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

длине отливки, так как в основу формулы (138) заложено допу­ щение о постоянстве величины а0с по всей длине удаленного

слоя металла. Кроме того, чаще всего различие в значениях аос, рассчитанных для разных x it получается не столько из-за дейст­

вительного изменения напряжения оос по длине отливки, сколько из-за ошибок, допущенных при измерении прогиба отливки или площади поперечного сечения удаленного слоя металла.

Если статический момент S£> и момент инерции Jy остаются

постоянными по длине отливки, формула (138) значительно уп­ рощается и приобретает вид

В частном случае, при х,- = 0,5/ получаем обычную формулу

8/zjEJу

(140)

cF, (2

Удаление с отливки слоев металла, имевших остаточные нап­ ряжения, вызывает перераспределение остаточных напряжений и в остальной массе отливки. Если обозначить остаточные нап­ ряжения, бывшие на участке сечения отливки балочного типа с координатами у\ и Z\ до удаления слоя металла через сгю, то по­

лучившиеся там после удаления слоя новые напряжения ого мо­ жно рассчитать по формуле

где F — площадь поперечного сечения отливки после удаления слоя металла; Му и Mz — изгибающие моменты, определяемые по формулам (136) и (137); у\ и Z\ — координаты рассматривае­

мого участка относительно главных центральных осей инерции сечения отливки, оставшегося после удаления с нее слоя метал­ ла; Nx — осевая сила, равная

Практически измерение прогибов (особенно у крупногабарит­ ных отливок типа станин металлорежущих станков), которые возникают в результате их механической обработки, можно про­ изводить следующим образом. Сначала вдоль всей длины отлив­ ки обрабатывают одну или несколько узких полос, поверхность которых не затрагивают при дальнейшей механической обработ­ ке. Поверхность этих полос должна быть хорошо отшабрена.так как по ним производят замер прогиба отливки. До удаления с отливки исследуемого слоя металла ее устанавливают на трех

180

точках или (при большой длине отливки) на двух поперечных опорах (рис. 82,а), расположенных в строго фиксированных ме­

стах по длине отливки, и измеряют профиль указанных полос. Измерение производят либо с помощью измерительного мостика и установленного на нем уровня (см. раздел 6), либо при помо­ щи индикатора, укрепляемого в резцедержавке продольно-стро­ гального станка (если измеряемая отливка на опорах устанав­ ливается на столе этого станка). После удаления механической обработкой слоя металла площадью Л отливку снова ставят на опоры и выдерживают в течение нескольких часов до полного ее охлаждения. Затем производят новый замер профиля полосы в тех же точках по длине отливки, что и при первом измерении.

Результаты обоих замеров профиля полосы обрабатывают та­ ким образом, что ординаты z* отсчитывают от прямой, проходя­ щей через крайние точки измеряемого участка отливки длиной I.

Тогда разность между соответствующими ординатами, измерен­ ными в точке с координатой х,- пссле механической обработки от­ ливки и до нее, будет равна прогибу отливки fz<в этом сечении

(рис. 82, б).

У отливок балочного типа описанным методом можно опре­ делять средние остаточные напряжения не только в поверхност­ ных слоях, но и по толщине стенок. Для этого с исследуемого участка отливки последовательно удаляют несколько слоев метал­ ла. После снятия каждого слоя измеряют прогиб отливки и пло­ щадь поперечного сечения удаленного слоя. Остаточные напря­ жения Оос;, бывшие в каждом /-м слое в момент его удаления, рассчитывают по формуле (138) или (139). Затем определяют напряжения, возникшие в /-м слое от удаления предыдущих (/—

— 1) слоев. Вычитая их из напряжения cr0cj. полученные при удалении /'-го слоя, определяют исходную величину остаточных напряжений стоиj, бывших в рассматриваемом /-м слое отливки.

181

Обозначим через Мук и Мгк изгибающие моменты, а через Мхк — осевую силу после удаления к-го слоя. Через JyK и І т обо­ значим моменты инерции, а через FK— площадь поперечного се­

чения отливки, оставшегося после удаления к-го слоя. Величины 2ік и Уік являются расстояниями /-го слоя от главных централь­

ных осей этого сечения. Тогда нормальное напряжение аЗІ(, соз­ даваемое в /-м слое при удалении какого-либо предыдущего к-го слоя, определяется по формуле

Іу к

аистинная величина остаточного напряжения, бывшая в /-м слое, по формуле

к=1

Таким образом, приведенные в данном разделе методы поз­ воляют определять остаточные напряжения как на поверхности, так и внутри отливок различной конфигурации.

на глубину всего нескольких миллиметров. Поэтому все методы стабилизации разработа­ ны применительно к отливкам из серого чугуна в литом состоя­ нии. Среди них специально отмечаются методы, которые обеспе­ чивают стабилизацию и поверхностнозакаленных чугунных от­ ливок.

Как уже отмечалось раньше, при помощи стабилизирующей обработки чугунных отливок стремятся уменьшить релаксацию имеющихся в них остаточных напряжений, а также пластичес­ кую деформацию, возникающую от действия внешних на­ грузок.

Из данных, приведенных в главе I, следует, что во всех случаях стабилизация размеров чугунных отливок основывается на сни­ жении напряжений в местах их концентрации, особенно около графитовых включений, а также на упрочнении в этих местах металлической основы чугуна.

Для получения необходимого эффекта во всех методах уско­ ренной стабилизации используют воздействие на отливку двух основных факторов — теплового и силового. Продолжительность воздействия зависит от особенностей происходящих при этом в отливке процессов.

Диапазон температур, используемых для теплового воздейст­ вия на отливки из серого чугуна, выбирают, исходя из того, что­ бы в ее металле не происходили заметные структурные превра­ щения, снижающие его твердость. Практически это диапазон от 20 до 600° С. Величина силовых нагрузок должна быть такой, чтобы при этом не происходило разрушение отливок. Способ же приложения нагрузок (статический, динамический, ударный) мо­ жет быть любым. Важно только, чтобы в отливке создавались необходимые напряжения, обеспечивающие эффективную стаби­ лизацию ее размеров.

По способу силового воздействия на отливки все методы ста­ билизации можно разделить на две группы. К первой относятся методы, в которых отливки не подвергаются специальному си­ ловому воздействию и если такое воздействие все-таки имеется, то обычно оно сравнительно невелико. К этой группе следует от­ нести естественное старение и низкотемпературный отжиг.

Методы стабилизации второй группы основаны на создании специального силового воздействия, которому подвергается от­ ливка при той или иной температуре. К ним относятся методы

183

статического и динамического нагружения отливки, а также ме­ тод термоударов. Из данных раздела 2 следует, что осуществлять силовое воздействие на отливку с целью стабилизации ее разме­ ров наиболее целесообразно при температуре 20° С и особенно в интервале температур 200—350° С, когда упрочнение металла от пластической деформации при нагружении даже больше, чем npN 20° С. Нагружение отливок при более высоких температурах (500—600° С) уже не будет столь эффективным с точки зрения стабилизации их размеров. Такое нагружение будет способство­ вать только снижению остаточных напряжений, .а создаваемое им упрочнение металла отливки в большей своей части ликвиди­ руется интенсивно происходящим при этих температурах про­ цессом разупрочнения.

Рассмотрим более подробно характерные особенности каждо­ го метода стабилизации чугунных отливок.

14. Естественное Под естественным старением старение понимается длительное выле­ живание чугунных отливок при

температуре окружающей среды. Этот способ стабилизации раз­ меров чугунных отливок начал использоваться давно и обычно осуществляется путем их вылеживания в течение нескольких ме­ сяцев или лет под открытым небом или в складском помещении.

Наблюдения за короблением чугунных отливок различных станочных деталей показали, что в пределах точности измере­ ния, составляющей 3—4 мкм, даже самые маложесткие из них прекращают коробиться через 9— 12 мес. вылеживания в поме­ щении. Срок вылеживания чугунных отливок под открытым не­ бом, необходимый для стабилизации их размеров, может изме­ ниться по сравнению с указанным только в меньшую сторону, о чем будет сказано дальше. Таким образом, можно считать, что после года вылеживания любая чугунная отливка практически не будет коробиться.

Как видно из рис. 48, после годового вылеживания остаточ­ ные напряжения в чугунных отливках снижаются всего на 2— 10%- Следовательно, в естественно состаренных и прекративших коробиться отливках могут сохраняться достаточно большие ос­ таточные напряжения. Это необходимо всегда учитывать при ис­ пользовании естественно состаренных чугунных отливок для из­ готовления деталей, несущих значительные эксплуатационные нагрузки.

У базовых чугунных деталей точных машин и приборов экс­ плуатационные нагрузки малы и наличие больших остаточных напряжений для них не опасно. В то же время большие остаточ­ ные напряжения повышают склонность отливок к возобновлению коробления после их механической обработки, о чем уже говори­ лось в разделе 8. Поэтому время, прошедшее между изготовле­

184

нием отливки и ее черновой механической обработкой, практи­ чески не сказывается на стабилизации остаточных напряжений после этой обработки. Его нельзя засчитывать в качестве време­ ни естественного старения.

За начало времени естественного старения чугунных отливок можно принимать момент окончания их черновой механической обработки, при которой производится не только вскрытие литей­ ной корки с целью обнаружения дефектов литья, а осуществля­ ется максимальный съем со всех поверхностей отливки металла, оставленного в качестве припуска на механическую обработку.

станин, стоек и т. п., обладающих значительной жесткостью при изгибе, обычно бывает достаточно естественного старения в те­ чение 6 мес. Для отливки маложестких деталей типа кареток этот срок должен быть увеличен до 9— 12 мес.

Важным свойством естественного старения чугунных отливок является происходящее при нем повышение сопротивления чугу­ на пластическому деформированию под действием внешних на­ грузок. В качестве примера на рис. 83 приведены кривые изме­ нения пластической деформации Д/п двух кольцевых образцов, из чугуна СЧ 21-40 от временной их перегрузки дополнительны­

нагрузкой длительное время. В результате напряжение в нем снизилось до 69 МН/м2.

Другой образец (кривая 2) не подвергался естественному ста­

рению. Он был нагружен до напряжения 69 МН/м2, а затем пе­ регружался дополнительными напряжениями. Как видно на рис. 83, даже небольшая перегрузка несостаренного образца вызыва­

185

ет в нем значительную пластическую деформацию. В то же вре­ мя нагружение естественно состаренного образца до бывших в нем начальных напряжений, равных 75 МН/м2, практически не вызывает никакой пластической деформации. Больше того, при дальнейшей перегрузке темп нарастания пластической деформа­ ции с ростом напряжения у естественно состаренного образца значительно ниже, чем у несостаренного. Только при напряже­ ниях, больших 85 МН/м2, темп роста пластической деформации с увеличением действующего напряжения у обоих образцов ста­ новится приблизительно одинаковым.

Такой характер изменения пластической деформации естест­ венно состаренного образца при его перегрузке хорошо объясня­ ется данными, приведенными в главе I. В течение естественного старения происходит значительное снижение максимальных на­ пряжений в местах их концентрации около графитовых включе­ ний (см. рис. 7, г) и упрочнение на этих участках металлической основы чугуна. В результате перегрузка небольшими напряже­ ниями не приводит к возникновению в местах их концентрации значений, превышающих предел текучести упрочненного там ма­ териала. По мере дальнейшего нагружения величина напряже­ ний в местах концентрации начинает превышать предел текуче­ сти металлической основы. Но сначала это происходит только на небольшом количестве участков, где графитовые включения рас­ положены к направлению действующего напряжения так, что в них возникает максимальный коэффициент концентрации k^. С

увеличением действующего напряжения становится все больше участков, в которых максимальные напряжения превышают пре­ дел текучести металлической основы чугуна и пластическая де­ формация быстро увеличивается.

Следует учитывать, что повышение сопротивления чугуна пла­ стическому деформированию при естественном старении связа­ но не только с происходящей в нем релаксацией напряжений первого рода, но и с релаксацией напряжений второго рода, воз­ никающих из-за разной температурной усадки графита и метал­ лической основы (см. раздел 1). Для проверки этого положения был проведен следующий эксперимент на кольцевых образцах, изготовленных из чугуна СЧ 21-40. Все исследовавшиеся образ­ цы были разделены на две группы. Образцы первой группы по­ сле изготовления проходили естественное старение, в процессе которого они длительное время вылеживались без нагрузки. На­ грузку в образцах не создавали для того, чтобы полностью ис­ ключить в них напряжения первого рода. Образцы второй груп­ пы перед испытанием отжигали при температуре 550° С в тече­ ние 4 ч также без нагрузки. Это обеспечило устранение возмож­ ного упрочнения металлической основы чугуна, возникшего за время изготовления образцов. После отжига все образцы второй группы подвергали длительному вылеживанию без нагрузки. По истечении определенного времени из группы брали очередной об­

186

разец и определяли пластическую деформацию, возникающую при его нагружении до оь = 20 МН/м2. Затем строили график за­ висимости указанной пластической деформации Д/п от времени, прошедшего с начала вылеживания образцов до момента их ис­ пытания.

Результаты испытаний представлены на рис. 84 в виде кри­ вой 1. Там же линией 2 показана пластическая деформация ес­

тественно состаренных образцов при их нагружении до 20 МН/м2. Как видно из приведенных данных, длительное вылеживание чу­ гуна даже при отсутствии в нем напряжений первого рода вызы­ вает его упрочнение и повышает сопротивление пластическому

лаксации остаточных напряже­ ний, но и значительно умень­

шает опасность возникновения их коробления от действия вре­ менных нагрузок при обработке, транспортировке и т. п.

При использовании процесса естественного старения необхо­ димо иметь в виду, что его эффективность может быть заметно повышена в случае вылеживания чугунных отливок не в поме­ щении, а под открытым небом. Объясняется это следующим. Из­ менения температуры воздуха, возникающие за сутки в помеще­ нии, сравнительно малы и происходят они достаточно медленно. Такие изменения не вызывают в отливках заметных температур­ ных напряжений. Поэтому при естественном старении отливок в помещении на них оказывает влияние только время вылежива­ ния.

При вылеживании отливок под открытым небом их темпера­ тура в течение суток может очень резко меняться и на значи­ тельную величину. Особенно резкие изменения происходят во время грозы, которой предшествовала жаркая, солнечная пого­ да, но и в других случаях солнце, ветер, дождь способствуют бы­ строму и неравномерному изменению температуры отдельных участков отливки. В этих условиях в отливке возникают значи­ тельные и постоянно меняющиеся температурные напряжения.

187

А как было показано в разделе 2, любая временная перегрузка способствует уменьшению последующей релаксации напряжений (см. испытание 3, табл. 2), особенно если она сопровождается дополнительным вылеживанием при температуре окружающей среды (см. испытание 4, табл. 2).

Поэтому при вылеживании чугунных отливок под открытым небом процесс их естественного старения происходит быстрее, а получаемая стабилизация оказывается более полной. Все это от­ носится главным образом к отливкам достаточно сложных раз­ ностенных деталей, у которых колебания температуры вызывают значительные температурные напряжения. При естественном ста­ рении простых деталей типа плит или равностенных втулок вы­ леживание под открытым небом не даст преимуществ по срав­ нению с вылеживанием в помещении, так как температурные на­ пряжения в таких деталях будут малы. Этим, в частности, и объ­ ясняется то, что при использовании кольцевых образцов невоз­ можно обнаружить разницу сохранившихся в них напряжений, а также пластических свойств металла при старении в помеще­ нии и под открытым небом.

Серьезный недостаток естественного старения — большая его продолжительность, исчисляемая месяцами. Поэтому как само­ стоятельный метод старения его стараются не применять, а ис­ пользовать в качестве дополнительного вторичного старения. На­ пример, отливки после низкотемпературного отжига и получи­ стовой механической обработки подвергают естественному старе­ нию для более полной стабилизации перед окончательной меха­ нической обработкой.

Продолжительность такого старения может быть значитель­ но меньше и составлять 3—6 мес.

Такое же дополнительное естественное старение в течение 1—3 мес. может оказаться целесообразным после старения ме­ тодом статического или динамического нагружения и т. п. О воз­ можных комбинациях различных методов старения более под­ робно будет сказано в разделе 20.

15. Низкотемпературный Низкотемпературный отжиг отжиг чугунных отливок является од­

ним из наиболее распростра­ ненных методов их стабилизации. Обычно применяют отжиг при температуре 500—600° С, но в последние годы начали использо­ вать и отжиг при 200—300° С.

Режим отжига состоит из трех основных этапов — нагрева от­ ливки до заданной температуры, выдержки при этой температу­ ре в течение определенного времени и охлаждения.

Хотя исследованию отжига чугунных отливок при темпера­ туре 500—600° С посвящено много работ, до последнего времени не были достаточно четко определены оптимальные значения его

188

параметров, при которых последующее коробление отливки бу­ дет минимальным. Объясняется это тем, что в качестве крите­ рия, характеризующего эффективность отжига, обычно принима­ лась не степень уменьшения последующего коробления отливки, а степень снижения в ней остаточных напряжений.

На рис. 85 приведена кривая, характеризующая процент ос­ таточных напряжений, сохранившихся в отливке из чугуна СЧ 21-40 после отжига при различной температуре. Кривая получе­

на при испытании кольцевых образцов, нагружавшихся д о -^ - =

= 0,32 и отжигавшихся при разной температуре в печи с выдерж­ кой при заданной температуре в течение 2 ч. Процент сохра­ нившихся после отжига напря­ жений определяли по формуле

при температуре выше 400° С приводит к резкому снижению ос­ таточных напряжений, причем тем большему, чем выше темпе­ ратура отжига.

Кривые изменения остаточных напряжений в зависимости от температуры отжига, полученные для чугуна других марок [43, 53], имеют точно такой же характер, как и кривая, приведенная на рис. 85 для чугуна СЧ 21-40. Отличаются они только темпера­ турой, при которой, в зависимости от прочности исследуемого чу­ гуна, начинается интенсивное уменьшение остаточных напряже­ ний.

В разделе 2 было показано, что отжиг при температуре 500— 600° С и при 200—300° С по-разному влияет на металлическую основу чугуна, поэтому рассмотрим отжиг в каждом из указан­ ных интервалов температур отдельно.

Основными параметрами любого отжига являются темпера­ тура, при которой он производится, и продолжительность выдер­ жки отливки при этой температуре. Процессы нагрева и охлаж­ дения оказывают меньшее влияние на результат отжига, причем

189