Глава 19 литейные стали

19.1. Характеристика литейных сталей

В настоящее время благодаря общим успехам в литейном про­изводстве, и в частности достижениям литейного металлове­дения, в машиностроении, в том числе в специальном машино­строении, широкое применение находят стальные отливки, при­чем часто взамен поковок и штамповок.

Для изготовления стальных фасонных отливок применяют­ся литейные стали, отличительными чертами которых являют­ся удовлетворительные литейные свойства - жидкотекучесть, заполняемость, трещиноустойчивость (стойкость против обра­зования горячих трещин), склонность к образованию усадоч­ных пороков. Удовлетворительные литейные свойства стали позволяют получать сложные фасонные, часто тонкостенные отливки без дефектов - незаливов, горячих трещин, усадочных пороков.

Однако обеспечение надлежащего качества отливок - важное, но не определяющее условие разработки и применения для их из­готовления специальной группы сталей - литейных сталей.

Принципиально важной отличительной особенностью литей­ных легированных сталей по сравнению с деформируемыми явля­ется их возможность обеспечивать высокие характеристики меха­нических свойств металла отливок без использования мощного инструмента - пластической деформации металла, которая опре­деляет высокий уровень прочностных и особенно пластических свойств у деформируемых сталей. Связано это с тем, что при пла­стической деформации металла происходят существенные качест­венные изменения литой структуры: разрушаются дендриты, измельчаются первичные зерна, разрушаются неметаллические включения в объеме зерен, а также неметаллические прослойки на границах первичных зерен, устраняется межкристаллитная пористость и существенно уменьшается химическая (ликвацион- ная) неоднородность (рис. 19.1).

Учитывая это, в литейном металловедении особое внимание уделяется формированию первичной структуры металла отли­вок, т. е. той структуры, которую имеют отливки после первич­ной кристаллизации и полного затвердевания металла. Основной задачей при этом является обеспечение условий для уменьшения до минимума химической неоднородности металла в процессе его кристаллизации из жидкого состояния. В этом случае можно свести к минимуму их вредное влияние на пластичность и вяз­кость литейных сталей.

Так как при затвердевании жидкой стали преимущественно образуются кристаллы сложной формы - дендриты, то химиче­ская неоднородность (ликвация), возникающая в пределах каж­дого дендрита, будет определять химическую и соответственно структурную неоднородность всего объема затвердевающего ме­талла в отливке.

Существенное влияние на развитие процессов ликвации в от­ливках оказывают следующие факторы: температура и интервал затвердевания стали, диффузионная способность элементов состава

Рис. 19.1. Дендритная структура литейной стали 35Л:

а - шлиф; б - излом; в - излом после обжатия 10 % ; г - после обжатия 40% . х 100

стали, теплоемкость и теплопроводность стали, поверхностное натяжение и вязкость стали.

Основным фактором, обобщающим и определяющим влияние физико-химических свойств стали на ликвацию при кристалли­зации жидкого металла, является распределение химических элементов, входящих в состав стали, между твердой и жидкой фазой в период затвердевания металла отливки. Характер этого распределения определяется коэффициентом распределения

к = с₇/с_я

и коэффициентом ликвации

[1 -К1-(С_Я-С_Т)/С_Я,

где С_т - концентрация элемента в твердой фазе в данный момент времени затвердевания металла отливки; С_ж - концентрация элемента в жидкой фазе перед затвердеванием металла.

Значения коэффициентов распределения в двойных сплавах на основе железа важнейших элементов с учетом их расположения в периодической системе Д. И. Менделеева показаны на рис. 19.2.

В	С	N	0
<0,1	0,1 в	0,3	0,02
А1	Si	р	5
0,5	0,6	о, и	<0,1

Ti 0,5	V 0,9	Сг 0,95	Мп ОМ	Fe Со 1 0,9	Ni 0,8	Си 0,65	Zn ~0,3	Се ~0,5	AS "0,25
Zr -v0,5	Nb 0,18	МО 0,6						5п ~0,5	Sb ~0,b
Hf "0,25	та г0,33	W 0,95

Рис. 19.2. Равновесные коэффициенты распределения важнейших элементов в двойных сплавах на основе железа с учетом их расположения в периодической системе

Зависимость развития дендритной ликвации в стали от коэффи­циентов распределения вводимых в ее состав элементов (рис. 19.3) указывает на то, что чем меньше коэффициент распределения до­бавки в сталь, тем сильнее выражена неоднородность ее распреде­ления в структуре и тем интенсивнее она накапливается по гра­ницам зерен.

Коэффициент распределения в значительной степени зависит от растворимости добавляемого элемента. С понижением раство­римости добавки уменьшается абсолютное значение коэффициен­та распределения и более интенсивным становится его воздействие на развитие дендритной ликвации в отливках. Наоборот, большая растворимость добавляемого элемента в твердом состоянии - необходимое условие для более равномерного распределения его в структуре стали.

Для появления дендритной формы кристаллов в железе и стали

и соответственно для проявления дендритной ликвации необходимо, чтобы количество легирующих эле­ментов с большой растворимостью (Сг, Ni, Мп, Мо, W и др.) было выше 1 % (мае.), а для элементов с малой растворимостью (С, Р и др.) достаточно их содержание 0,2 % (мае.).

Рис. 19.3. Зависимость развития дендритной ликвации в стали от коэффициентов распре-

0. 0,2 0,4 e,S О,в 1 со деления элементов в железе

Однако на развитие дендритной ликвации различных составов сталей, представляющих собой многокомпонентные системы, ока­зывает влияние характер взаимодействия компонентов сталей друг с другом.

Так, с увеличением содержания углерода в стали микронеод­нородность состава по хрому, марганцу, кремнию и особенно по молибдену повышается, а по никелю уменьшается (рис. 19.4). Медь в углеродистых сталях ликвирует так же, как и никель.

Значительное влияние на ликвацию в стали оказывает содер­жание добавки. Так, при увеличении содержания молибдена в стали с 0,18 до 0,6 % коэффициент его ликвации К уменьшается от 7 до 1,8.

Кремний усиливает ликвацию фосфора в стали и способствует появлению дендритной эвтектики в ее структуре.

Ликвация углерода в сталях определяется характером его взаимодействия с элементами, входящими в состав стали. Эле­менты, сильно понижающие активность углерода (W, Мо, Cr, V, Ti, Nb и др.), вызывают усиление неоднородности его распределе­ния. Элементы, повышающие активность углерода (Си, Ni, Со, Si и др.), мало изменяют характер его распределения при затверде­вании - углерод сосредоточивается в основном в дефектных мес­тах кристаллической структуры.

Рис. 19.4. Влияние содержания углерода на ликвацию хрома, марганца, крем- ния, никеля и молибдена в железе

0,1 0,2 0,3 0,0 G,% 0,1 0,2 0,3 0,0 С,%

Таким образом, при изготовлении стальных отливок в них не­избежно развивается дендритная ликвация металла, степень раз­вития которой во многом зависит от состава литейной стали. По­этому степень развития ликвации и остаточные явления, связан­ные с ней, можно в известной степени регулировать. Во-первых, целесообразно, по мере возможности, ограничивать содержание углерода в сталях. Во-вторых, следует в минимальном количест­ве вводить в сталь элементы, образующие стойкие химические

соединения (например, карбиды, нитриды), так как эти элементы ликвируют сильнее остальных элементов. В-третьих, в стали, в которых неизбежно присутствуют сильно ликвирующие элемен­ты, необходимо вводить дополнительные элементы, которые бу­дут уменьшать дендритную ликвацию в металле (например, Ni, Si и др.).

Обеспечение минимальной величины дендритной ликвации и структурной неоднородности в литейных сталях за счет оптими­зации их химического состава позволяет получать у этих сталей высокие значения не только прочностных свойств, но и пластич­ности и вязкости без использования пластической деформации, т. е. в литом состоянии (после соответствующей термообработки).

2. КЛАССИФИКАЦИЯ И МАРКИРОВКА ЛИТЕЙНЫХ СТАЛЕЙ

В машиностроении для изготовления стального фасонного ли­тья в соответствии с ГОСТ 977-88 применяются три группы ли­тейных сталей: нелегированные (углеродистые,), конструкционные легированные и легированные со специальными свойствами.

Углеродистые литейные стали обозначаются так: 15...55Л, где цифры указывают содержание углерода в сотых долях процента, а буква JI указывает на принадлежность к литейным сталям. В этих сталях, как правило, содержится марганец в количестве 0,3- 0,9 % и кремний в количестве 0,2-0,52 %. Хром, никель и медь допускаются в этих сталях в количестве не более 0,3 % каждого. Содержание серы и фосфора ограничивается значениями 0,45 и 0,04 % соответственно.

Углеродистые литейные стали применяются обычно в норма­лизованном, нормализованном и отпущенном состоянии, в улуч­шенном состоянии и после нормализации, закалки и высокого отпуска. В последнем случае нормализация выполняет роль пред­варительной термообработки, целью которой является подготовка литой структуры для окончательной термической обработки.

Легированные литейные стали маркируются аналогично де­формируемым конструкционным сталям, за исключением того, что в конце литейной марки стоит буква Л вместо А, Ш, ВД. На­пример, сталь ЗОХГСЛ аналогична деформируемой стали 30ХГСА.

В группу конструкционных легированных литейных сталей вхо­дят марганцовистые (например, 35ГЛ), марганцекремнистые (на­пример, 20ГСЛ), хромистые (например, 40ХЛ), хромоникелевые (на­пример, 35ХНЛ), хромомарганцекремнистые (например, ЗОХГСЛ), хромомарганцекремнистованадиевые (например, 23ХГС2МФЛ) и так называемые медистые стали (например, 08ГДНФЛ и 12ДН2ФЛ), в которые дополнительно специально введена медь (Д) для обеспе­чения эффекта дисперсионного упрочнения стали.

Для удобства выбора легированных литейных сталей с целью изготовления конкретных стальных отливок с заданным уровнем характеристик механических свойств все они разбиты на группы в соответствии с обеспечиваемой ими величиной предела текуче­сти а_0>2, категорией прочности, и соответственно после нормали­зации и отпуска обозначаются буквой К, а после закалки и отпус­ка - буквами КТ.

В соответствии с этим все легированные литейные стали разде­лены на две группы: стали, обеспечивающие категории прочности К в пределах от К-25 до К-55, и стали, обеспечивающие категории прочности КТ в пределах от КТ-35 до КТ-120. Причем одни и те же стали могут входить в обе эти группы. Например, сталь 08ГДНФЛ может обеспечивать категорию прочности К-30 и КТ-40.

В разработанных в 80-е годы XX века литейных высокопроч­ных экономнолегированных сталях, входящих в ГОСТ 977-88 (например, 17Х7ГЗСМЛ, 23ХГС2МФЛ, 25Х2ГНМЛ, 17Х5Г5С2МЛи ЗОХЗСЗГМЛ), реализованы принципы, изложенные в разд. 19.1. Благодаря этому, в них удалось получить наряду с высоким уров­нем прочностных свойств также высокие значения пластичности и вязкости, которые сравнимы с аналогичными значениями де­формируемых сталей. Это позволило перейти на изготовление многих ответственных нагруженных деталей с ковано-штампо­ванного варианта на литейный.

Высоколегированные литейные стали со специальными свой­ствами маркируются аналогично деформируемым, но с добавле­нием буквы Л. Например, сталь 10Х18Н9Л, 12Х18Н9ТЛ (анало­гичные деформируемые стали 10Х18Н9, 12Х18Н9Т).

В эту группу сталей входят коррозионностойкие стали 20Х13Л, 10Х18Н9Л, 12Х18Н9ТЛ и др.; жаростойкие и жаро­прочные стали 20Х20Н14С2Л, 20Х25Н19С2Л, 40Х24Н12СЛ и др.; износостойкая сталь 110Г13Л.

2. ОСОБЕННОСТИ ТЕРМООБРАБОТКИ ЛИТЕЙНЫХ СТАЛЕЙ

Литейные стали, так же как и деформируемые, применяются после соответствующей термической обработки, обеспечивающей получение требуемого уровня характеристик механических свойств.

Однако, если у деформируемых сталей окончательная терми­ческая обработка, как правило, оказывается эффективным сред­ством управления свойствами стали, то в литейных сталях неред­ко наследственное влияние первичной структуры стали (особенно первичных границ зерен и химической неоднородности), которая уменьшает эффективность окончательной термической обработки. Это связано с тем, что несмотря на получаемую после окончательной

Рис. 19.5. Границы первичных зерен на фоне вторичной (термообработан­ной) структуры литейных сталей

термообработки мелкозерни­стую структуру литейной ста­ли, разрушение испытуемого образца или изделия из нее бу­дет происходить по границам первичных зерен, на которых даже после термообработки часто сохраняются сегрегации углерода и других охрупчи- вающих примесей (рис. 19.5).

Учитывая особенности ли­той структуры литейных ста­лей, для них, как правило, ре­комендуется применять нагрев отливок при термообработке до более высоких температур в сравне­нии с температурами нагрева аналогичных деформируемых сталей.

Кроме того, при изготовлении литых нагруженных деталей, работающих в условиях ударного и циклического нагружения, ре­комендуется перед окончательной термической обработкой (закал­ка и отпуск, нормализация и отпуск) проводить предварительную термообработку (нормализация или закалка) с нагревом до темпе­ратур на 30 50 "С выше, чем при проведении окончательной термо­обработки. Это позволяет лучше подготовить литую структуру для более эффективного влияния на нее окончательной термообработки.

Термообработка однофазных литейных сталей (ферритных и аустенитных), так же как аналогичных деформируемых сталей, заключается в высокотемпературном нагреве сталей для полного растворения избыточных фаз и получения однородной гомогенной структуры и в последующей закалке с фиксацией этой структуры при комнатной температуре. Температура нагрева литейных ста­лей в этом случае, как правило, выше температур нагрева дефор­мируемых сталей.

При необходимости для некоторых сталей после закалки про­водится старение (высокий отпуск) для обеспечения необходимого упрочнения матрицы за счет выделения упрочняющих фаз (кар­биды, интерметаллиды и др.).