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

формах. Обе кривые были рассчитаны уточненным методом, опи­ санным в начале данного раздела.

Если рассчитать остаточные напряжения в этих отливках по

приближенной формуле (107) с использованием зависимости

0

(115), то при —1— = 0,2 результат приближенного расчета совпа-

е

дает с кривой 1 рис. 71, а п р и -^ -= 0,3—с кривой 2. Объясняет-

е

ся это тем, что охлаждение более тонкой отливки в металличес­ кой форме происходит очень быстро и

'повышенной температуре. В результате для совпадения приближенного расчета с уточненным в данном случае пришлось брать большую величину

еп

е

Таким образом, пользуясь приближенными формулами (104), (107) — (114) и зависимостью (115), можно достаточно точно рас­ считывать остаточные напряжения в отливках простой конфигу­ рации. Этими же формулами можно пользоваться и для оценки остаточных напряжений, возникающих в отдельных элементах отливок сложной конфигурации из-за температурных перепадов, получающихся у таких элементов по толщине их стенок.

На величину напряжений, воз­ никающих в отливках при их охлаждении в форме, оказыва­ ет влияние большое число раз­ личных факторов.

Чтобы получать отливки с заданной величиной остаточных напряжений, необходимо знать влияние, оказываемое основным! конструктивными и технологи-

160

ческими факторами на величину как остаточных, так и времен­ ных напряжений, возникающих при охлаждении отливок в фор­ ме.

Прежде всего рассмотрим влияние размера отливки на вели­ чину возникающих в ней остаточных напряжений. Чем больше отливка, тем медленнее она охлаждается в форме. Так как ве­ личина напряжений сильно зависит от конструкции отливки, то рассмотрим ряд отливок одинаковой конструкции, но различно­ го размера. Характерной особенностью охлаждения геометриче­ ски подобных отливок различного размера в геометрически по­ добных формах, изготовленных из одинаковой смеси, является следующее. При любой конструкции таких отливок температур­ ные кривые охлаждения их соответственных точек, представлен­

ные в зависимости от критерия Фурье Fo = -^-,всегда будут оди­

наковыми (здесь т — время с начала охлаждения данной отлив­ ки; R — характерный размер отливки; а — температуропровод­

ность материала отливки).

Следовательно, во всех рассматриваемых отливках при ох­ лаждении возникают одинаковые температурные поля. Разница состоит лишь в том, что в медленно охлаждающихся более круп­ ных отливках изменение этих температурных полей со временем происходит тоже медленнее, чем в отливках небольшого раз­ мера.

Наличие одинаковых температурных полей при достижении отливками одинаковой температуры вызывает в них одинаковые напряжения. Различной будет лишь пластическая деформация возникающая из-за ползучести металла, так как она зависит от времени нахождения отливки при той или иной температуре,

а оно будет различным. Кроме того, из-за особенности деформа­ ции песчаных стержней, которая будет рассмотрена в настоящем разделе, напряжения от сопротивления стержней усадке метал­ ла в геометрически подобных отливках разного размера могут несколько различаться. Но пока не будем этого учитывать и рас­ смотрим главным образом напряжения, возникающие в отлив­ ках от неравномерного их охлаждения в форме.

При отсутствии ползучести металла в геометрически подоб­ ных отливках разной величины возникали бы одинаковые вре­ менные и остаточные напряжения. Такой же вывод можно сде­ лать из формул (107) — (114), полученных в предположении, что ползучесть металла отсутствует.

Учитывая наличие в геометрически подобных отливках одно­ значной зависимости температуры от критерия Фурье Ф = /(F 0), получаем

(116)

Если выражения, стоящие в уравнениях (107) — (114) в фи­ гурных скобках, обозначить через Dm, то все эти уравнения мож­

но представить в виде одного

Для отливок одинаковой конфигурации, изготовленных из од­ ного и того же металла, величины Е, ц, а * и Dm будут одинако­

выми. Кроме того, для геометрически подобных отливок одинаковой

металла на соответственных участках геометрически подобных отливок, изготовленных из одного и того же чугуна, уменьшает­ ся с увеличением размера отливок (см. рис. 20). Это также спо­ собствует уменьшению остаточных напряжений в более крупных отливках.

На рис. 72 в качестве примера изображены кривые измене­ ния остаточного напряжения оо в центральном стержне литейной решетки из чугуна СЧ 21-40, в зависимости от его толщины h в

поперечном сечении. Обе кривые получены с помощью изложен­ ного в начале раздела 11 уточненного метода расчета напряже­ ний в отливках. Кривая 1 соответствует случаю, когда с увели­

чением размера отливки меняется только время ее охлаждения в форме, но свойства металла остаются постоянными. Кривая 2

рассчитана с учетом изменения и свойств металла отливки при изменении ее размера. Как видно из приведенных кривых, и пол­ зучесть металла, и зависимость его прочности от размера отлив-

162

ки оказывают заметное влияние на величину возникающих в крупных чугунных отливках остаточных напряжений.

Различие микроструктуры металла в пределах одной чугун­ ной отливки из-за разной скорости охлаждения отдельных ее участков также является причиной возникновения остаточных напряжений. Как было показано в разделе 3, разная микрострук­ тура чугуна при неизменном его химическом составе приводит к существенно различным температурным деформациям (см. рис. 22), а следовательно, и к разной величине коэффициента темпе­ ратурного расширения отдельных участков отливки, что вызы­ вает в ней остаточные напряжения (см. раздел 10).

АШО*

Рис. 73. Разность температурных деформаций чу­ гуна в пределах одной (кривые /, 2, 3) и другой (кривые 4, 5) отливки из-за разной его структуры:

/ и 4 — центр массивной части; 2 и 5 — середина боковой ее поверхности; 3 — угол массивной части

Для оценки возможной разницы температурных деформаций металла в пределах одной чугунной отливки был проведен сле­ дующий эксперимент. Из различных участков массивной части выбранной чугунной отливки вырезали пробы и с помощью точ­ ного оптического дилатометра определяли их температурную де­ формацию. Одновременно пробу вырезали из тонкой стенки той же отливки и на дилатометре измеряли ее температурную де­ формацию. В дальнейшем температурную деформацию тонкой стенки чугунной отливки бт принимали за базовую и определяли разницу температурных деформаций рассматриваемого участка массивной части и тонкой стенки Аб = бм— бт. Здесь так же, как и при построении кривых рис. 22, за начало расчета принимали температуру 650° С, для которой разность Дб считалась равной нулю.

На рис. 73 приведены данные таких измерений для чугунных отливок двух станочных деталей. Кривые /, 2 и 3 получены для

каретки плоскошлифовального станка модели ЗВ722, имеющей

габаритные размеры 1280X810X590 мм и массу 500 кг. Толщи­ на стенки отливки, температурная деформация которой прини­ малась в качестве базовой, составляла 13 мм. Размеры попереч­ ного сечения массивной части 110x120 мм.

Кривые 4 и 5 рис. 73 получены для стойки зуборезного стан­

ка модели 528С, имеющей габаритные размеры 758 x 698 x 715 мм и массу 318 кг. Толщина стенки отливки, температурная дефор­ мация которой принималась в качестве базовой, составляла 20 мм. Размеры поперечного сечения исследовавшейся массив­ ной части отливки 55x95 мм. Химический состав чугуна иссле­

Из кривых следует, что чем больше отличается структура ме­ талла в рассматриваемых участках отливок, тем больше разни­ ца и в их температурных деформациях. Наибольшая разница температурных деформаций получается между тонкой стенкой и центром массивной части. Особенно велика она у отливки карет­ ки станка ЗВ722, у которой толщина массивной части во много раз больше толщины ее стенки. Затвердевание поверхности мас­ сивной части происходит быстрее, чем ее центрального участка, и поэтому структура металла на поверхности меньше отличается от его структуры в тонкой стенке. Это сказывается и на умень­ шении разницы температурных деформаций указанных участков (см. кривые 2,3 и 5 рис. 73).

Приведенная на рис. 73 разница температурных деформаций в пределах одной отливки может в зависимости от ее конструк­ ции вызвать в ней остаточные напряжения, достигающие 20— 30 МН/м2. При наличии концентрации напряжений, их величина может быть и большей. Важно, что знак остаточных напряжений от структурной неоднородности совпадает со знаком напряже­ ний, возникающих от неравномерного охлаждения отливок в форме (при отсутствии в отливках изгиба). Суммируясь, эти на­ пряжения вызывают увеличение напряжений растяжения в мас­ сивных частях отливок.

Следует учитывать, что уменьшать величину остаточных на­ пряжений, возникших в чугунной отливке из-за неоднородности структуры ее металла, очень трудно. Использование для этой це­ ли обычного низкотемпературного отжига не дает никакого эф­ фекта. Различия в величине коэффициента температурного рас­

164

ширения а у участков отливки с разной микроструктурой метал­

ла сохраняются неизменными до тех пор, пока не меняется их структура. Напряжения, вызванные неоднородностью структуры металла, возникают в отливке во время ее охлаждения в форме, причем их величина тем больше, чем ниже температура отлив­ ки. По мере нагрева отливки для отжига остаточные напряже­ ния, бывшие в ней из-за различия коэффициентов а отдельных участков, уменьшаются. После достижения температуры отжига величина этих напряжений будет мала, а следовательно, неболь­ шой будет и абсолютная величина их снижения в процессе от­ жига.

При низкотемпературном отжиге, осуществляемом для сни­ жения остаточных напряжений, стремятся сохранить неизменной структуру металла, чтобы не снизить его исходную твердость. В результате отжиг не изменяет величину коэффициентов а раз­

личных участков отливки и при охлаждении в ней снова возни­ кают практически те же остаточные напряжения, которые были до отжига.

Уменьшить подобные остаточные напряжения можно только отжигом отливки при более высокой температуре, когда проис­ ходит изменение структуры ее металла. Однако для большинст­ ва чугунных отливок базовых деталей станков и приборов такой отжиг недопустим, так как после него резко ухудшаются меха­ нические свойства серого чугуна и, в частности, его износостой­ кость.

Радикальным средством уменьшения остаточных напряжений от структурной неоднородности является применение чугуна, обеспечивающего получение минимальной разницы в структуре металла массивных и тонких стенок отливки. Одним из наибо­ лее эффективных и доступных в производственных условиях спо­ собов получения такого чугуна является модифицирование. Су­ ществует большое количество различных комплексных модифи­ каторов чугуна, позволяющих не только повысить механические свойства металла отливок, но и уменьшить колебания его микро­ структуры в пределах одной отливки.

На величину возникающих в отливках напряжений значитель­ ное влияние может оказывать сопротивление формы усадке ме­ талла. Степень этого влияния сильно зависит от конфигурации и относительных размеров отливки. Так, например, в сравнитель­ но толстостенных отливках, не имеющих значительных внутрен­ них полостей, сопротивлением формы усадке металла часто во­ обще можно пренебречь. В то же время характерной особенно­ стью большинства крупногабаритных чугунных -деталей являет­ ся наличие в них больших внутренних полостей, которые образу­ ются песчаными стержнями. Толщина стенок таких отливок обы­ чно во много раз меньше размеров стержней, и сопротивление стержней усадке металла создает в них значительные напряже­ ния.

165

На рис. 74, а приведены характерные кривые изменения вре­ менных напряжений, возникающих в стенках чугунной отливки коробчатой формы от сопротивления стержней. Кривые постро­ ены для отливки из чугуна СЧ 21-40 в случае применения стерж­ ней, изготовленных из песчаных смесей, обладающих в сухом состоянии различной прочностью при сжатии (от 4,5 до

0,76 МН/м2).

Как видно на рисунке, напряжения, возникающие в чугунной отливке при температуре ее стенок выше 700° С, невелики и прак­

струкции отливки. При дальнейшем охлаждении отливки напря­ жения несколько уменьшаются.

Такой характер изменения напряжений, возникающих в от­ ливке от сопротивления стержней усадке металла, объясняется следующим. При температуре выше 700° С напряжения зависят не столько от свойств материала стержня, сколько от пластич­ ности чугуна, которая при этих температурах весьма значитель­ на. В результате величина возникающих в отливке напряжений определяется не тем, какое сопротивление способен оказать уса­ дке металла данный стержень, а тем, какое напряжение спосо­ бен выдержать металл отливки, т. е. какое напряжение не вызы­ вает в нем интенсивной пластической деформации.

По мере понижения температуры металла его пластичность уменьшается, способствуя некоторому увеличению напряжений в отливке. Однако во время процесса перлитного превращения происходит резкое разупрочнение металла отливки и он интен­ сивно пластически деформируется даже от небольшого напряже­ ния. Это обеспечивает резкое уменьшение любых напряжений в

1 6 6

отливке во время происходящего в ее металле процесса перлит­ ного превращения.

На рис. 74,6 представлена типичная кривая изменения пла­ стической деформации чугуна в отливке коробчатой формы от сопротивления стержней усадке металла, построенная на осно­ вании экспериментальных данных 1 в зависимости от температу­ ры отливки. Видно, что сразу же после затвердевания происхо­ дит интенсивная пластическая деформация металла, вызванная быстрым нагревом и расширением песчаного стержня, форми­ рующего внутреннюю полость отливки. При дальнейшем охлаж­ дении отливки интенсивность роста пластической деформации уменьшается до момента начала перлитного превращения. Во время перлитного превращения происходит резкое увеличение пластической деформации, после чего ее рост практически пре­ кращается, так как при более низкой температуре быстро увели­ чиваются упругие свойства металла и уменьшается его склон­ ность к пластическому деформированию.

Отсутствие заметной пластической деформации чугуна при охлаждении отливки ниже температуры перлитного превраще­ ния приводит к быстрому росту напряжений от сопротивления стержней. В этом случае величина возникающих в отливке на­ пряжений определяется уже свойствами материала стержней и конструкцией отливки. Влияние же на их величину пластичных свойств металла отливки мало.

Наличие характерного для кривых рис. 74, а максимума на­

пряжений можно объяснить двумя причинами — либо происхо­ дит разрушение стержня, либо в результате охлаждения стерж­ ня возникает интенсивная его температурная усадка, превышаю­ щая усадку металла. Всесторонний анализ обеих причин пока­ зал, что во всех случаях наличие максимума напряжений было вызвано только началом разрушения стержней. Следовательно, максимальные напряжения в отливке от сопротивления стержней усадке определяются прочностью материала этих стержней. Но прочность любого материала, как известно, зависит от характе­ ра напряженного состояния. Так, например, при равномерном всестороннем сжатии вообще нельзя вызвать разрушение мате­ риала.

В отливках коробчатой формы материал стержней всегда на­ ходится в состоянии трехосного сжатия. Даже когда отливка имеет конфигурацию, подобную коробке без дна и крышки, то и тогда в участках песчаного стержня, расположенных близко к стенкам отливки, возникает трехосное напряженное состояние сжатия из-за трения стержня о поверхность отливки.

Для выяснения влияния, оказываемого всесторонним сжати­ ем на прочность материала песчаных стержней, был проведен следующий эксперимент. Образец из испытуемой песчаной сме­

1 Получены А. М. Герчиковым.

167

си помещали в специальный резервуар, в котором создавалось всестороннее давление р. Затем с помощью пуансона в образце

создавали дополнительные напряжения одноосного сжатия, вы­ зывавшие его разрушение. Испытанию подвергали различные песчаные смеси с прочностью при сжатии в сухом состоянии от 0,5 до 2,9 МН/м2. Применяемые обычно для изготовления чугун­ ных отливок по-сухому смеси имеют прочность при сжатии в су­ хом состоянии 0,6— 1,5 МН/м2.

Результаты всех экспериментов легли на одну кривую, пред­ ставленную на рис. 75, где на оси абсцисс отложено отношение

Вдействительности же обгорание

стержней происходит только на небольшую глубину от поверх­ ности их соприкосновения с металлом. Остальная масса стержня хотя и нагревается, но до сравнительно небольших температур, при которых материал стержней не теряет своих первоначальных прочностных свойств. Обожженный же тонкий слой стержня ока­ зывается сжатым между сохранившей свою прочность основной его массой и стенками отливки. Так как между отливкой и пес­ чаным стержнем всегда существует значительное трение, то при сжатии обгоревшего слоя между отливкой и остальной массой стержня в нем возникает трехосное сжатие, резко увеличиваю­ щее его прочность. В результате даже обгоревший слой стержня работает как смесь, обладающая прочностью при сжатии 0,6— 1,5 МН/м2.

Следовательно, простым уменьшением исходной прочности материала песчаных стержней невозможно заметно снизить мак-

168

симальные напряжения, возникающие в отливке. Это было под­ тверждено прямыми экспериментами по определению макси­ мального давления qm, возникающего в песчаном стержне отлив­

ки коробчатой формы из чугуна СЧ 21-40 при различной исход­ ной прочности сто материала этого стержня.

Отливка представляла собой коробку без дна и крышки с толщиной стенок 15 мм. Высота отливки была 200 мм, а ее раз­ меры в плане составляли 380X960 мм.

Если бы около стенок отливки не возникало трехосное сжа­

стержневых смесей с низкой исходной прочностью во обгоревший

слой при его трехосном сжатии имеет практически такую же прочность, как и основная масса стержня. Это создает во всем стержне трехосное сжатие и значительно увеличивает необхо­ димое для его разрушения максимальное давление qm.

Если отливка имеет конфигурацию коробки, закрытой со всех сторон, величина максимального давления qm, при которой про­

исходит разрушение стержня, значительно возрастает. Соответ­ ствующие данные для описанной выше экспериментальной от­ ливки обозначены на рис. 76 треугольниками. Следует отметить, что и в этом случае характер изменения давления в стержне и создаваемых им напряжений в отливке по мере ее охлаждения остается таким же, как показано на рис. 74, а.

Из приведенных данных видно, что величина максимального давления qm в отливках типа закрытых со всех сторон коробок

сильнее зависит от исходной прочности стержневой смеси, чем в отливках, имеющих вид коробки без дна и крышки. Объясняется это тем, что в первом случае объемное сжатие основной массы стержня создается всесторонней усадкой стенок отливки и мало

169