книги из ГПНТБ / Николайчик Н.П. Повышение стойкости изложниц на машиностроительных заводах

т о

Рис. 59. Кривые охлаждения 4-т изложницы:

первый период (0.5 ч); 6 — второй период — последующее охлаждение. Цифры на кривых указаны в соответствии с рис. 58

охлаждении 120-т изложницы, отлитой в керамическую форму. Заливку осуществляли ступенчатым способом подвода чугуна. Видно, что в течение 2 ч чугун находил­ ся в жидком состоянии; при этом отмечалось лишь по­ нижение температуры. Процесс кристаллизации начался

Т е м п е р а т у р а ,

Рнс. СО. Распределение температур п изложнице массой 3,5 т, отлитой п полупостоянной форме (а), и в изложнице массой 7 т, отлитой из ЖСС (б):

/ — в середине стенки изложницы; 2 — на расстоянии 10 мм от наружной по­ верхности

120-т изложницы, отлитой в керамическую форму

через 2 ч. В процессе кристаллизации чугуна в форме образовывалось 3 зоны: 1) полностью затвердевшего чугуна, соприкасающаяся со стенками формы; 2) двух­ фазного состояния, в которой происходит рост кристал­

нита и получению больших графитных колоний.

Были проведены и такие опыты: однотонные излож­ ницы отливались в формы из ЖСС, в полупостояиные и одноразовые песчано-глинистые. Для изложниц мелко­

112

го развеса теплопроводность формы оказывает сущест­ венное влияние как на скорость охлаждения, так и на формирование структуры. На основе проведенных опы­ тов было установлено, что теплопроводность формы име­ ет существенное значение только для мелких изложниц с толщиной стенки до 75 мм. На формирование металли­ ческой матрицы чугуна существенно влияют температу­ ра заливки и химический состав чугуна, толщина стенки изложницы, запас тепла в расплаве, масса отливаемой изложницы, ее конфигурация и конусность стенки.

НАПРЯЖЕНИЯ, ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ИЗЛОЖНИЦ

В процессе охлаждения в форме в различных участ­ ках изложницы с течением времени температура изменя­ ется неодинаково; это приводит к возникновению внут­

туре чугуна; это способ­ ствует увеличению напряжений в изложницах. Термиче­

ские напряжения и их величина зависят от времени вы­ держки изложницы в полупостоянной форме (рис. 62).

Из графика видно, что максимальные напряжения возникают при извлечении изложницы из формы через 4 ч, минимальные — через 24 ч; к этому времени тем­ пература изложницы достигает 500° С. Однако из-за не­ достаточного парка опок столь длительная выдержка изложниц в формах недопустима; как правило, излож­ ницы извлекают из форм через 8—12 ч после заливки.

При охлаждении залитой изложницы в форме по­ верхностные слои, имеющие более низкую температуру, чем середина, испытывают напряжения растяжения, а сердцевина — напряжения сжатия.

После окончания охлаждения происходит выравни­ вание температуры по всему сечению. Установление оди­ наковой температуры по всему объему не ведет к устра­ нению напряжений. После того как. охлаждение и, сле­ довательно, сокращение объема в наружных слоях заканчивается, некоторое время центральные части еще охлаждаются и объем сердцевинного слоя уменьшается, что способствует возникновению внутренних напряже­ ний, которые к моменту окончания охлаждения прини­ мают определенное значение.

Напряжения, которые сохранились в изложнице в ре­ зультате охлаждения, называются остаточными.

Чем больше разница температур по сечению излож­ ницы, тем большего значения достигают внутренние на­ пряжения первого рода, называемые термическими. Эти напряжения существенно влияют на коробление и на образование трещин.

Внутренние напряжения второго рода нс зависят от скорости охлаждения. Они возникают между отдельны­ ми элементами структур в момент перехода чугуна изжидкого состояния в твердое и при последующих пре­ вращениях в момент образования новых фаз, которые имеют разные коэффициенты линейного расширения. Так как внутренние напряжения второго рода возника­ ют между отдельными элементами структур, их называ­ ют структурными.

Возникающие напряжения неодинаковы по высоте изложницы; абсолютные значения их колеблются в ши­ роких пределах, однако определенной закономерности при этом не наблюдается.

Тангенциальные и осевые остаточные напряжения в изложницах, как правило, являются растягивающими. По величине тангенциальные напряжения значительно больше осевых.

Опыт показывает, что основная масса изложниц вы­ ходит из строя в результате образования трещин, чему способствуют внутренние напряжения, возникающие при изготовлении и развивающиеся в процессе эксплуатации изложниц. Были проведены исследования зависимости возникающих напряжений от технологии изготовления

114

тавшей изложниц в продольном и поперечном нгН правлениях в соответствии со схемой, приведенной на рис. 63. Химический состав чугуна соответствовал следу­ ющим цифрам: 3,75% С; 2,1% Si; 1% Mn; 0,1% Р; 0,05% S. Результаты механических испытаний продоль­ ных образцов представлены на рис. 64. Видно, что по­ вышению величины Он соответствует одновременное по-

вышение показателей сг„3 и сгСж и НВ. При температуре 750° С величина ов составляет 15—30 МН/м2 (1,5— 3,0 кге/мм2).

Напряжения второго рода (рис. 65) определяли на аппарате УРС-55 методом обратной съемки в железном излучении. Для получения па рентгенограмме сплошной линии от плоскости образец во время съемки вращался со скоростью 2 об/мин. Параллельно с этим при непод­ вижных образцах определяли размеры блоков а-фазы.

В зависимости от скорости охлаждения и кристалли­ зации чугуна отмечаются значительные изменения раз­ меров блоков по высоте и толщине стенки новой излож­ ницы. На наружной и внутренней поверхностях новой изложницы наблюдаются в основном мелкие, а в сред­ ней части стенки — крупные блоки.

Вранее используемой изложнице такой зависимости

враспределении размеров блоков не обнаружено. В раз­

личных участках по высоте и толщине стенки наряду с мелкими отмечаются средние и крупные блоки. Одна­ ко уже в эксплуатируемой изложнице блоки несколько

116

крупней, чем в новой; кроме того, на всех участках, кро­ ме середины стенки, они деформированы. Это свиде­ тельствует о том, что блоки под действием внутренних напряжений деформируются и изменяются в размерах. В процессе деформации за счет сдвигов внутренние на­ пряжения несколько уменьшаются.

Параметр кристаллической решетки феррита в новой и работавшей изложницах практически одинаков. Не­ сколько большее значение параметра отмечается у об­ разцов, вырезанных у внутренней поверхности стенки изложницы.

Как известно, входящий в состав чугуна кремний об­ разует с железом твердый раствор замещения. Посколь­ ку атомный радиус кремния меньше атомного радиуса железа, при растворении кремния параметр решетки феррита уменьшается.

Такое изменение параметра оказывает определенное влияние и на образование трещин. Действительно, тре­ щины ме образуются, если материал изложниц хорошо сопротивляется разрушению. Таким свойством обладает феррит-основиая масса металлической основы чугуна изложницы. Чем ближе параметр кристаллической ре-

О

шетки феррита к величине 0,286 нм (2,861 А), тем мень­ ше напряжена ячейка и тем больше возможностей для предотвращения образования трещин. Блоки такого феррита способны к большим пластическим деформаци­ ям и сдвигам без образования трещин. С повышением содержания кремния в феррите склонность блоков к тре­ щинообразованпю увеличивается.

Напряжения сп в процессе эксплуатации изложниц определяли на одной трети высоты (в зоне максимально­ го нагрева) с помощью аппарата УРС-55 с выносной трубкой, установленного в сталеплавильном цехе.

В зависимости от массы и формы слитка, а также технологии изготовления изложниц величина напряже­

При исследовании влияния химического состава уста­ новлено, что повышение содержания марганца до 1 % мало влияет на величину напряжений; значительно по­ вышает напряжения хром; при наличии 0,15—0,30% Сг и 10 Мп напряжения заметно возрастают. Содержание в чугуне более 0,3 Сг (особенно более 0,5%) приводит к еще резкому увеличению внутренних напряжений. По­

117

этому количество остаточного хрома в Чугуне для из­ ложниц не должно превышать 0,3% •

Большое влияние па напряженное состояние излож­ ниц оказывает кремнии, когда его количество превыша­ ет содержание 2,4%■ При повышении содержания крем­ ния в два раза величина напряжений возрастает более чем в три раза. До 2% содержания кремния напряже­ ния растут медленно. Повышение содержания кремния до 1,8—2% способствует повышению стойкости излож­ ниц. Действительно, наличие кремния стимулирует рас­ пад цементита, следовательно повышение в структуре количества феррита, а значит увеличение пластичности чугуна. При содержании кремния 2,1% напряжения со­ ставляют только 60—70 МН/м2 (6—7 кгс/мм2), в то время как при содержании кремния 3,1% они очень, большие и составляют 150 МН/м2 (15 кгс/мм2).

Выполненные исследования показали также, что вы­ держка изложниц на складе от трех до шести месяцев, мало влияет на величину внутренних напряжений, воз­ никающих в процессе литья.

Напряжения второго рода в изложницах измеряли по тем же рентгенограммам, что и напряжения первого рода. Об их величине судили по размытости соответст­ вующих линий рентгенограммы. Замер ширины линий осуществляли на половине высоты максимума.

Установлено, что непосредственно после литья вели­ чина напряжений второго рода в изложницах составля­ ет 40—60 МН/м2 (4—6 кгс/мм2). После 2—6 наливов на­ пряжения снижаются до 10—20 МН/м2 (1—2 кгс/мм2); при дальнейшем увеличении числа наливов напряжения возрастают.

Установлено также, что в крупных изложницах из чугуна с шаровидным графитом в процессе литья фор­ мируются высокие напряжения. Высокотемпературный отжиг способствует значительному снижению этих на­ пряжений. Однако уже после нескольких наливов на­ пряжения возрастают и по своей величине они больше напряжений, возникающих в эксплуатируемых в таких же условиях изложницах из обычного серого чугуна с ферритной основой и розеточной формой включений графита.

При разливке стали в изложницы после первого на­ лива и последующего охлаждения до комнатной темпе­ ратуры между бандажом и стенкой изложницы образу­

118

ется зазор, который затем увеличивается до максимума после пятого налива, а в дальнейшем стабилизируется. В изложницах из чугуна такого же состава, но с пла­ стинчатым графитом (без обработки магнием) зазор был в два раза меньшим и увеличивался до десятого налива.

Визложницах из магниевого чугуна с шаровидной формой графита после возникновения большого зазора между бандажом и стенкой трещины обычно появля­ лись вблизи торцов на внутренней поверхности и рас­ пространялись по всей длине. В изложницах из обыч­ ного чугуна с пластинчатым графитом подобных трещин не наблюдалось; эти изложницы выходили из строя изза сетки разгара.

Впрямоугольных изложницах продольные медленно растущие трещины иногда появлялись на широкой гра­ ни в нижнем торце. Эти изложницы выходили из строя из-за трещим или крупной сетки разгар-а, которая обра­

зовывалась в одних изложницах только после 60—65 на­ ливов, а в других (при той же конструкции и при том же химическом составе чугуна) — уже после 35—40 на­ ливов.

Исследования показали, что это различие обусловле­ но строением эвтектических зерен, величиной и располо­ жением блоков в зернах.

Как известно, в поликристаллических сплавах зерна имеют мозаичную структуру: их можно рассматривать как тела, состоящие из отдельных блоков, повернутых один относительно другого на небольшой угол (от се­ кунд до десятков минут). В процессе пластического де­ формирования возникает структурная неоднородность, которая создает механические препятствия распростра­ нению сдвигов; это увеличивает сопротивление металла пластическому деформированию. В данном случае важ­ ное значение имеют форма, величина и характер по­ строения графитных колоний.

Дробление блоков при пластической деформации увеличивает степень дезориентировки, а локальные иска­ жения кристаллической решетки способствуют упрочне­ нию металла при пластической деформации, что влияет на образование трещин различных видов.

В неработавших изложницах размер блоков меняет­ ся по высоте и сечению изложницы в широких пределах. В средней части блоки мельче, чем в торцовой и донной

119