ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

            Результат выполнения НИР

В зависимости от конструкции отливки и свойств литейной формы ли­нейная усадка всегда в какой-то степени является механически или термически заторможенной. Вследствие этого величины усадки в различных частях отливки могут быть значительно меньше свободной линейной усадки. В этих местах отливка оказывается деформированной.

Опасна локализация деформаций в "слабых" местах отливки, которыми могут быть скопления неметаллических включений, горячие узлы отливки, места концентрации напряжений, связанных с конструкцией отливки, участки местного разогрева, вызванного условиями теплоотвода, и т.п. Торможение линейной усадки и локализация деформаций могут приводить к образованию горячих трещин.

В данной работе представлены результаты исследования изменения внутреннего строения и механических свойств сталей 25Л, 45Л и 35ГЛ в зависимости от степени деформации отливки при торможении линейной усадки, когда отсутствуют видимые нарушения сплошности металла. В работе использована новая методика принудительного нагружения образцов, имитирующих плоские конструктивные элементы тонкостенных отливок, толщиной 0,02 м, высотой 0,15 м и длиной от 0,3 до 0,7 м. На образцах были определены величина свободной линейной усадки и напряжения, возникающие при степени торможения усадки до максимально возможной в эксперименте величины 90%. Методика позволила выявить условия образования горячих трещин в стальных отливках, их деформационную способность до момента макроразрушения и прочностные свойства стали в температурном интервале хрупкости.

При проведении работы были выявлены особенности затвердевания тонкостенных стальных отливок. Кривые охлаждения опытной отливки из стали 25Л приведены на рис.1.

Рис. 1. Сопоставление кривых охлаждения в центре (1)

и в поверхностном слое (2) плоской отливки с линейной усадкой стали

в области высоких температур (3)

Вид кривой охлаждения центра отливки соответствует теории фазовых переходов и правилу фаз. На кривой охлаждения зафиксирована площадка перитектического превращения и перегиб при температуре солидуса. Точно определить температуру ликвидуса по перегибу на кривой охлаждения затруднительно и ее рассчитали по формуле:

Т_l=1539-(%С•65+%mn•5+%si•12+%Р•З0+%s•25), °С.

Результаты определения температур фазовых переходов дали следующие величины:

Т_l=1512°С, Т_перит=1480°С, Т_s=1455°С,

Видно, что фактические температуры фазовых превращений находятся значительно ниже равновесных температур, установленных по диаграмме состояния fe-fe₃С, особенно температура солидуса.

Перегибы на кривой охлаждения в поверхностном слое отливки по времени совпадают с перегибами на кривой охлаждения центра, но отсутствует площадка перитектического превращения. Перепад температур в по­верхностном слое отливки от начала до полного затвердевания всей отливки составляет примерно 25°С.

Сопоставление кривой линейной усадки с кривыми охлаждения пока­зывает, что сразу же после заливки происходит предусадочное расширение и только через 30с начинается линейная усадка.

Формирование корочки на поверхности отливки происходит очень быстро. Методом выливания жидкого остатка установили, что уже через 3-5 с после заливки толщина корочки составила 2-3 мм. При ее формировании и происходит предусадочное расширение, основной причиной которого, по-видимому, является расширение при нагреве формовочной смеси, находящейся в контакте с поверхностью отливки. По мере роста затвердевшего слоя отливки температура в поверхностном слое изменяется незначительно. В этом случае линейная усадка связана с формированием первичной структуры отливки.

Путем активного разрушения опытных отливок при разных температурах для стали 25Л установили температурный интервал хрупкости, который составил 1480-1350°С. В этом интервале температур разрушение стали происходит хрупко при напряжениях, равных пределу упругости.

Температура нижнего порога зоны хрупкости значительно ниже солидуса исследуемой стали. Это свидетельствует о том, что межзеренная прочность формируется и после окончания кристаллизации. Она зависит от количества примесных атомов в межграничной зоне, концентрации вакансий, величины угла разориентировки зерен, наличия неметаллических включений.

Процессы образования и развития горячих трещин проходят следую­щие периоды: подготовительный (инкубационный) - под действием упругих напряжений происходит сток вакансий на границы зерен и образование микропор; слияние микропор и образование микротрещин; развитие микротрещин и образование магистральной макротрещины. Эти процессы происходят в интервале температур с течением времени. В зависимости от степени лока­лизации деформаций при торможении линейной усадки образование и развитие трещины может остановиться на любой из перечисленных стадий.

Установлено, что возникающие деформации и напряжения при торможении линейной усадки отливок во всем температурном интервале хрупкости 1480-1350°С меньше значений деформационной способности стали в упругом состоянии и ее предела упругости. В состоянии упругости в поликристаллических телах перераспределение напряжений (переход в равновесное состояние) и выравнивание их значений в объеме отливки из-за наличия дефектов кристаллической решетки затруднено. Поэтому во всех случаях на границах зерен у неметаллических включений возникают микронапряжения.

Из деформированных зон опытных отливок были изготовлены образцы для проведения механических испытаний на растяжение и удар. Результаты испытаний в виде гистограмм показаны на рис. 2.

Рис. 2. Влияние степени деформации отливок при торможении линейной усадки на пластические свойства и ударную вязкость различных марок литейных сталей.

Как показали испытания, торможение линейной усадки отливок даже без образования горячих трещин существенно снижает пластические свойства и ударную вязкость сталей. В образцах, вырезанных из деформированных зон отливок, по границам зерен были обнаружены скопления микропор, которые в некоторых местах образовали цепочки и перерастали в полосы сдвига. По-видимому, под действием напряжений на начальных стадиях дефор­мации даже в упругом состоянии происходил диффузионный сдвиг вакансий на границы зерен.

Микротрещины в виде "блесток" по границам зерен были обнаружены и при фрактографическом анализе поверхности изломов образцов. Блестки наблюдались у всех исследуемых образцов, но их количество, размеры и вид поверхности были различными. Глазурированный вид некоторых блесток, подобный обнаруженному на поверхности горячих трещин, свидетельствует о том, что возникли они по жидким прослойкам на границах зерен. С увеличением напряжений в процессе охлаждения образцов происходит слияние микротрещин и их рост. В изломе появляются крупные блестки. Зарождение и развитие микротрещин значительно облегчается при выделении по границам зерен сульфидных включений пленочного типа.

Результаты работы показали, что микротрещины по границам первичных кристаллов, возникшие при торможении линейной усадки отливок, представляют серьезную опасность для эксплуатационной надежности литых деталей. Снижение пластических свойств и ударной вязкости повышает склонность металла отливок к хрупкому разрушению.