автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Совершенствование технологии получения литых заготовок из антифрикционных кремнемарганцовистых латуней

ФОМИНЫХ Сергей Иванович

Совершенствование технологии получения литых заготовок из антифрикционных кремнемарганцовистых латуней

Специальность 05.16 .04 - Литейное производство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ФОМИНЫХ Сергей Иванович

Совершенствование технологии получения литых заготовок из антифрикционных кремнемарганцовистых латуней

Специальность 05 .16.04 - Литейное производство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена на кафедре "Литейное производство" Уральского государственного технического университета - УПИ

Научный руководитель:

Официальные оппоненты :

доктор технических наук, профессор I Поручиков Ю.п];

доктор технических наук, профессор Мысик Р. К.

доктор технических наук, профессор Чуркин Б.С.;

кандидат технических наук, доцент Подуст А.Н.

Ведущее предприятие : Государственный научный центр РФ

Уральский институт металлов.

Защита состоится 19. октября 1998 года на заседани диссертационного совета Д 063.14.01 Уральского государственног технического университета по адресу : 620002, г. Екатеринбург, К - 2 ул. Мира , 19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральског государственного технического университета - УПИ.

Отзывы на автореферат , заверенные гербовой печатью , проси направлять по адресу : 620002 , г. Екатеринбург , К - 2 , ул. Мира , 19 Уральский государственный технический университет - УПИ на им ученого секретаря диссертационного совета .

Автореферат разослан _1998 года

Ученый секретарь диссертационного совета Д 063.14.01 профессор, доктор технических наук

tf'J.^i Шумаков Н. С

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. В современных условиях совершен-твование существующих и разработка новых высокоэффективных технологий, озволягощих целенаправленно управлять формированием структуры и свойств литых заготовках, являются важнейшими резервами повышения качества родукции и улучшения экономических показателей. Уровень качества зделий, получаемых из литых и горячепрессованных заготовок, определяется режде всего структурой и свойствами литого сплава, его физической и имической однородностью.

Сложнолегированные специальные антифрикционные кремнемарган-овистые латуни находят все более широкое применение в промышленности, апример, для изготовления деталей гидромашин, гидроаппаратуры, колец гахронизаторов коробок перемены передач автомобилей. Получение 1чественных изделий из таких латуней сопряжено с трудностями, вызванными юцифическими особенностями структуры и свойств этих сплавов, ^стабильностью процессов разливки в слитки при полунепрерывном литье, 1чеством шихтовых материалов, включающих как отходы собственного юизводства, так и возврат от потребителей полуфабрикатов, возрастающими юбованиями к прочности и другим свойствам изделий из кремнемар-нцовистых латуней. Особенно жесткие требования к антифрикционным >емнемарганцовистым латуням в заготовках предъявляются по размерам и .определению интерметаллидных включений, которые обеспечивают износо-ойкость, несущую способность смазки, срок службы конечных изделий.

Выполненная диссертационная работа посвящена исследованию и зработке технологии производства литых заготовок из антифрикционных емнемарганцовистых латуней, обеспечивающей стабильное получение

сплавов с регламентированными структурой и свойствами в заготовках и ] конечных изделиях.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Комплексное исследование особенностей формирована структуры и свойств слитков из антифрикционных кремнемарганцовистьг, латуней (на примере латуни марки ЛМцКНС 58-3-1,5-1,5-1) при полунепре рывной разливке, их влияния на качество заготовок, подвергаемых обработю давлением, и использование полученных данных для совершенствована существующей технологии и разработки новых процессов получения литы; заготовок.

Основное внимание было уделено решению следующих задач:

• исследованию влияния колебания содержания легирующих элементов н; структуру и свойства литых заготовок для выявления возможности коррек тировки химического состава при сохранении требуемых технологических I служебных характеристик сплава;

• изучению неоднородности свойств, структуры и химического состава ) слитках полунепрерывного литья и выявлению причин, вызывающих эт1 неоднородности, с целью нахождения способов выравнивания названный характеристик по объему слитка;

• изучению структурно-чувствительных характеристик сплава и взаимосвяз1 его свойств в твердом и жидком состояниях с целью корректировки режимо] плавки и разливки;

• установлению зависимости параметров структуры от скорости охлаждена расплава для прогнозирования размеров и распределения фазовыз составляющих;

• исследованию свойств и структуры сплава при кристаллизации по; поршневым давлением с целью разработки технологии получения фасонньп армированных и биметаллических литых заготовок.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА: Уточнены особенности кристаллизации кремнемарганцовистой латуни в ависимости от условий охлаждения и по экспериментальным данным стаиовлена зависимость размеров дендритной ячейки от скорости охлаждения асплава;

определены температурные интервалы фазовых превращений в твердом и :идком состояниях для промышленного сплава и на их основе корректированы регламенты плавки, разливки, прессования; изучены свойства и структура сплава при введении холодильников-нокуляторов и модификаторов в кристаллизатор при полунепрерывной азливке;

изучены свойства и структура сплава при литье с кристаллизацией под оршневым давлением.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. Разработана и внедрена зхнология изготовления литых заготовок из кремнемарганцовистых латуней, озволягощая управлять процессом формирования структуры и свойств при ^пользовании в шихте повышенного количества отходов. Разработана и редложена к внедрению технология получения фасонных армированных и ^металлических заготовок из конструкционной стали и антифрикционной пуни литьем с кристаллизацией под поршневым давлением.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты дис-:ртации докладывались на международных и других конференциях и ¡минарах.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 44 печатных 1боты.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертационная работа >стоит из введения, 4 глав, общих выводов и заключения, 47 приложений.

Изложена на 151 странице, включает 61 рисунок, 19 таблиц и списо использованных источников из 153 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении и первой главе обсуждаются научные и практически данные о кремнемарганцовистых антифрикционных латунях, представленные технической литературе.

Эти латуни многокомпонентные и многофазные и отличаются от просты латуней содержанием большого количества интерметаллидов, благодар которым в значительной степени обеспечиваются необходимы эксплуатационные свойства, такие как износостойкость, усталостна прочность, продолжительность работы. Поэтому требования к структуре эти сплавов, и прежде всего к размерам и распределению интерметаллидов, очен жесткие. Прочностные свойства сплавов также должны быть высоким! поэтому слитки подвергаются горячему прессованию, а затем заготовк; подвергают штамповке и термической обработке. Жесткие требования : антифрикционным кремнемарганцовистым латуням создают серьезны проблемы при организации и управлении процессами формирования литы: заготовок из них, так как структура и свойства литых сплавов наследуютс заготовками при последующей обработке. Существующая технологи, изготовления слитков не обеспечивает стабильности процесса литья и качеств слитков прежде всего в отношении размеров и равномерности распределена интерметаллидных включений, равномерности свойств и структуры П( поперечному сечению слитков, наличия трещин и других усадочных дефекто: в них. Имеет место значительный брак по структуре и свойствам не толью слитков, но и полуфабрикатов и конечных изделий. Кроме того, го действовавшему стандарту предприятия количество отходов собственного производства в шихте при выплавке этих сравнительно дорогих сплаво:

эграничено 30%, а их химический состав не позволяет использовать отходы ри выплавке других сплавов.

Установлено, что на свойства кремнемарганцовистых латуней влияют режде всего содержание, размеры и распределение интерметаллидных ключений - силицидов элементов 1У-го периода, размеры, форма зерен и ^отношение а- и р-фаз, определяющие прочностные свойства матрицы, а 1кже содержание и распределение включений свинца, влияющие на Зрабатываемость резанием, поскольку необходимо обеспечить шерохова-)сть 11а= 0,80-0,16 мкм, и химический состав сплава.

В связи с тем, что рассматриваемые латуни являются относительно эвыми сплавами, в литературе практически отсутствуют сведения об ;обенностях формирования структурных составляющих при кристаллизации, сновные усилия исследователей были сосредоточены на изучении свойств и руктуры кремнемарганцовистых латуней при обработке их давлением и :рмической обработке. Интерметаллидные включения сложного состава со •руктурой трисилицида пентамарганца в основном имеют кристалли-ционное происхождение. При последующей обработке давлением они юбятся и выстраиваются вдоль главной оси деформации. Кроме неравно-¡рности распределения интерметаллидов горячепрессованные полуфабрикаты ¡ладают сильной анизотропией свойств, что в некоторых случаях не >зволяет повысить энергосиловые показатели машин, например, аксиально-фшневых гидромашин с рабочим объемом 56 и 112 см3. Для этих дромашин блоки цилиндров изготовляются из кремнемарганцовистых туней и для них определяющее значение имеют прочностные свойства в леречном направлении, а в горячепрессованных прутках, полученных из итков полунепрерывного литья, свойства в поперечном сечении ниже, чем в одольном почти в два раза. Анализ заводской технологии показал, что в утке 080-90 мм предел прочности на разрыв (стн) в продольном направлении вен 510-515 МПа, а в поперечном - 335-485 МПа (т.е. разница в прочности

(Аств) достигает 180МПа). Относительное удлинение (5) в продольно?, направлении равно 22,5%, а в поперечном - только 11,5% (разница в значения: (А5) достигает 6-11%). В готовом блоке цилиндров аксиально-поршнево! гидромашины Да„ = 40 - 95МПа, а А§=4-5%.

Выявленные особенности формирования структуры а+р - латуней ( интерметаллидными включениями и включениями свинца позволяю: предположить, что, изменяя условия кристаллизации, можно управлят] процессом формирования их структуры и получать заготовки и изделия < регламентированными свойствами. В литературе также представлены данные с положительном влиянии ТВО на структуру и свойства литых заготовок и: сплавов на основе черных и цветных металлов и изделий из них.

В результате выполненного анализа состояния вопроса обоснован; актуальность темы, определены цель и задачи исследования, сформулировань основные положения, выносимые на защиту.

Во второй главе представлены результаты исследования кремнемар ганцовистых латуней в твердом и жидком состояниях, в том числе пр1 колебаниях содержания легирующих элементов в пределах марочного состав: и при использовании при выплавке повышенного количества отходов Исследования проведены в основном на примере латуни марки ЛМцКНС 58-3 1,5-1,5-1, как наиболее широко применяемой при изготовлении ответственны; деталей и разработанной взамен импортировавшейся латуни марки Ас1егпа 3805.

Прежде всего для промышленного состава сплава были уточнень температурные интервалы структурных превращений в расплаве пр] кристаллизации и при охлаждении в твердом состоянии. Для этого был] привлечены методы ДТА, структурно-закалочные и измерение плотности пр] развертке температуры до 1100°С методом просвечивания расплава у-пучком На рис.1 представлены ДТА-термограмма нагрева и охлаждения и график]

вменения плотности при развертке температуры (политермы плотности) эразцов из латуни ЛМцКНС 58-3-1,5-1,5-1.

т,к

г

9,5

1,5

9

1

0,5

8JS

О

S

0J

7,5

1

У

7

1,5

300 400 500 BOO 700 800 300 1000 t}'C

Рис.1. ДТА-термограмма образца латуни ЛМцКНС 58-3-1,5-1;5-1 при нагреве и охлаждении со скоростью 20К/мин (а) и политермы плотности (р) при развертке температуры со скоростью б,5К/мин (б)

Полученные данные использованы при проведении дальнейших ис-едований и корректировке существующей технологии плавки, разливки, ессования и термообработки. Температура ликвидуса равнялась 880-895°С, viriepaiypa солидуса - 835-842°С, выделение первичных кристаллов читалось при температуре 920-930°С. С помощью микрорентгено-ектрального анализа (МРСА) и растрового электронного микроскопа (РЭМ) следовали микронеоднородность литых и горячепрессованных заготовок. На с.2 приведены данные МРСА центра слитка 0200 мм. из латуни ЛМцКНС

58-3-1,5-1,5-1. Видно, что силицидообразующие элементы практически полностью связаны в интерметаллидных включениях, причем в первую очередь образуются интерметаллиды на основе железа, которое присутствует в данной латуни как контролируемая примесь. Затем на них выделяется силицид на основе марганца и никеля. Был определен состав крупных (размером более 100 мкм) игольчатых интерметаллидов. Они содержат марганец в-количестве 39-45%, никель - 8-10%, железо - 20-30%, кремний - 1921%, медь - 2-3%, цинк - 1-1,5%.

а б в

где

Рис.2. Распределение Мп (а), (б), N1 (в), Ре (г), Zn (д) и изображение шлифа, вырезанного из центра слитка, в отраженных электронах (е)

На основе проведенных исследований можно предположить, что механизм формирования структуры при затвердевании латуни ЛМцКНС 58-310

1,5-1,5-1 происходит по следующей схеме. В первую очередь при охлаждении из расплава кристаллизуются первичные кристаллы интерметаллидов. На них, как на центрах кристаллизации, начинают расти дендриты основы сплава -Р-твердого раствора. В последнюю очередь затвердевают междендритные объемы, где кристаллизуется эвтектика (3-фаза-сшшциды на основе химического соединения Мп581з, где часть атомов Мп замещена атомами №. При дальнейшем охлаждении идет превращение части р-фазы в а-фазу. Затем происходит упорядочение структуры Р-»Р' и затвердевание включений свинца.

Для поиска путей воздействия на формирование структуры и свойств рассматриваемых сплавов были проведены исследования процессов кристаллизации с учетом кинетического фактора. Изучали влияние скорости охлаждения (V) на размеры дендритной ячейки (<1), являющиеся показателем измельчения и распределения и других структурных составляющих. Экспериментальные данные достаточно точно удалось описать выражением вида: ё=с10 V"", где <±,=15,3+1,6 мкм, V- скорость охлаждения в интервале от 0,1 до 1000 К/с, п=0,27±0,03. При сопоставлении полученных данных с многочисленными ранее проведенными исследованиями различных сплавов оказалось, что показатель степени (п) совпадает с данными других авторов, а коэффициент с!0 несколько меньше (рис.3). Это можно объяснить большей микронеоднородностью расплава и наличием значительного количества центров кристаллизации перед затвердеванием основы кремнемарганцовистой латуни, что способствует измельчению зерен основы сплава. Сильная зависимость размеров структурных составляющих кремнемарганцовистых латуней от скорости охлаждения в интервале, имеющем место при получении литых заготовок из них, приводит к значительной неоднородности структуры, свойств и химического состава по сечениям слитков 0200-250 мм. Это обусловлено условиями затвердевания слитка в медном водоохлаждаемом кристаллизаторе при непрерывном литье, где перепад температур между поверхностью слитка и его центром достигает по экспериментальным данным

4 мкм

100 10

' 1

б

а

Рис.3. Влияние скорости охлаждения на средние размеры дендритнс ячейки в латуни ЛМцКНС 58-3-1,5-1,5-1 (а) и данные друп: исследований (б)

500 градусов. Такие перепады температур вызывают также болыт внутренние напряжения, которые возникают в температурном интepвaJ низкой прочности и пластичности сплава. Например, у кремнемарганцовисть латуней при нагреве наблюдается более интенсивное снижение прочности, че у двойных латуней. Поэтому при превышении критической скорое: вытягивания слитка из кристаллизатора (для латуни ЛМцКНС 58-3-1,5-1,5 УЛкрИТ = 4-5 м/ч) часто наблюдается растрескивание и даже раскалывая! слитков при вытягивании их из кристаллизатора, при резке на заготовки и: при транспортировке и хранении. Более того, формирование газового зазо) между слитком и кристаллизатором и изменение его величины в поперечнс сечении, обусловленное природой сплава, создает условия для формирования слитке значительной неоднородности свойств и структуры .

Таким образом, актуальным становится стабилизация процесса лит кремнемарганцовистых латуней с получением однородных свойств, состава

структуры по ссченшо слитка и более мелких и равномерно распределенных структурных составляющих.

В третьей главе рассмотрено влияние холодильников - инокуляторов и юдификаторов (присадок), вводимых в расплав при разливке, на структуру и войства кремнемарганцовистой латуни.

Проведенные ранее расчеты и эксперименты показали, что из-за озникающего между слитком и кристаллизатором газового зазора озможности теплоотвода от кристаллизующегося сплава весьма ограничены, е позволяют интенсифицировать процесс затвердевания и увеличить скорость ытягивания слитка, хотя по результатам проведенных исследований ее зеличение до 7-8 м/ч уменьшает средние размеры интерметаллидов и гндритов основы на 30-40%.

Изучение структурно-чувствительных характеристик показало, что :мпература данного сплава при выплавке должна быть достаточно высокой и >ставлять 1000 - 1050°С, чтобы обеспечить более равновесное состояние 1сплава. Однако большой перегрев сплава над ликвидусом при литье желателен. В связи с этим появляется необходимость в быстром снижении срегрева расплава. Это можно реализовать путем введения холодильников-юкуляторов в расплав в процессе полунепрерывного литья.

Изучение влияния холодильников-инокуляторов на формирование исталлической структуры и свойств латуни ЛМцКНС 58-3-1,5-1,5-1 вводилось экспериментально-расчетным методом. Для расчета теплового шмодействия холодильников различной формы с расплавом была применена тематическая модель на основе обобщенного уравнения теплопроводности с еобразованиями по Гудмэну-Кирхгофу. Для расчета распределения исадки, вводимой в кристаллизатор, было выведено дифференциальное авнение, описывающее изменение ее концентрации в лунке при нарушении нхронности ввода для модели одноемкостного объекта

ц = То(Зф/Э0 + РФ,

где (1 - безразмерное изменение потока; ф - безразмерное изменение кс центрации; Т0 -коэффициент емкости объекта; р - коэффициент самов равнивания, I - время. Решение уравнения имеет вид:

Ф = (м/р)(1-е'ст), где Т = Т0 /р - постоянная времени.

Промышленный эксперимент, который был проведен в услови полунепрерывной разливки при введении в кристаллизатор тонкостенш латунных трубок, наполненных опилом из сплава ЛС59-1, подтверд эффективность применения холодильников-инокуляторов и адекватное уравнения изменения концентрации присадки в лунке. При применен: холодильников выравниваются свойства (колебания предела прочности разрыв по сечению слитка 0200мм уменьшаются с 40 до 2МГ относительного удлинения - в два раза (с 4 до 2%), плотности - в 4 раза (с 0, до 0,02г/см3)) и структура (уменьшаются размеры всех структурш составляющих и улучшается распределение интерметаллидных включени глубина лунки при скорости вытягивания слитка 5м/ч и введении 2,3 холодильников уменьшается с 430-450мм на 100-140мм, что позволя увеличить скорость вытягивания слитка с 4-5 до 7-8 м/ч.

В четвертой главе исследованы свойства и структура кремнемг ганцовистой латуни при литье с кристаллизацией под поршневым давлени (ЛКД), то есть жидкой штамповкой.

Известно, что ЖД позволяет получать заготовки из медных сплавоЕ высокими механическими свойствами и мелкозернистой структурой и высоком выходе годного, в том числе и из сплавов, преимуществен подвергаемых обработке давлением. Для определения оптимальн] параметров ЖД были проведены лабораторные эксперименты. Исследова влияние температуры формы (в интервале от 250 до 350°С) при литье в коки:

температуры подогрева армирующей вставки-обечайки при получении армированных и биметаллических заготовок (от 850 до 950°С), температуры ¡аливаемого расплава (от 900 до 1000°С), прикладываемого к расплаву [авления (от 140 до ЗООМПа), времени выдержки до (от 1 до 10 с) и после (от 5 {о 20 с) приложения давления на прочностные и пластические свойства и структуру латуни марки ЛМцКНС58-3-1,5-1,5-1 и соединения ее с инструкционной сталью.

В кокильных отливках латунь ЛМцКНС58-3-1,5-1,5-1 имеет структуру из рупных полигональных зерен а-фазы и несколько вытянутых зерен ß-фазы, нтерметаллидов и редких мелких темных включений свинца, [нтерметаллидные включения распределены неравномерно и имеют 1зличную морфологию: а) в виде сетки по границам зерен, б) в виде эвтекти-гских участков, г) в виде крупных единичных иголок и д) в виде мелких сраплений неправильной формы внутри зерен а- и ß-фаз. Наиболее высокие точностные и пластические свойства исследуемой латуни при свободной ливке были зафиксированы при температурах подогрева стальной формы до ¡0°С и заливаемого расплава до 1000°С.

При ЛКД на структуру и свойства сильнее всего влияют температура пиваемого расплава и прикладываемое к нему давление: чем выше мпература, тем крупнее структурные составляющие, и, наоборот, чем выше вление, тем мельче структура. Так, в образцах, полученных при давлении на :плав 140МПа, размеры зерен увеличились с 6-8 при заливке сплава, еющего температуру 915°С, до 16-18 мкм при заливке с температурой Э5°С, то есть в 2-3 раза. При заливке сплава с температурой 970-980°С и «ениях давления 250 и 290МПа размеры зерен составляют соответственно ■16 и 10-12 мкм. На соотношении а- и ß-фаз изменения температуры заливки давления по данным металлографических исследований сказываются ¡начительно.

При получении биметаллических отливок ЛКД на прочность соединени сталь 40Х - латунь ЛМцКНС 58-3-1,5-1,5-1 наиболее сильно влияет темпе ратура подогрева стальной части заготовки. Оптимальной температуро подогрева стальной части заготовок для получения максимальной прочност спая при сохранении механических свойств стали на достаточно высоко уровне оказалась температура «¡950°С. Увеличение давления увеличивает про* ность латуни, но его рост ограничен прочностью стали при нагреве до указа! пых температур. Выдержка под давлением практически не оказывает влияш на прочность соединения. По разработанной технологической схеме получен биметаллические заготовки с прочностью сцепления сплавов до 280МПа.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненная работа посвящена комплексному исследованию особе! ностей формирования структуры и свойств отливок из антифрикционнь кремнемарганцовистых латуней в условиях интенсивного внешнего охла) дения, а также использованию полученных результатов для соверше: ствования технологического регламента плавки, литья и обработки давление этих сплавов.

В работе проведены исследования свойств кремнемарганцовисть латуней в твердом и жидком состояниях, определена последовательное формирования в них структурных составляющих. Разработана и внедре: технология получения слитков с регламентированными структурой свойствами при повышенной скорости разливки с использованием в ших большего количества возвращаемых отходов кремнемарганцовистых латуне Разработана и опробована в заводских условиях технология получен армированных и биметаллических заготовок литьем с кристаллизацией п поршневым давлением.

На основании результатов проведенных исследований сделаны сле-укмдие основные выводы и практические рекомендации:

1.Из анализа данных технической литературы и проведенных экспериментов установлено, что структура и, прежде всего размеры и распределив интерметаллидов, существенно влияют на технологические и служебные юйства кремнемарганцовистых латуней и в значительной степени зависят от :орости охлаждения; по экспериментальным данным получено уравнение для феделения средних размеров дендритной ячейки в зависимости от скорости жикдения расплава латуни ЛМцКНС 58-3-1,5-1,5-1.

2.Установлено, что использование ТВ О расплава латуни ЛМцКНС 58-35-1,5-1 позволила использовать в шихте до 50% отходов кремне-1рганцовистых латуней, при этом получить литую структуру, благоприятную я дальнейшей обработки заготовок.

3.В результате проведенных расчетно-зкспериментальных исследований гановлено, что введение холодильников-инокуляторов в кристаллизатор ижает негативное влияние интенсивного внешнего теплоотвода при разливке гмнемарганцовистых латуней, уменьшает глубину лунки, повышает породность свойств и структуры, стабилизирует процесс литья и гдотвращает растрескивание и раскалывание слитка. Например, введение 2% холодильников-инокуляторов уменьшает глубину лунки при разливке со фостью 4,5-5 м/ч на 20-25%, что дает возможность повысить скорость литья

7-8 м/ч. Применение модификаторов благоприятно сказывается на эмировании структуры сплава. Так, введение 0,05% М§ позволяет гньшить размеры интерметаллидов на 30-50%;

4.Выведено дифференциальное уравнение изменения в лунке [центрации присадки, вводимой в кристаллизатор, в зависимости от мущений в ее подаче. Экспериментально подтверждена возможность гменения уравнения для оценки распределения модификатора или холодиль-:ов-инокуляторов по объему слитка. При этом показано, что инерционность

изменения концентрации присадки при предельном ее введении в холичес до 5% допускает значительные перерывы в ее подаче при сохрапе: концентрации присадки в слитке на допустимом уровне.

5.Определены механические свойства и структура кремнемарганцовис латуни при формировании отливки под поршневым давлением и при изме нии других параметров литья с кристаллизацией под давлением. Установле что на прочностные характеристики кремнемарганцовистой латуни наибо сильно влияет температура заливаемого расплава. Например, при зали расплава с температурой 1000°С в формы, подогретые до температур 250°( 350°С, предел прочности на разрыв (ав) и относительное удлинение (5) , латуни ЛМцКНС 58-3-1,5-1,5-1 составили соответственно 380-400МПа и < 4,6%.

б.Разработана технология получения армированных и биметалличеа фасонных отливок литьем с кристаллизацией под давлением. При э: прочность сцепления стали 40Х с латунью ЛМцКНС 58-3-1,5-1,5-1 в заготов блоков цилиндров аксиально-поршневых гидромашин по сложн поверхностям достигала 280МПа.

Основное содержание диссертационной работы отражено в следуюц публикациях:

1.Установка для исследования взаимодействия металлических частиц расплавом / Поручиков Ю.П., Фоминых С.И., Мысик Р.К., Титова А.Г Заводская лаборатория. 1981. Т.47, №10. С.31-33.

2.Технология разливки меди с введением твердого металла в кристаллизатс Поручиков Ю.П., Мысик Р.К., Титова А.Г., Фоминых С.И. // Цветные метал. 1986. №4. С.71-75.

3.Формирование слитка полунепрерывного литья латуни сложного состав Фоминых С.И., Поручиков Ю.П., Титова А.Г., Пискунова Л.А. // Цветш

металлы. 1987. №9. С.76-79.

4.Фоминых С.И., Титова А.Г., Пискунова JI.A. Влияние химического состава и технологических факторов на качество литой и прессованной заготовки из износостойкой латуни // Пути повышения производительности плавильно -штейных агрегатов и улучшение качества литой заготовки из цветных металлов и сплавов: Тез. докл. Всесоюзн. научно-техн. конф., Кольчугино, 1984. М.: ЦНИИЦветМет экономики и информации, 1984. С.27-29.

5.А.С. 1749819 СССР, МКИ G01 N 27/48. Способ определения фазового состава ¿едноцинковых сплавов/ М.Б.Видревич, С.И.Фоминых, Р.И.Силин (СССР). 1811820 / 25; Заявлено 09.04.90; Опубл. 23.07.92, Бюл. №27, Зс. Шодшивалов Р.Н., Храмов И.М., Фоминых С.И. Получение биметаллических (етатсй сталь - антифрикционный медный сплав литьем с кристаллизацией под (авлением // Конструирование и технология изготовления машин: Тез. докл. [аучно-техн. конф. УГТУ - УПИ, 1995. Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 1995. С.109-10.

'.Анахов С.В., Фоминых С.И. Влияние скорости охлаждения после переплава :а структуру антифрикционной латуни // МиТОМ. 1997. №б. С. 10-13. .A.c. 1194894 СССР, МКИ С21 С7/00. Способ обработки металла легирующим омпонентом при непрерывном литье заготовок/ Ю.П.Поручиков, Р.К.Мысик, 1.Г.Титова, М.Ф.Рыбакова, С.И.Фоминых и др. (СССР). 3709473/22-02; аявлено 12.02.84; Опубл. 30.11.85, Бюл.№44<3с.

■А.с.1650346 СССР, МКИ В22 D 41/08, 1/00. Устройство для обработки асплава порошками / А.М.Моксунов, С.И.Фоминых, Й.А.Максунов и .М.Катаева (СССР). 4432208 / 02; Заявлено 17.03.91; Опубл. 23.05.91, юл.№19. 3 с.

0.Особенности формирования структуры сложнолегированной латуни при еравновесной кристаллизации / Поручиков Ю.П., Фоминых С.И., Титова А.Г., урочкина М.Д. // Физико-химические исследования металлургических про-гссов. Свердловск: УПИ, 1989. С. 111-119.

И.Заявка на пат. РФ, МКИ Р 04 В 1/24. Способ наплавки У Р.Н.Подшш С.И.Фоминых, В.Н.Семенов, Л.Ф.Ковязин (РФ). 93-029059/02(12996); Зая 10.6.93; реш. о выдаче патента от 3.3.95. 6 с.

12.Видревич М.Б., Фоминых С.И. Определение фазового состава кр марганцовистых латуней вольтамперометрическим методом // Фи химические исследования металлургических процессов. Свердловск, 1991. С.69-74.

13.Заявка на А.с. СССР, МКИ 601 N27/00. Устройство для измерения ренних напряжений в металле / С.И.Фоминых, М.Б.Видревич, Н.Н.Чет: (СССР). 4942688/25-046906; Заявлено 4.6.91; Решение о выдаче патен 23.3.92.8 с.

Подписано в печать 10.06.98. Формат 60x84 1/16

Бумага типографская Плоская печать Усл.пл. 1,16

Уч.-изд.л. 1,11 Тираж 100 Заказ 222 Бесплатно

Издательство УГТУ 620002, Екатеринбург, Мира, 19

ЗАО УМЦ УГТУ. Екатеринбург, Мира, 17

Уральский государственный технический университет

На правах рукописи

Фоминых Сергей Иванович

УДК 621.746:669.35

Совершенствование технологии получения литых заготовок из антифрикционных кремнемарганцовистых латуней

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители:

профессор, доктор

технических наук_

Поручиков Юрий Павлович профессор, доктор технических наук Мысик Раиса Константиновна

Екатеринбург -1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................... 5

1.СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА........................................................................... 8

1.1.Свойства сплавов на медно-цинковой основе, содержащих интерметаллидные включения..................................................... 8

1.2.Влияние отдельных технологических параметров на процесс формирования и качество цилиндрических слитков из антифрикционных латуней при непрерывной разливке...................... 21

1.3.Пути управления структурой и свойствами металла при получении литых заготовок.................................................................. 27

1.4.Задачи исследований.................................................................... 28

2.ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ И СТРУКТУРЫ КРЕМНЕМАРГАНЦОВИ-СТЫХ ЛАТУНЕЙ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СОСТАВА И УСЛОВИЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ПО БАЗОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПУ-

ТЕЙ УПРАВЛЕНИЯ ИХ СВОЙСТВАМИ..................................................... 29

2.1.Исследование макронеоднородности заготовок из антифрикционных латуней................................................................................29

2.1.1.Колебания состава и его влияние на структуру и свойства заготовок из антифрикционных латуней............................................... 29

2.1.2.Поверхностные и внутренние дефекты заготовок из антифрикционных латуней.................................................................................. 32

2.1.3.Физические свойства антифрикционных латуней в заготовках..39

2.2.Микронеоднородность заготовок из кремнемарганцовистых антифрикционных латуней............................................................... 39

2.3.Формирование структуры кремнемарганцовистых антифрикционных латуней......................................................................................48

2.3.1.Кристаллизаци я.......................................................................... 48

2.3.2.Влияние скорости охлаждения на структуру сплавов............... 52

2.3.3.Исследование изменения плотности и ТКЛР сплавов в зависи мости от температуры нагрева.................................................. 67

2.3.4.Влияние термовременных параметров обработки в твердом состоянии на структуру сплавов................................................ 67

2.4.Выбор путей повышения качества заготовок из антифрикционных кремнемарганцовистых латуней.......................................... 75

2.5.Выводы по 2-й главе...................................................................... 77

¿.СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ЛИТЫХ ЗАГОТОВОК ИЗ АНТИФРИКЦИОННЫХ КРЕМНЕМАРГАНЦОВИСТЫХ ЛАТУНЕЙ ПРИ ПОЛУНЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКЕ......................................... 80

3.1.Предпосылки применения внепечной обработки при производстве литых заготовок из кремнемарганцовистых антифрикцион ных латуней........................................./г........................................ 80

3.2.Изучение некоторых вопросов теплового взаимодействия холо дильников с расплавом................................................................ 81

3.2. ^Экспериментальное изучение теплового взаимодействия холодильников с расплавом............................................................ 81

3.2.2.Моделирование теплового взаимодействия холодильников с расплавом на ЭВМ............................................................................ 83

3.3.Промышленное опробование технологии суспензионного литья кремнемарганцовистых антифрикционных латуней....................90

3.4.Исследование динамики обработки расплава добавками в фор мообразующем устройстве при непрерывной разливке.............92

3.4.1.Анализ динамики обработки.....................................................92

3.4.2.Методика расчета содержания добавки в объеме слитка.....97

3.4.3.Экспериментальное исследование распределения добавок

по сечению слитков..........................................................................100

3.5.Выводы по 3-й главе.....................................................................105

4.ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ЛАТУНИ ЛМцКНС 58-3-1,5-1,5-1 ПРИ ЛИТЬЕ С КРИСТАЛЛИЗАЦИЕЙ ПОД ДАВЛЕНИЕМ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК..Ю8

4.1.Пути повышения технико-экономических показателей изделий

из кремнемарганцовистых антифрикционных латуней.............108

4.2.Исследование свойств и микроструктуры латуни ЛМцКНС 58-31,5-1,5-1 при литье в кокиль и с кристаллизацией под давлением ..................................................................................................111

4.3.Разработка технологии получения биметаллических заготовок сталь-кремнемарганцовистая антифрикционная латунь..........120

4.4.Разработка технологии изготовления биметаллических заготовок блоков цилиндров аксиально-поршневых гидромашин.............124

4.5.Выводы по 4-й главе.....................................................................125

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................................................................130

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК ...........................................................133

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................................................147

ВВЕДЕНИЕ

В машиностроении все более широкое применение находят специальные латуни, кристаллизующиеся с выделением значительного количества интерметаллидных включений. Большой интерес к таким сплавам проявляется и в других промышленно развитых странах. В связи с увеличением выпуска специальных кремнемарганцовистых антифрикционных латуней для металлообрабатывающих предприятий одной из актуальных проблем является улучшение качества заготовок. Качество литой заготовки в значительной степени определяет технологические свойства полуфабрикатов и эксплуатационные характеристики готовых изделий. Физико-механические свойства литых заготовок обусловлены их кристаллическим строением, а также степенью развития макро- и микронеоднородностей, термических напряжений и других дефектов литейного происхождения. Увеличение размеров поперечного сечения и скорости вытягивания слитка из кристаллизатора при полунепрерывном литье во многих случаях ведет к ухудшению качества металла. Поэтому изучение влияния различных способов воздействия на жидкий и кристаллизующийся расплав и кинетику литейных процессов представляется актуальной задачей литейного производства. При изготовлении заготовок из кремнемарганцовистых антифрикционных латуней является актуальным повышение качества за счет уменьшения размеров интерметаллидных включений и повышения равномерности их распределения в сплаве.

Целью работы является совершенствование существующей технологии и разработка новых процессов получения литых заготовок с помощью перспективных методов воздействия на процесс затвердевания и формирования структуры кремнемарганцовистых антифрикционных латуней для повышения их качества.

Научная новизна работы проявилась в следующем:

• установлено влияние технологических параметров на некоторые свойства и структуру заготовок из кремнемарганцовистых антифрикционных латуней;

• впервые предложена схема кристаллизации кремнемарганцовистых антифрикционных латуней;

• для латуни марки ЛМцКНС 58-3-1,5-1,5-1 промышленного состава уточнены плотность, коэффициент линейного термического расширения (ТКЛР) при нагреве до 800°С, количество р-фазы в зависимости от температуры нагрева после закалки, массовая доля выделяющихся из сплава интерметаллидов и уточнен их состав;

• установлена количественная зависимость размеров дендритной ячейки от скорости охлаждения в интервале от 0,1 до 1000 К/с, позволяющая прогнозировать степень измельчения структуры;

• уточнены модельные представления о тепловом взаимодействии холо-дильников-инокуляторов различной формы (сферической, цилиндриче-

ской) с расплавом, подтверждаемые расчетами, лабораторными и промышленными экспериментами;

• экспериментально подтверждена теоретическая возможность модифицирования кремнемарганцовистых антифрикционных латуней магнием;

• на основе выведенного дифференциального уравнения изменения концентрации добавки в расплаве в головной части полунепрерывного слитка разработана методика оценки равномерности распределения добавок в заготовке;

• получены экспериментальные (планируемый эксперимент) зависимости прочностных свойств латуни типа ЛМцКНС в литом состоянии в зависимости от технологических параметров при получении заготовок литьем с кристаллизацией под давлением (ЛКД), позволяющие выбрать оптимальные параметры.

Практическая ценность. В работе проанализированы технологические схемы получения заготовок из антифрикционных латуней и предложены пути повышения их качества: при совершенствовании существующей технологии - введением холодильников-инокуляторов в расплав при его разливке, модифицированием расплава магнием, уменьшением размеров поперечного сечения слитков; более высокие технико-экономические показатели могут быть достигнуты при использовании ЛКД.

Прикладная ценность. Результаты разработок использованы при совершенствовании технологии получения слитков полунепрерывного литья и горячепрессованных полуфабрикатов из латуни ЛМцКНС 58-3-1,5-1,5-1 и других сплавов рассматриваемой группы на РЗОЦМ с экономическим эффектом. Разработанная при непосредственном участи автора новая технология изготовления армированных и биметаллических блоков цилиндров аксиально-поршневых гидромашин с рабочим объемом 56 и 112 см3 опробована на заводах Пневмостроймашина (г.Екатеринбург) и Московском гидроагрегатном, ее внедрение позволит значительно снизить расход цветных металлов.

Научные положения, выносимые на защиту:

• структурообразованием в отливках из кремнемарганцовистых антифрикционных латуней можно управлять в широких пределах за счет изменения скорости охлаждения (V ) сплава и зависимость среднего размера дендритной ячейки (с!) может быть описана функцией вида с! =

• введение холодильников-инокуляторов в количестве до 3% позволяет существенно повысить равномерность распределения первичных интер-металлидов и уменьшить их размеры;

• модифицирование магнием позволяет уменьшить размеры интерметал-лидных включений;

• при введении добавок в формообразующее устройство при полунепрерывной разливке распределение их по объему слитка может быть описано уравнением кривой разгона одноемкостного объекта с самовыравни-

ванием на выходе, причем колебания содержания добавки в слитке не будут выходить за установленные пределы даже при достаточно больших перерывах в подаче обрабатывающего реагента (холодильников-инокуляторов, модификатора или легирующей добавки), что облегчает практическое применение "поздней" обработки расплава при непрерывной разливке;

• при получении биметаллических отливок из антифрикционной латуни типа ЛМцКНС с кристаллизацией под поршневым давлением зависимость прочностных свойств от прикладываемого давления носит немонотонных характер, при превышении критического давления начинается их снижение.

Оригинальность разработанных методик и технологий подтверждена рядом авторских свидетельств и патентов.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на научно-технических конференциях и семинарах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, 41 приложения. Изложена на 252 с машинописного текста, содержит 19 таблиц и 61 рис. Список использованной литературы включает 218 наименований.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1.Свойства сплавов на медно-цинковой основе, содержащих интерметаллидные включения

В литературных источниках имеются отрывочные сведения о свойствах и термической обработке кремнемарганцовистых антифрикционных ла-туней [1-5], таких как ЛМцКНС 58-3-1,5-1,5-1, ЛМцА 58-2-1, ЛМцСКА 63-2-11, ЛМцАЖНК 60-3-2-0,3-0,3-0,3, ЛМцАЖКС 70-7-5-2-2-1 и др.; практически отсутствуют данные о кристаллизации указанных сплавов и формированию отливок из них. Недостаточная изученность рассматриваемой группы сплавов объясняется тем, что эти сплавы разработаны сравнительно недавно и объем производства каждой из перечисленных марок относительно невелик ( сотни или тысячи тонн в год), а также большой сложностью представленных систем, содержащих кроме основных элементов (меди и цинка) марганец, кремний, никель, железо, алюминий, свинец и другие элементы в качестве легирующих или примесей.

В приложении 1 приведены составы и свойства сплавов на медной основе, обладающих повышенными прочностными, антифрикционными и другими специальными свойствами. Почти все указанные сплавы имеют структуру с дисперсными включениями интерметаллидных соединений, образованных в основном переходными металлами четвертого периода и кремнием. Известны латуни с включениями соединения Мп5813 [2-8]. В латуни ЛАНКМц 75-2-2,5-2,5-0,5-0,5 дисперсное упрочнение обеспечивается выделением соединения на основе Э!, № и Мп [ 9 ]. В кремнистых бронзах при добавках марганца образуется силицид марганца [ 10 ], при добавках никеля - фаза N¡281 [ 11 ], при добавках кобальта Со281 [ 12 ], железо в качестве добавки или примеси также образует силициды [ 3,13 ].

Упрочнение сплавов и обеспечение износостойкости в значительной степени происходит за счет выделения дисперсной фазы. Эти свойства зависят от размеров, количества и распределения выделяющихся включений в матрице [ 1 ]. Причем, в сплавах в зависимости от термовременных условий получения заготовки и ее химического состава при кристаллизации могут формироваться фазы, растворяющиеся или почти не растворяющиеся в твердом сплаве при последующем нагреве. В работе [ 9 ] исследовалось влияние фазового состава и скорости нагрева латуни типа ЛАНКМц разного химического состава (сплавы №12а и №126 в прил.1) на их свойства. Наличие избыточной фазы в сплаве "б" повышает предел прочности почти во всех состояниях сплава. Наличие нерастворимой фазы в сплаве замедляет также его рекристаллизацию, так как рост новых зерен всегда замедляется из-за взаимодействия движущейся границы с дисперсными частицами. Делается вывод о том, что изменением химического состава в пре-

делах технических условий можно обеспечить повышение качества получаемых заготовок, управляя выделением нерастворимой избыточной фазы. В латуни марки ЛАНКМц температура полного растворения соединений на основе кремния, никеля и марганца соответствует 800 °С [9,10]. Растворимость соединения Ni2Si в твердом растворе на основе меди достигает 8% при температуре 1000°С и снижается до величины менее 0,5% при 200°С [11,14,15]. Данные по растворимости кремния и марганца в меди приведены в [14,15,16]. В работе [14] представлен квазибинарный разрез тройной системы Cu-Mn5Si3. В этой системе при содержании Mn5Si3 около 24% образуется эвтектика, имеющая тмпературу плавления около 800 °С. Следует заметить, что эти данные согласуются со сведениями других исследователей не при всех значениях концентрации элементов [15,16].

На распределение силицидообразующих элементов между включениями и матрицей сильно влияет состав сплава. При изучении шестиком-понентного сплава [17] проводилось последовательное легирование меди кремнием (3,8%), никелем (4,2%), железом (6,2%), марганцем (6,1%) и цинком (7,8%), а затем анализировалась структура, измерялась микротвердость фаз, образующихся при кристаллизации. По этим данным можно сделать следующие выводы. Никель в медно-кремниевом сплаве распределяется между основой и избыточной фазой, резко увеличивая твердость последней. Как известно, железо в медных сплавах при низких температурах практически не растворяется и, по-видимому, полностью переходит в избыточную фазу при кристаллизации, хотя твердость матрицы также несколько повышается. Последующий ввод марганца резко (с 500 до 800 кгс/мм2 ) повышает твердость избыточной фазы, но, в то же время, несколько снижает твердость матрицы. Разупрочнение основы никелькрем-ниевой латуни при легировании ее марганцем было замечено также в работе [3]. Цинк при получении шестикомпонентного сплава мало изменяет твердость избыточной фазы, но сильнее других элементов повышает твердость основной фазы, т.е. он находится в матрице сплава.

В работе [3] рассматриваются металловедческие вопросы влияния марганца (в пределах до 3,7%) и кремния (до 1,6%) на свойства и структуру горячедеформированных прутков из антифрикционной латуни, содержащей свинец и примесь железа. На основании проведенных исследований сделан вывод о том, что образование силицида MnsSi3 в сплаве заканчивается при достижении соотношения Mn/Si = 1,4 ( а отношение одержания Мп и Si по массе в соединении Mn5Si3 равно 3,26 ). Избыток марганца поступает в твердый раствор на основе меди и цинка. На рис. 1.1 представлены графики распределения Mn, Fe и Si между избыточными фазами и твердым раствором при изменении концентрации кремния в латуни, построенные по табличным данным работы [3]. Известно, что растворенный в матрице марганец ухудшает износостойкость медных сплавов, поэтому

к,%

75

50

25

А

/ Ч+

/о (1/ + \

о - Ми А - /ч5 +

О 0,5 1,0

Рис. 1.1.Распределение марган�