Закономерности формирования биметаллических отливок

Увеличение срока службы деталей машин, механизмов, инструмента, повышение их надежности, удлинение межремонтных интервалов являются ф актуальной проблемой современного машиностроения. Решение этих задач определяется, в частности, качественными и, зачастую, неоднозначными служебными характеристиками литых деталей, на долю которых приходится от 30 до 50% массы изготавливаемых машин.

Во многих случаях выход из строя частей, рабочих органов машин обусловлен локальным (поверхностным или объемным) изнашиванием поверхностей и объемов в местах интенсивного взаимодействия с сопрягаемой деталью или рабочей средой. При этом, при необходимости обеспечить большую поверхностную или объемную локальную прочность (твердость, а соответственно и износостойкость), как правило, требуется ® иметь пластичную матрицу или сердцевину для придания эксплуатационных свойств изделию в целом. Указанные противоречивые характеристики невозможно обеспечить использованием одного материала, поэтому целесообразно в одном изделии сочетать уникальные свойства различных сплавов, что, применительно к литейному производству, достигается путем локального упрочнения — поверхностного, объемного упрочнения путем армирования.

Для повышения эксплуатационных свойств рабочих поверхностей или локальных объемов металлургическими методами широко используются различные технологии: наплавка, химико-термическая обработка, напыление и др. Однако, во всех случаях требуется создание дополнительного металлургического передела с соответствующими затратами материальных средств, привлечением дополнительной рабочей силы и специалистов данной квалификации.

Литейные методы дают возможность, не используя дополнительных технологий, придавать локальным зонам отливки особые специальные свойства непосредственно в процессе литья. Для этих целей на поверхность литейной формы наносят обмазки или в полость формы устанавливают пористые, монолитные элементы из сплавов, имеющих характеристики, отличные от таковых матричного сплава (например, повышенная износостойкость), которые после заливки металла образуют биметаллическое армированное) изделие. При формировании указанных отливок между матричным металлом и армирующими элементами происходит теплофизическое и физико-химическое взаимодействие определяющее, в конечном итоге, как физико-механические свойства отдельных зон отливки, так и характеристики изделия в целом.

Преимущества литейных методов придания специальных свойств деталям машин, механизмов, инструменту в том, что они не требуют специального оборудования, не удлиняют цикл изготовления и могут быть осуществлены специалистами-литейщиками без привлечения специалистов других металлургических профессий.

В настоящее время накоплен значительный практический опыт получения отливок, состоящих из двух и более сплавов, многими исследователями изучались закономерности взаимодействия расплавленного металла с поверхностью армирующих элементов, разработано достаточное количество практических рекомендаций, направленных на улучшение качества соединения различных по свойствам сплавов в одном изделии. Однако, несмотря на очевидные преимущества и перспективу использования армированных и биметаллических отливок, их изготовление и применение не находит широкого применения.

Это связано, в первую очередь, с недостаточным исследованием общих закономерностей формирования указанных литых изделий. При конструировании и разработке технологии изготовления армированной отливки приходится сталкиваться со сложным и не всегда обоснованным выбором характера соединения армирующих элементов с матричным металлом в зависимости от условий эксплуатации. Возникают трудности при задании технологических параметров армирования (соотношение толщин вставок и основного металла, температур подогрева вставок и заливки металла и т. п.) для обеспечения необходимого качества соединения и свойств изделия в целом. Всегда оставляет сомнения вопрос выбора схемы армирования в зависимости от условий эксплуатации и целесообразности проводимых мероприятий с учетом ожидаемого эффекта повышения служебных характеристик отливки.

Основные задачи исследования:

1. На основании анализа возможных механизмов формирования соединения армирующих элементов теоретически обосновать и практически исследовать технологические закономерности образования различных по характеру связей между вставками и заливаемым металлом.

2. Установить теплофизические и физико-химические закономерности формирования механической, металлической и паянной связи в биметаллическом изделии.

3. Исследовать возможности повышения качества (прочности, глубины подплавления вставок, степени армирования) соединений различного характера с целью достижения максимального эффекта.

4. Путем практических экспериментов оценить эффективность различных схем армирования, видов соединений во взаимосвязи с условиями эксплуатации конкретных изделий.

К защите выносятся:

— закономерности взаимодействия металлического расплава с армирующими элементами при формировании механической, металлической и паянной связивлияние технологических параметров литья, теплофизических свойств сплавов рассматриваемой системы на механизм образования связи, условия образования характерных дефектов;

— количественные соотношения между толщинами армирующих элементов и основным металлом (отливкой), обеспечивающие получение качественных отливок при различных видах соединений с различной степенью армирования;

— результаты исследований по получению соединения с механической связью за счет формирования переходного слоя с пористостью на поверхности железоуглеродистых заготовок;

— рекомендации по конструированию армированных отливок на основании результатов практических исследований по опробованию различных схем упрочнения в зависимости от условий эксплуатации.

4.5 Выводы.

1. Из полученных экспериментальных данных установлены предельно возможные соотношения между геометрическими параметрами армирующих элементов и отливки, необходимые для образования металлической связи ф при упрочнении в литейной форме.

Практические исследования показали определенные трудности при формировании биметаллического изделия, связанные с узкими температурными интервалами технологического процесса, жесткими геометрическими соотношениями в системе вставка — отливка, что не всегда позволяет достигать желаемых результатов с точки зрения улучшения служебных характеристик изделия в целом.

Показано, что с использованием промежуточных легкоплавких сплавов возможно дальнейшее увеличение относительной площади армирования (объема), позволяющее в более полной мере использовать преимущества ф биметаллических отливок.

2. На основании анализа существующих работ сделан подбор материалов для промежуточных легкоплавких слоев: сплавов, флюсов, связующих, обеспечивающих соединение матричного сплава с армирующим через промежуточный легкоплавкий металл.

Практические эксперименты позволили оценить эффективность использования выбранных материалов, способов нанесения на армирующие элементы.

В работе проведен практический анализ характерных дефектов, образующихся в зоне соединения материалов при осуществлении пайки непосредственно в литейной форме за счет тепла залитого металла.

3. Экспериментально установлены соотношения геометрических параметров армирующих элементов и отливки, обеспечивающих формирование качественной связи с использованием промежуточных легкоплавких сплавов.

Проанализированы дефекты и условия их формирования, образующиеся при несоблюдении указанных технологических режимов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Проведенный анализ работ, посвященных формированию биметаллических отливок, показал, что с разной степенью эффективности используются все разновидности формирования соединения материалов в процессе литья.

Авторы, указывая недостатки того или иного способа соединения, решают, как правило, узкоспециализированные вопросы получения конкретного биметаллического изделия. Результаты проведенных исследований зачастую невозможно адаптировать для разработки технологии изготовления широкой номенклатуры литья.

2. В большинстве работ, уделяя основное внимание технологическим проблемам и режимам формирования отливок, не затрагиваются вопросы взаимосвязи технологических и конструктивных схем упрочнения с условиями эксплуатации, в частности, с преимущественным механизмом изнашивания и критериями, ограничивающими срок службы изделия.

Из анализа рассмотренных исследований можно сделать вывод, что подбор материалов и технологическая схема армирования должны учитывать условия эксплуатации конкретного изделия с анализом механизма его разрушения (наличие ударных нагрузок, абразивный износ, его характер, наличие и интенсивность теплосмен и т. п.).

При выборе способа упрочнения необходимо оценивать критерии, которые в конечном итоге, определяют срок службы конкретного изделия (допустимая глубина износа, объемное изнашивание, потеря эффективной работоспособности, межремонтные сроки и т. п.).

Результаты опубликованных исследований убедительно показывают, что в зависимости от конкретных условий эксплуатации, требований, предъявляемым к литым изделиям, с высокой эффективностью могут реализовываться все указанные механизмы соединения армирующих элементов и матричного металла в биметаллической отливке.

3. С целью повышения надежности и качества механической связи армирующих элементов с металлом основы отливки разработана технология, экспериментально подобраны технологические параметры, а также составы твердых сыпучих и жидкообразных покрытий для центробежного литья с целью получения отливок с заданной поверхностной пористостью.

Разработана технология получения отливок из железоуглеродистых сплавов, для использования в качестве армирующих элементов, с локально шероховатой поверхностью методом литья по выплавляемым моделям.

Опробована технология, испытаны биметаллические отливки, полученные литьем в кокиль и под давлением с механическим соединением за счет поверхностной пористости на чугунных гильзах с рубашкой из алюминиевого сплава.

4. Механические и эксплуатационные свойства биметаллических отливок с механическим соединением разнородных материалов исследованы на ряде реальных изделий, сравнивая с аналогичными характеристиками серийно производимых:

— прочность защемления упрочняющих элементов в матричном металле у буровых коронок. Получено, что по усилию выдавливания армирующей вставки из основы, литые биметаллические коронки не уступают паянным. В конечном итоге разрушение происходит по твердой вставке, а не по соединениюизносостойкость в потоке незакрепленного абразива бил углеразмольных мельниц. Результаты промышленных испытаний показали, что стойкость армированных в процессе литья бил сопоставима с наплавленными. При этом существенно упрощается и удешевляется технология их изготовления, экономится до 2,0 — 2,2 кг твердого сплава, используемого для наплавки;

— жесткость биметаллической конструкции в сравнении с цельнолитой цилиндров воздушного охлаждения. Показано, что степень коробления биметаллических цилиндров на 15 — 30% ниже, чем цельнолитых.

5. Проведено предварительное компьютерное моделирование и практическими экспериментами установлены возможные относительные соотношения между геометрическими параметрами упрочняющих элементов и отливки, необходимые для формирования металлической связи при получении биметаллических отливок в литейной форме.

Получено, что при определенных соотношениях технологических параметров армирования нарушаются условия направленного затвердевания сплавов системы в зоне соединения, что недопустимо и приводит к формированию специфических дефектов усадочного характера в теле вставки на границе с залитым металлом.

Экспериментально исследована и определена допустимая глубина подплавления упрочняющих элементов, обеспечивающих получение бездефектного соединения.

Экспериментально показано, что уменьшение толщины вставок на 1520% ниже оптимальной приводит к развитию усадочных дефектов, увеличение на 10−15% ведет к существенному несвариванию вставок с залитой сталью.

6. Исследован механизм износа упрочненных стальных отливок в газоабразивном потоке (незакрепленный абразив). Получено, что относительная износостойкость возрастает с уменьшением угла атаки абразивного потока, что связано со снижением ударной составляющей при касательном приложении нагрузки. При малых углах атаки абразива, а = 10 -20° стойкость отливок из сталей 110Г13Л и 35Л за счет армирования вставками из высокохромистого чугуна может быть повышена в 1,4 — 1,8 раза в зависимости от характера соединения упрочняющих элементов с матрицей и правильного подбора схемы упрочнения.

Выявлено дополнительное увеличение износостойкости за счет экранирующего эффекта вставок, ограничивающего износ матричного металла и «отражающего» эффекта, заключающегося в уменьшении износа матрицы в результате действия вставки, расположенной дальше по ходу абразивного потока. Экранирующее действие вставок в большей степени проявляется с уменьшением угла атаки изнашивающей среды. В случае воздействия потоком незакрепленного абразива или газоабразивным потоком экранирующий эффект достигает максимального значения при равномерном расположении наибольшего возможного количества упрочняющих вставок на изнашиваемой поверхности.

7. На полученных экспериментальных данных установлены предельно возможные соотношения между геометрическими параметрами армирующих элементов и отливки, необходимые для образования металлической связи при упрочнении в литейной форме.

Практические исследования показали определенные трудности при формировании биметаллического изделия, связанные с узкими температурными интервалами технологического процесса, жесткими геометрическими соотношениями в системе вставка — отливка, что не всегда позволяет достигать желаемых результатов с точки зрения улучшения служебных характеристик изделия в целом.

Показано, с использованием промежуточных легкоплавких сплавов возможно дальнейшее увеличение относительной площади армирования (объема), позволяющее в более полной мере использовать преимущества биметаллических отливок.

8. На основании анализа существующих работ сделан подбор материалов для промежуточных легкоплавких слоев: сплавов, флюсов, связующих, обеспечивающих соединение матричного сплава с армирующим через промежуточный легкоплавкий металл.

Практические эксперименты позволили оценить эффективность использования выбранных материалов, способов нанесения на армирующие элементы.

В работе проведен практический анализ характерных дефектов, образующихся в зоне соединения материалов при осуществлении пайки непосредственно в литейной форме за счет тепла залитого металла.

9. Экспериментально установлены соотношения геометрических параметров армирующих элементов и отливки, обеспечивающих формирование качественной связи с использованием промежуточных легкоплавких сплавов.

Проанализированы дефекты и условия их формирования, образующиеся при несоблюдении указанных технологических режимов.