- •Теоретичні і технологічні принципи розроблення новітніх сплавів із спеціальними властивостями для виробництва деталей різними способами лиття
- •Реферат
- •Перелік умовних позначень, символів, одиниць, скорочень і термінів
- •1 Аналіз умов експлуатації жаростійких, жароміцних, корозійностійких і зносостійких деталей у різних галузях промисловості
- •1.1. Аналіз умов експлуатації жаростійких деталей
- •1.2 Матеріали для виготовлення жаростійких деталей та їх властивості
- •1.3 Матеріали для виготовлення жароміцних і корозійностійких деталей та їх властивості
- •1.4 Характеристика умов експлуатації матеріалів у гідроабразивному середовищі
- •1.5 Матеріали для виготовлення зносостійких литих деталей
- •1.6 Характеристика формувальних та стрижневих сумішей
- •1. 7 Термомеханічне оброблення металів
- •1.8 Загальна характеристика спеціальних способів лиття.
- •1.9 Висновки та постановка завдання дослідження
- •2 Методика дослідження
- •2.1 Матеріали, використані для виплавляння жаростійких, жароміцних й зносостійких сталей і зносостійких чавунів
- •2.2 Проведення експериментальних плавок
- •2.3 Визначення ливарних властивостей
- •2.4 Дослідження механічних властивостей
- •2.5 Дослідження спеціальних властивостей сталей
- •2.6 Визначення механічних властивостей жаростійких і жароміцних сталей за високих температур
- •2.7 Визначення параметрів термомеханічного оброблення хромоалюмінієвої сталі
- •2.8 Визначення зносостійкості сплавів в умовах гідроабразивного зносу
- •2.9 Методика визначення властивостей формувальних і стрижневих сумішей
- •3 Визначення оптимального хімічного складу жаростійких хромоалюмінієвих сталей для виготовлення виливків різними способами лиття
- •3.1 Оптимізація хімічного складу хромоалюмінієвих сталей для виготовлення виливків різними способами лиття
- •3.1.1 Дослідження ливарних властивостей хромоалюмінієвих сталей
- •3.1.2 Дослідження механічних властивостей хромоалюмінієвих сталей
- •3.1.3 Дослідження окалиностійкості хромоалюмінієвих сталей
- •3.2 Визначення механічних властивостей хромоалюмінієвої сталі за високих температур
- •3.3 Визначення параметрів термомеханічного оброблення хромоалюмінієвої сталі скорегованого хімічного складу
- •3.4 Дослідження впливу технологічних факторів плавлення високолегованих сплавів на формування структури металу у виливках, виготовлених різними способами лиття
- •3.5 Визначення оптимального складу зносостійкого білого чавуну
- •3.6 Дослідження властивостей стрижневих сумішей
- •4 Мікролегування і модифікування рекомендованих сплавів на основі заліза для виготовлення виливків різними способами лиття
- •4.1 Мікролегування і модифікування жаростійких хромоалюмінієвих сталей для виробництва виливків різними способами лиття
- •4.2 Вибір та обґрунтування оптимального складу жаростійких сталей та зносостійкого чавуну для виготовлення литих деталей різними способами лиття
- •5 Розроблення, апробація і впровадження у виробництво технологічних процесів виготовлення литих деталей із рекомендованих сплавів різними способами лиття
- •5.1 Технології виготовлення великогабаритних жаростійких виливків у разових піщаних формах
- •5.2 Виготовлення литих деталей литтям за витоплюваними моделями
- •5.3 Виготовлення виливків із високомарганцевих сталей
- •Висновки
- •Рекомендації
- •Перелік посилань
- •Додаток а додаток б
- •Додаток в
- •Додаток г
1.2 Матеріали для виготовлення жаростійких деталей та їх властивості
Для захисту від інтенсивного окиснювання виробів сталі необхідно легувати елементами, здатними створювати на поверхні металу захисну оксидну плівку.
Відповідно до сучасних теорій захисна плівка повинна мати шпінельну структуру й складатися або повністю з оксидів легувальних елементів, або із змішаних оксидів цих елементів і заліза, наприклад, FeCr2O3.
Проте вибір сплаву з високою окалиностійкістю є необхідною, але недостатньою умовою для забезпечення довгострокової експлуатації виготовлених з нього литих деталей.
Це пов’язане з тим, що в процесі експлуатації в умовах високих температур деталі піддаються нагріванню й охолодженню, так званим теплозмінам. Отже іншою важливою характеристикою жаростійких сплавів є їх термостійкість, тобто здатність металу чинити опір термічній утомі.
Характер руйнування виробів від термічної утоми дуже різноманітний і залежить від властивостей матеріалу й умов експлуатації деталей.
Для підвищення цих властивостей жаростійких сталей застосовують легування їх такими елементами як хром, алюміній, кремній тощо.
Хромисті сталі. Середньовуглецеві сталі із вмістом хрому до 20% практично не застосовують для виготовлення жаростійких литих деталей, оскільки вони мають необхідну окалиностійкість тільки до 850 ºС, а такі ж сплави з низьким вмістом вуглецю не можуть бути використані як матеріал для виливків через незадовільні ливарні властивості [8].
Для відносно тривалої експлуатації корисними можуть бути сплави із вмістом 20...35% хрому й 0,25...0,45% вуглецю, які можна використовувати як ливарний матеріал. Проте такі сплави мають обмежену окалиностійкість за температур вище 1000 °С.
Хром підвищує термостійкість сталей внаслідок збільшення в структурі феритної складової й зниження коефіцієнта лінійного розширення сталі, оскільки коефіцієнт лінійного розширення фериту (12...13·10–6 град–1) значно нижче, ніж аустеніту (18…20·10–6 град–1). Крім того, феритна структура сталей, легованих хромом, зменшує негативний вплив на термостійкість напружень другого роду, які виникають у матеріалі під час структурних перетворювань.
Стабілізація фериту під час нагрівання й охолодження та низький коефіцієнт лінійного розширення сприяють покращанню термостійкості феритної хромистої сталі в порівнянні із хромонікелевими сталями й сплавами на нікелевій і кобальтовій основах.
Проте, литі хромисті сталі мають істотні недоліки, які обмежують їх широке застосування для виготовлення жаростійких виливків. Великі розміри зерен і наявність карбідів можуть призвести до утворення тріщин термічної утоми на міжфазних межах через ослаблення сил зв’язку між твердим розчином і карбідами. Крім того, феритні хромисті сталі недостатньо жароміцні й мають незначний опір пластичної деформації при високих температурах.
Після нагрівання вище 850 °С феритні хромисті сталі схильні до росту зерна, що зменшує міцність і пластичність металу, а також знижує його термостійкість. Під час тривалої експлуатації деталей із хромистих сталей в області високих температур (650...900 °С) у металі виокремлюється s-фаза, яка являє собою інтерметалідну сполуку FeCr. Поява такої сполуки призводить до різкого зростанням крихкості металу.
Крім того, високохромисті сталі схильні до міжкристалевої корозії при різких охолодженнях виробів від температур експлуатації до 1100 °С.
Виготовлення виливків із хромистих сталей пов’язане із значними труднощами через низьку технологічність, оскільки вони мають схильність до утворення спаїв, плівок, крупного зерна під час кристалізації й газових раковин через малу розчинність водню.
Переваги високохромистих сталей: економічність і мінімальний коефіцієнт лінійного розширення, що важливо для експлуатації виробів в умовах теплозмін.
Покращання властивостей виливків із хромистих сталей має бути спрямоване на підвищення їхньої технологічності, стабілізацію фериту при нагріваннях – охолодженнях і підвищення захисних властивостей оксидних шарів, які утворюються на поверхнях виробів під час їх окиснення.
Хромоалюмінієві сталі. Найперспективнішим матеріалом для виготовлення жаростійких виливків масового використання є хромоалюмінієві сталі, які набагато дешевше хромонікелевих і мають високу окалиностійкість. Широкому застосуванню цих сплавів у промисловості перешкоджають гірші, в порівнянні із хромонікелевими сталями, механічні властивості як при кімнатних, так і при високих температурах, технологічність і деякі інші властивості [1…5].
Авторами цієї роботи вивчено вплив добавок алюмінію в хромисті сталі й встановлено, що хром впливає менш інтенсивно на жаростійкість, ніж алюміній.
Алюміній істотно підвищує жаростійкість хромистої сталі. Висока швидкість дифузії алюмінію у фериті й мала іонна провідність оксидного шару Al2О3 сприяють значному зниженню швидкості окалиноутворення. На поверхні металу формується захисна плівка з оксидів хрому й алюмінію типу шпінелі. Процентне співвідношення Al2O3 й Cr2O3 в шпінелі визначається концентрацією в сталі цих елементів і температурою окиснювання.
Вплив хімічного складу на властивості жаростійких сталей. Під час окиснювання сталі легувальні елементи, які вміщуються в її складі, також окиснюються. Окиснюючись разом із залізом, легувальні елементи входять до складу складних оксидів, які можуть бути хімічними сполуками й твердими розчинами. У більшості випадків утворюється оксид заліза, в кристалевих ґратках якого частина атомів заліза заміщені атомами легувальних елементів. Тому важливу роль відіграє структура кристалевих ґраток і тип оксиду легувального елемента.
Сучасний сформульований принцип одержання стійкої проти окиснювання захисної оксидної плівки полягає в наступному.
Кількість і склад легувальних елементів у сталі мають бути такими, щоб при даній температурі їхня концентрація у внутрішньому шарі окалини із самого початку була достатня для запобігання утворення вюститної фази. У той же час із їхньою участю має утворюватися оксидна фаза типу шпінелі з можливо меншими параметрами ґраток.
Крім того, швидкість дифузії легувальних елементів у твердих фазах системи залізо-кисень має бути вище швидкості дифузії заліза в тих же фазах.
Необхідно також відзначити, що за наявністю деяких легувальних елементів у сталі значно зростає сила зчеплення окалини з металом.
На високолегованих жаростійких сталях окалина має бути у вигляді суцільної, тонкої плівки, яка щільно прилягає до металу.
Таким чином, для виготовлення литих деталей, які працюють в умовах високих температур та агресивних середовищ слід використовувати хромисті або хромоалюмінієві сталі після підвищення їх властивостей мікролегуванням і модифікуванням.