Системные особенности брака отливок, полученных методами ЛГМ и ВПФ

ПОмогаем
ЛИтейщикам и
МЕТаллургам
Системные особенности брака отливок, полученных методами ЛГМ и ВПФ
Задать вопрос
Для заказа продукции заполните форму.

В основе этой краткой статьи лежит высказывание акад. А.А.Байкова «металлургия – это химия высоких температур». Практика получения стальных отливок в вакуумируемых песчаных опоках без связующего (ЛГМ и ВПФ) показывает, что одной из причин образования газовых раковин в металле является его недостаточная раскисленность. Как известно, в металлургии существует три типа раскисления стали: объемное (донное), диффузионное (шлаковое) и ВАКУУМНОЕ. Последнее широко применяется в металлургии и практически никогда в литье (малой металлургии). Поэтому реакции восстановления окислов металлов, происходящие при заливке стали в вакуумируемые опоки (ЛГМ и ВПФ) литейщиками не рассматриваются. Раскисление в этом случае происходит растворенным в железе углеродом непосредственно в литейной форме. Углерод в условиях пониженного давления становится раскислителем. Это происходит потому, что он расположен в ряду сродства металлов к кислороду левее сильных «классических» раскислителей - Mn, Si, Al и прочих.

Требуемый для процесса раскисления (отрыва молекул кислорода от окислов металла) углерод в избытке образуется:

  • в процессе ЛГМ при деструкции вспененного пенополистирола, применяемого в видевыгораемой модели;
  • в процессе ВПФ при деструкции пропилена, являющегося связующим стержневой массы по Cold-BoxAmin процессу, а также формовочных пленок из полиэтилена и этилен-винилацетата.

Раскисление с выделением СО идет по формуле:
МеО + С = Ме + СО

Так как вакуумная система при своей работе интенсивно отводит тепло из заливаемой металлом опоки, происходит ускоренная кристаллизация металла. Интервал кристаллизации стали составляет около 20 градусов и в условиях усиленного теплоотвода переход от состояния «ликвидус» к состоянию «солидус» преодолевается в течение нескольких секунд. В вакуумируемых опоках это приводит к тому, что выделяющийся газ СО не успевает выйти из затвердевающего металла и остается в нем в виде газовых раковин.

Вторая причина газовых раковин – газ, образующийся в процессе деструкции углеводородов, из которых изготовлены вышеуказанные материалы.

Так, например, 1 грамм-моль полистирола ( 104г органического вещества) при деструкции в нормальных условиях (273К и 100кПа) дает по закону Авогадро 22.4л газа. При разрежении 30кПа (или давлении 70кПа) и температуре заливки металла 1853К, согласно закону Бойля-Мариотта, 1г/моль (104г) пенополистирола дестругирует с образованием более 200л газа.

При заливке чугуна углерод, содержащийся в продуктах деструкции пенополистирола, не растворяется в расплаве железа, т.к. в нем углерод имеет большое парциальное давление и его концентрация приближается к максимальной растворимости в данных условиях. Что касается стали, то содержание углерода в ней намного ниже. Следовательно, и парциальное давление его в расплаве железа мало, поэтому происходит насыщение стали углеродом, т.е. науглероживание. Остатки СО и сгоревшего полистирола, оставаясь в кристаллизующейся стали, образуют газовую микропористость. Она дает протечки по корпусу отливок, работающих в контакте с газами и жидкостями.

При литье по ЛГМ в процессе эвакуации продуктов сгорания пенополистирола в силу различных причин в опоке, заливаемой металлом, может периодически возникать давление выше атмосферного. Это видно по выбросам газа из литника. Повышение давления приводит к конденсации паров испарившегося пенополистирола и преобразованию их в ситовидную пористость. Это явление называется литейщиками «жидкой фазой».

При литье по ВПФ процесс деструкции углеводородов, служащих связующим стержней, может продолжаться даже после заливки металла. Так, при выбивке опоки через два часа ещё наблюдается горение стержневой массы. Измельченные остатки стержневой массы, остающейся в формовочном песке в отсутствие регенерации, служат дополнительным источником углеводородов.

По собственному опыту нашего предприятия, а также ряда нам известных литейных заводов, можно отметить науглероживание стали минимум на 0.1% С при заливке по процессам ВПФ и ЛГМ по сравнению с содержанием углерода в печи при выпуске металла в ковш. Конечно, можно с целью понижения содержания С предложить внепечную обработку жидкого металла в AOD или VOD конвертерах. Но, во-первых, это дорого, а во-вторых, для плавки с весом менее 6 тонн такие конвертеры пока не встречались.

К большому сожалению в литейных цехах в последнее время преобладают индукционные печи ИСТ, работающие по упрощенной схеме переплава шихты без корректировки плавки по углероду, сере, фосфору а также других элементов в сторону их уменьшения. При этой схеме неметаллические включения и тугоплавкие окислы элементов удалить проблематично, а зачастую и невозможно.

Альтернативой является плавка в дуговой печи. При этом в дуговой печи (ДСП) по классическому двухшлаковому окислительно-восстановительному процессу можно выплавить качественную чистую от вредных примесей сталь с содержанием углерода, не превышающем 0.06%. Это позволит получить низкоуглеродистую сталь, даже заливая её в вакуумируемые опоки по формовке ЛГМ и ВПФ, науглероживая её на 0.1% по сравнению с содержанием углерода в металле плавки.

То есть содержание углерода в плавке стали должно быть ниже его нижнего предела в соответствующей марке по ГОСТ 977-88 не менее, чем на 0.1%. В противном случае есть большой риск не получить требуемый химический состав металла отливки по содержанию углерода.

Как показывает практика, неоднородность распределения углерода по поверхности отливки может составить (и составляет) от 0.25 до 1.1 процента углерода в вырезанных в разных местах образцах для анализа. Также существует факт ликвации углерода и в теле отливки. В месте ликвации прочностные характеристики отливки ухудшаются настолько, что возможно её разрушение при эксплуатации.

Выводы:

  1. Процессы формовки ЛГМ и ВПФ отливок из стали, полученной в индукционных печах, позволяют производить только средне- и высокоуглеродистые стальные отливки с хорошей поверхностью и размерной точностью, но нестабильными механическими свойствами и плохой гидравлической плотностью. Получение низкоуглеродистых марок стали невозможно.
  2. Небезопасно использование отливок, полученных методами литья по ЛГМ и ВПФ, для деталей подвижного состава железных дорог, а также деталей насосов и запорной арматуры.
  3. Для получения отливок из низкоуглеродистой стали в формах ЛГМ и ВПФ металл требуется выплавлять в дуговых печах и выпускать в ковш сталь с содержанием углерода не выше 0.1%.
  4. Наилучшие результаты отливок были получены с использованием следующих материалов:
    • Противопригарные покрытия для ЛГМ - Politop FS3, Ставролан-ЛФ
    • Футеровочные массы: Allied Mineral
Заказать услугу
Заинтересовала наша продукция? Оформите заявку на сайте, мы свяжемся с Вами в ближайшее время и ответим на все интересующие вопросы.