичної температури рідкотекучості відбуваються структурні перетворення рідини.

Для сталі 30Х30Ю2ТЛ критичною температурою рідкотекучості можна вважати 1680°С (рис. 3.28, а).

Лінійна усадка сталі із зростанням температури від 1560 до 1740°С зменшується від 1,82 до 1,35%, а тріщиностійкість її підвищується більше, ніж у 2 рази (див. рис. 3.28, а). Це можна, очевидно, пояснити подовженням передкристалізаційного періоду, під час якого метал очищається від газів, неметалевих вкраплин та інших сторонніх домішок.

Слід зазначити, що підвищення температури сприяє росту об’ємної усадки, особливо в рідкому стані та під час кристалізації.

Підвищується також кількість дефектів усадкового характеру, тому виготовлення виливків, які мають товщину стінки більше 25мм, необхідно здійснювати з обов'язковим використанням надливів або збільшенням кількості випорів.

Виготовлення якісних великогабаритних виливків з товщиною стінки до 20 мм може бути досягнуто тільки після перегрівання металу перед заливанням у форму до 1650...1680°С.

З підвищенням температури перегрівання металу погіршуються і механічні властивості (рис. 3.28, б) внаслідок утворення грубозернинної неоднорідної структури (рис. 3.29).

Із зниженням температури металу перед заливанням його у форми розміри зерен зменшуються (рис. 3.29, г, д) і механічні властивості підвищуються.

Незважаючи на легування сталі титаном, перегрівання металу сприяє зменшенню кількості активних зародків і, як наслідок, призводить до утворення крупних зерен, між якими можуть виникати міжкристалітні тріщини.

Таким чином, при виготовленні якісних тонкостінних жаростійких виробів із хромоалюмінієвих сталей, які працюють в умовах високих температур без навантажень, слід використовувати максимально можливе перегрівання металу перед заливанням у форми.

У виробничих умовах може бути використана для виготовлення тонкостінних жаростійких виробів простої конфігурації хромоалюмінієва сталь 30Х30Ю2Л без титану.

а	б
в	г
д
а – 1710°С; б – 1660°С; в – 1620°С; г – 1570°С; д – 1530°С Рисунок 3.29 – Вплив температури перегрівання металу перед заливанням його у форми на структуру сталі 30Х30Ю2ТЛ

Вплив температури перегрівання цієї сталі перед заливанням її у форми на ливарні й механічні властивості за характером залишаються таким же, як і для сталі з титаном, змінюються тільки цифрові значення характеристик. Наприклад, лінійна усадка сталі з ростом температури від 1520 до 1720°С зменшується з 2,15 до 1,70%, а тріщиностійкість підвищується більше, ніж удвічі.