книги из ГПНТБ / Коцюбинский О.Ю. Стабилизация размеров чугунных отливок

О.Ю.КОЦЮБИНСКИЙ

МОСКВА «МАШИНОСТРОЕНИЕ» 1974

К 75 УДК 621.74 : 669.13 : 621.746.58

Коцюбинский О. Ю. Стабилизация размеров чугунных от­ ливок. М., «Машиностроение», 1974, 296 с.

В книге дан анализ причин, вызывающих коробление чугун­ ных отливок, а также анализ различных конструктивных и технологических факторов, влияющих на величину коробления.

Рассмотрены методы стабилизации размеров чугунных отливок, указаны целесообразные области применения каж­ дого из них и даны рекомендации по выбору оптимальных тех­ нологических режимов стабилизирующей обработки. Значи­ тельное внимание уделено методам снижения остаточных на­ пряжений в отливках.

Описаны методы и приборы для регулирования принуди­ тельного охлаждения в форме отливок сложной конфигурации с целью получения в них минимальных остаточных напря­ жении.

Книга предназначена для инженерно-технических и научных работников, занятых изготовлением и обработкой отливок.

Табл. 14. Ил. 125. Список лит. 54 назв.

Рецензент д-р техн. наук Н. Г. Гиршович

31204-042

■42-74

038(01 )-74

ч_

© Издательство «Машиностроение

дит либо в результате износа трущихся поверхностей, либо не­ обратимой деформации материала детали. Причиной такой необратимой деформации могут быть структурные превращения металла, пластическая его деформация от действия внешних сил, а также пластическая деформация, возникающая с течени­ ем времени под действием имевшихся в детали остаточных напряжений и вызывающая уменьшение (релаксацию) последних.

Абсолютная величина необратимой деформации и степень ее влияния на изменение первоначальной формы или размеров какой-либо детали зависят от конструкции и материала детали, технологических особенностей ее изготовления, условий эксплуа­ тации и ряда других факторов. Конструкторы и технологи должны знать основные причины, вызывающие эту деформацию, а также все методы, способствующие ее уменьшению или пол­ ному устранению, особенно в базовых деталях машин.

Большинство базовых деталей металлорежущих станков и точных измерительных приборов, а также базовые детали мно­ гих других машин изготовляют из чугунных отливок, для кото­ рых обычно используют серый чугун с пластинчатой формой графита. Объясняется это прежде всего тем, что при изготов­ лении крупногабаритных деталей сложной конфигурации чугун имеет значительные технико-экономические преимущества перед другими сплавами.

Характерной особенностью базовых чугунных деталей металлорежущих станков и точных приборов является возник­ новение в них небольших эксплуатационных напряжений, обыч­ но не превышающих 5—20 МН/м2. Это позволяет с точки зре­ ния прочности допускать в них достаточно большие остаточные напряжения.

В то же время к точности чугунных базовых деталей станков и приборов предъявляются очень высокие требования. Так, например, непрямолинейностьнаправляющих поверхностей чу­ гунной базовой детали точного станка или прибора, имеющих длину несколько метров, в ряде случаев не должна превышать всего 1—2 мкм.

Таким образом, основным требованием, предъявляемым к ■ чугунным базовым деталям точных станков и приборов, являет­ ся обеспечение высокой стабильности их размеров независимо

3

от величины сохранившихся в них остаточных напряжений. Применительно к этому требованию и рассматриваются в даль­ нейшем вопросы стабилизации размеров чугунных отливок. В тех случаях, когда в чугунной детали какой-либо конкретной машины возникают большие эксплуатационные напряжения и требуется не только стабилизация ее размеров, но и. обязательно снижение остаточных напряжений, из всех рассмотренных далее методов стабилизации следует выбирать только такие, которые одновременно удовлетворяют обоим этим условиям.

Давно было замечено, что чугунные отливки, в которых имелись остаточные напряжения, не оставались стабильными, а самопроизвольно деформировались в течение достаточно дли­ тельного времени. Основными способами уменьшения такой деформации или, как ее обычно называют, коробления отливок были либо длительное их вылеживание, либо низкотемператур­ ный отжиг при 500—600° С, когда в чугуне еще не наблюдаются заметные структурные превращения. Все методы предотвраще­ ния коробления и стабилизации размеров чугунных отливок по­ лучили название «старение».

Вылеживание чугунных отливок, называемое естественным старением, осуществлялось в течение нескольких месяцев и даже лет, причем было замечено, что стабилизация размеров отливок наступает быстрее и обеспечивается более надежно, если они находятся не в помещении, а под открытым небом.

Низкотемпературный отжиг отливок в течение нескольких часов получил название искусственного старения.

Кроме того, было известно, что вибрация или остукивание чугунных отливок также уменьшает последующее их коробле­ ние. Однако причины, обеспечивающие при этом уменьшение коробления, а также параметры вибрации, определяющие сте­ пень стабилизации размеров чугунных отливок, не были ясны.

Так как основной причиной деформации чугунных отливок являлись имевшиеся в них остаточные напряжения, а многочис­ ленными экспериментами [18, 31, 39, 43, 44, 53] было доказано резкое их уменьшение в процессе низкотемпературного отжига, то общепринятым [35, 40, 42, 49] стало мнение, что по величине сохранившихся в отливке остаточных напряжений можно судить о том, будет ли она в дальнейшем коробиться или нет. Отсюда следовало, что при наличии в отливке больших остаточных на­ пряжений она не может быть стабильной и обязательно будет коробиться.

Однако в последнее время рядом исследователей было уста­ новлено, что в чугунных отливках происходит сравнительно небольшое снижение остаточных напряжений при длительном их вылеживании, а также после вибрационной обработки [6, 42]. Так, например, при длительном вылеживании остаточные напря­ жения снижались всего на 5—20%, хотя из практики известно, что выдержанные таким образом чугунные отливки в дальней­

4

получена для образца из ковкого чугуна, имевшего графитовые включения неправильной шаровидной ф'ормы, кривая 4 — для

образца из чугуна СЧ 35-56, имевшего графитовые включения пластинчатой формы, но сравнительно небольшой длины, а кри­

нимальную концентрацию напряжений создают включения ша­ ровидной формы, а наибольшую — включения в виде тонких пластин, причем с увеличением длины пластин возрастает и величина создаваемой ими концентрации напряжений.

На основании этих экспериментов механизм релаксации остаточных напряжений в чугуне может быть представлен следущим образом. Средние напряжения первого рода, определен­ ные для чугунных отливок в предположении об однородности их материала и используемые во всех расчетах, а также при обра­ ботке результатов любых экспериментов, в действительности резко возрастают около различных микроконцентраторов напря­ жений и в первую очередь около графитовых включений. Таким образом, металлическая основа чугуна подвергается воздей­ ствию не только средних напряжений, но и большого количества микроперенапряжений.

Степень увеличения действующего в чугуне напряжения первого рода около мест его концентрации зависит, как уже отмечалось, главным образом от формы концентратора, т. е. от формы графитовых включений. У чугуна с пластинчатой фор­ мой графитовых включений концентрация напряжений настоль­ ко велика, что даже в тех случаях, когда средняя величина действующих в чугуне напряжений первого рода мала и они не способны вызвать пластическую деформацию его металлической основы, около графитовых включений возникают напряжения, достигающие предела текучести, а нередко и превышающие его. Естественно, что такие большие напряжения будут интенсивно релаксировать в результате местной пластической деформации металлической основы чугуна, происходящей с течением време­ ни около концентраторов напряжений.

U Релаксация напряжений в любом металле и, в частности, в стали происходит из-за его пластической деформации, возни­ кающей с течением времени под действием имеющихся в нем напряжений. Если действующие в металле напряжения не спо­ собны вызвать его пластическую деформацию, релаксации напряжений не будет.

Таким образом, чтобы устранить релаксацию, необходимо либо уменьшить действующие напряжения, либо повысить со­ противление металла пластическому деформированию, т. е. по­ высить его релаксационную стойкость.

Известно, что пластическое деформирование стали вызывает ее упрочнение (наклеп). Правда, с течением времени происходит и ее разупрочнение, но этот процесс идет достаточно интенсивно

6

при релаксации напряжений пластическая деформация вызыва­ ет одновременно два процесса: во-первых, уменьшаются действующие в металле напряжения и, во-вторых, повышается релаксационная стойкость металла. В тот момент, когда релак­

пластическая деформация металла к моменту прекращения ре­ лаксации напряжений. При построении схемы использовали обычное в таких случаях допущение, что упрочнение металла и повышение его релаксационной стойкости пропорциональны величине пластической деформации.

. Из данных схемы можно сделать два основных вывода. Во-первых, по величине сохранившихся остаточных напряжений нельзя судить о возможности дальнейшей их релаксации. Все зависит от релаксационной стойкости, которой обладает металл в данный момент, а она, в свою очередь, определяется силовы­ ми, температурными и прочими факторами, воздействовавшими до этого на металл. Во-вторых, чем больше величина исходных напряжений, тем больше пластическая деформация металла

7

к моменту их стабилизации, а следовательно, больше и измене­ ние размеров деталей.

Анализ процесса релаксации остаточных напряжений в чугу­ не позволил не только объяснить механизм их стабилизации при использовании известных методов старения чугунных отливок, но и разработать новые методы старения.

При естественном старении в основном происходит релак­ сация больших напряжений, возникающих в местах концентра­ ции около графитовых включений. В результате существовав­ шие во всем объеме чугуна местные пики напряжений уменьшаются, а участки металла, на которые они действуют, упрочняются, и релаксация прекращается. Но так как доля

тельно, стабилизация чугунных отливок при естественном ста­ рении основана не на общем снижении уровня остаточных напряжений в отливке, а на снижении только их максимальных значений в местах концентрации напряжений и на существен­ ном упрочнении металла на этих участках.

В случае низкотемпературного отжига при 500—600° С упрочнение металла мало, но при этом резко снижаются быв­ шие в отливке напряжения первого рода, а также уменьшается степень их концентрации у графитовых включений из-за проис­ ходящей там местной пластической деформации металлической основы чугуна. В результате, даже при наличии невысокой релаксационной стойкости чугуна, сохранившиеся после отжига остаточные напряжения настолько малы, что не способны вы­ звать значительного коробления отливки.

Исследования процесса вибрационной обработки чугуна с целью стабилизации имевшихся остаточных напряжений пока­ зали, что частота вибрации практически не сказывается на получаемых результатах [20]. Основное влияние оказывает амплитуда дополнительных напряжений, создаваемых вибра­ цией в чугуне, а сам процесс вибрации является лишь спо­ собом временной перегрузки различных участков чугунных от­ ливок.

Физическая сущность влияния вибрации на стабилизацию остаточных напряжений в чугунных отливках объясняется сле­ дующим образом. В момент совпадения знака дополнительных напряжений, создаваемых вибрацией в отливке, со знаком имевшихся в ней остаточных напряжений происходит временная перегрузка чугуна, вызывающая в нем пластические деформа­ ции. Так как при действии на чугун любых напряжений первого рода происходит их концентрация около графитовых включе­ ний, то временная перегрузка вызывает пластическую дефор­ мацию прежде всего именно на этих участках. В результате после прекращения вибрации максимальные напряжения около

8

графитовых включений уменьшаются, а металл на этих участ­ ках упрочняется от произошедшей там пластической дефор­ мации.

Фактически происходит тот же процесс, что и при естествен­ ном старении, но в значительно более короткий промежуток времени. Правда, упрочнение металла от одной и той же вели­ чины пластической деформации различно и зависит от того, как она произошла: медленно в результате релаксации (ползучести) или быстро под действием временной перегрузки. В последнем случае упрочнение меньше, однако многократное повторение временной перегрузки в процессе вибрации способствует повы­ шению сопротивления металла последующему пластическому деформированию.

На основании рассмотренного механизма стабилизации чугунных отливок при временной перегрузке были предложены новые методы их старения путем статического нагружения [20], а также путем создания температурных напряжений при быст­ ром нагреве [21].

Кроме того, на основании изучения механических свойств пластически деформированной стали после ее нагрева до раз­ личных температур была доказана эффективность стабилизации чугунных отливок с помощью их низкотемпературного отжига при 200—300° С [23].

Таким образом, был создан комплекс различных методов стабилизации чугунных отливок, основанных на использовании силового или термического воздействия, установлены преиму­ щества и недостатки каждого метода и рациональная область его применения, а также были определены оптимальные техно­ логические режимы для всех видов старения.

Однако, несмотря на наличие различных методов стабили­ зации размеров чугунных отливок, в первую очередь необходимо стремиться уменьшить их коробление за счет получения мини­ мальных остаточных напряжений уже при литье. Добиться этого можно путем рационального конструирования отливок; а также регулированием их охлаждения в литейной форме, так как на величину остаточных напряжений больше всего влияет нерав­ номерность охлаждения отливки в интервале температур, соответствующем переходу ее материала из пластичного со­ стояния в упругое [22]. Важным фактором уменьшения короб­ ления является также применение чугуна, обеспечивающего получение минимальной разницы между микроструктурой в мас­ сивных участках отливки и в тонких ее стенках.

В книге проанализированы различные факторы, влияющие на коробление чугунных отливок, и изложены методы его умень­ шения. Она написана главным образом на основании работ, выполненных автором или под его руководством в Эксперимен­ тальном научно-исследовательском институте металлорежущих станков (ЭНИМС). Результаты этих работ и полученные реко­

9