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

степень этого влияния зависит от интервала температур, при ко­ тором отжигается отливка.

При отжиге в интервале температур 500—600° С процесс на­ грева не оказывает заметного влияния на результаты отжига. Так как нагрев массивных и тонких стенок отливки происходит по-разному, то под скоростью нагрева понимается скорость из­ менения температуры газовой среды в печи. Величину скорости нагрева при отжиге выбирают из условия, чтобы не происходило разрушения чугунных отливок в период их нагрева. Обычно она находится в пределах от 50 до 150° С/ч.

Опасность разрушения связана с тем, что при нагреве (как и при охлаждении) чугунных отливок в них возникают темпера­ турные напряжения, величина которых зависит от конструкции отливки и скорости ее нагрева (охлаждения). В отливках слож­ ной конфигурации, обладающих значительной разностенностыо, эти напряжения особенно велики. Складываясь с бывшими в от­ ливках остаточными напряжениями, они могут вызвать их раз­ рушение. Поэтому такие отливки необходимо нагревать медлен­ нее. Особенно медленно, иногда со скоростью 20° С/ч, приходится нагревать отливки, у которых при литье возникли очень большие остаточные напряжения, близкие к пределу прочности металла.

В случае нагрева чугунных отливок простой конфигурации возникающие в них температурные напряжения малы и скорость нагрева может быть увеличена. Для сравнительно мелких дета­ лей простой конфигурации нагрев при отжиге может произво­ диться даже со скоростью 200° С/ч.

Необходимо учитывать, что сказанное относится к сравни­ тельно тонкостенным отливкам. Так, например, при нагреве чу­ гунной отливки сплошного цилиндра диаметром 100 мм со ско­ ростью 200° С/ч, согласно формуле (111) в нем возникнут мак­ симальные напряжения растяжения всего около 3,5 МН/м2. Если же с такой скоростью нагревать отливку цилиндра диаметром 1 м, то возникающие в ней максимальные напряжения растяже­ ния будут уже около 350 МН/м2, что неизбежно вызовет разру­ шение отливки. Поэтому отливки с массивными стенками всегда необходимо нагревать со сравнительно небольшой скоростью.

Часто отливки загружают в уже нагретую до 100—200° С печь. Это также создает в отливках повышенные температурные напряжения и увеличивает опасность их разрушения. Поэтому при отжиге чугунных отливок с остаточными напряжениями, близкими к пределу прочности их материала, загрузка в нагре­ тую печь недопустима.

Для выяснения оптимальной температуры отжига был прове­ ден следующий предварительный эксперимент. Кольцевые образ­ цы из чугуна СЧ 15-32, СЧ 21-40, СЧ 32-52, СЧ 35-56 нагружали

до напряжений, соответствующих -^ - = 0,45, после чего их отжи-

• Qn

гали при различной температуре и по методу I (см. раздел 6)

190

определяли пластическую деформацию Д/п от релаксации оста­ точных напряжений за 3 мес. вылеживания после отжига. Ре­ зультаты исследования приведены на рис. 86.

Как видно из полученных данных, в исследованном интерва­ ле температур (от 400 до 700° С) для серого чугуна всех марок не существует экстремального значения температуры, при кото­ рой коробление будет минимальным, так как оно монотонно уменьшается с увеличением температуры отжига. Исходя из это­ го, отжиг чугунных отливок с целью их стабилизации необходи­ мо производить при максимально возможной температуре.

Однако с повышением темпе­ ратуры отжига возрастает опас­ ность снижения твердости чугун­ ных отливок из-за происходящих в них структурных превращений. Как правило, такое снижение твердости, особенно на направля­ ющих поверхностях базовых дета­ лей машин и приборов, недопу­ стимо из-за ухудшения их износо­ стойкости. Поэтому верхняя гра­ ница допустимой температуры от­ жига, которая одновременно соот­ ветствует оптимальному ее значе­ нию для снижения коробления чу­ гунных отливок, определяется из условия сохранения материалом этих отливок первоначальной твердости.

При исследовании влияния температуры отжига на измене­ ние твердости чугуна 1 принимали, что выдержка отливки при этой температуре составляет 6 ч, после чего твердость чугуна, особенно на направляющих поверхностях, не должна изменяться.

Обычно выдержка чугунных отливок при температуре отжи­ га задается равной 2—4 ч. Однако следует учитывать, что отсчет этого времени необходимо вести не с момента достижения задан­ ной температуры газами печной атмосферы, а после прогрева до нее металла отжигаемой отливки. При одном и том же режиме нагрева печи толстостенные отливки всегда прогреваются до за­ данной температуры медленнее, чем тонкостенные. Но в преде­ лах одной садки обычно бывают самые разнообразные отливки, и поэтому продолжительность выдержки устанавливают по наи­ более массивным из них. В результате металл более тонкостен­ ных отливок дольше находится при температуре отжига. Так как с увеличением выдержки в печи опасность снижения твердости

1 Исследование проведено Я. И. Оберманом.

191

чугуна возрастает, то при эксперименте принималась выдержка в течение 6 ч.

На основании исследования, проведенного для чугуна раз­ личных марок, были получены данные об оптимальной темпера­ туре отжига, представленные на рис. 87. Приближенно они мо­ гут быть выражены линейной зависимостью, имеющей следую­

где t0 — оптимальная темпера­

тура отжига, °С, а ов — предел прочности чугуна при растяже­ нии МН/м2 в стандартной про­ бе диаметром 30 мм.

Допуск на колебания температуры отжига задается только в сторону уменьшения значений, полученных по формуле (145), и равен 30° С.

Для определения оптимального времени выдержки отливок при температуре отжига был проведен следующий эксперимент. Кольцевые образцы из чугуна СЧ 35-56 нагружали до начальных

напряжений, соответствующих -^ - = 0,3 и 0,75, а затем отжиQn

гали при температуре 600° С в течение различного времени. Пос­ ле этого по методу II (см. раздел 6) определяли происходящее в них за время вылеживания, равное 5000 ч, изменение распор­ ного усилия AQ.

Результаты измерения AQ в зависимости от выдержки отлив­

ки при отжиге представлены на рис. 88. Как видно из приведен­ ных данных, наименьшее коробление получается при отжиге в течение 2 ч.

Такое влияние выдержки при отжиге на последующее короб­ ление чугунных отливок объясняется следующим. В разделе 2 показано, что если в процессе отжига при 500—600° С происхо­ дит релаксация напряжений, то возникает заметное упрочнение

192

металлической основы чугуна (см. рис. 14,6). Однако известно, что основная релаксация напряжений в чугунных отливках про­ исходит за первый час их выдержки при указанной температу­ ре, после чего сохранившиеся напряжения изменяются уже очень мало [43].

Таким образом, в первые 1—2 ч отжига в отливке возникает значительная пластическая деформация, снижающая остаточные напряжения и упрочняющая металлическую основу чугуна. Это способствует резкому уменьшению последующего коробления от­ ливок. Дальнейший отжиг по существу не увеличивает пластиче­ скую деформацию и поэтому не повышает сопротивление метал­ ла отливок короблению. Если учесть, что при температуре 500— 600° С происходит интенсивное разупрочнение металла отливок, то дополнительная их выдержка в печи при температуре отжига вызывает только снижение релаксационной стойкости металли­ ческой основы чугуна и приводит к увеличению коробления от­ ливок.

Оптимальным временем выдержки чугунных отливок при температуре отжига является 2—4 ч. Значительное отклонение от этих значений как в большую, так и в меньшую сторону при­ ведет к увеличению последующего коробления отливок.

Из данных рис. 88 следует, что даже при различной величине исходных напряжений коробление после отжига при 500—600° С получается почти одинаковым. Объясняется это возникновением при отжиге значительно большей пластической деформации в металле той отливки, у которой были большие исходные остаточ­ ные напряжения. Дело в том, что процент снижения остаточных напряжений при отжиге увеличивается вместе с увеличением ис­ ходной их величины. Поэтому отжиг отливок с более высокими исходными напряжениями приводит к сравнительно небольшому возрастанию абсолютной величины напряжений, сохранившихся после отжига, и значительному повышению упрочнения металли­ ческой основы из-за резко увеличившейся пластической дефор­ мации. Таким изменением сохранившихся после отжига остаточ­ ных напряжений, а также упрочнением металлической основы чугуна и объясняется малое влияние исходной величины оста­ точных напряжений на коробление чугунных отливок, отожжен­ ных при температуре 500—600° С.

Процесс охлаждения чугунных отливок после отжига при 500—600° С должен отвечать следующим требованиям. Прежде всего он должен не ухудшать, а по возможности способствовать дальнейшему улучшению результатов проведенного отжига. Кро­ ме того, должна быть устранена возможность разрушения отли­ вок от температурных напряжений, возникающих при их охлаж­ дении.

Так как охлаждение начинается с температур, при которых металл отливок находится еще в пластичном состоянии, необхо­ димо исключить возможность образования в них дополнитель­

ных остаточных напряжений. Как известно, остаточные напря­ жения возникают в отливках от температурных перепадов, по­ лучающихся в момент перехода их материала из пластичного со­ стояния в упругое (см. раздел 10). Увеличение скорости охлаж­ дения отливки способствует росту возникающих в ней темпера­ турных перепадов, а следовательно, и увеличению остаточных напряжений.

Образование дополнительных остаточных напряжений при ус­ коренном охлаждении чугунных отливок после их отжига иссле­ довалось рядом авторов [13, 17 и др.]. Ими было эксперимен­ тально доказано, что начиная с некоторой скорости охлаждения, величина которой зависит от конструкции отливки, дальнейшее ее увеличение приводит к быстрому росту остаточных напряже­ ний и, по существу, сводит на нет результаты предыдущего от­ жига.

На практике после отжига чугунных отливок охлаждение га­ зовой среды печи в зоне температур упругопластичного состоя­ ния чугуна, т. е. выше 350° С, обычно производят со скоростью 30°С/ч, а для деталей очень простой конфигурации (плиты, тру­ бы и т. п.) — со скоростью 60°С/ч. Опыт показал, что охлажде­ ние со скоростью 30°С/ч не вызывает заметных дополнительных остаточных напряжений даже в отливках сложной конфигура­ ции.

После достижения температур ниже зоны упругопластичного состояния чугуна обычно стремятся ускорить охлаждение для со­ кращения продолжительности отжига, объясняя это тем, что воз­ никновение небольших временных напряжений в зоне упругого состояния чугуна не скажется на величине сохранившихся в нем остаточных напряжений и поэтому не ухудшит качество отжига. Это действительно верно. Однако при этом забывают, что коро­ бление определяется не только величиной остаточных напряже­ ний, но и степенью упрочнения металлической основы чугуна. В разделе 2 было показано, что наиболее благоприятным для уп­ рочнения металлической основы является интервал температур 200—300° С и это, естественно, желательно использовать с целью улучшения стабилизации отливок после отжига.

Но упрочнение металлической основы при отжиге в интерва­ ле температур 200—300° С происходит только в случае, когда пе­ ред этим она была пластически деформирована. Если пластиче­ ская деформация отсутствует, никакого упрочнения такой отжиг не дает.

Как уже отмечалось, отжиг при 500—600° С вызывает интен­ сивную пластическую деформацию металла, резко возрастаю­ щую по мере увеличения бывших в отливке остаточных напря­ жений. Кроме того, в чугуне имеются еще напряжения второго рода из-за разницы коэффициента температурного расширения графита и металла. При нагреве до 500—600° С эти напряжения резко уменьшаются, и в процессе отжига фактически происходит

194

600° С по мере роста величины исходных остаточных напря­ жений.

Температуру извлечения чугунных отливок из печи определя­ ют, исходя из того, чтобы не произошло их разрушения при бы­ стром охлаждении на воздухе. Обычно она составляет 100— 200° С и зависит от склонности конструкций данной отливки к образованию температурных напряжений. Пока извлеченная из печи отливка полностью не охладилась, необходимо следить, что­ бы ее не ставили на сквозняке, на мокрую землю и т. п., т. е. не создавали дополнительного ускорения ее охлаждения, увеличи­ вающего опасность разрушения.

Таким образом, в качестве оптимального можно рекомендо­ вать следующий режим охлаждения чугунных отливок после от­ жига при 500—600° С (здесь, как и при нагреве, под режимом охлаждения понимается изменение температуры газовой среды печи, в которой производится отжиг). С температуры отжига to

до 350° С охлаждение необходимо производить со скоростью око­ ло 30°С/ч, затем до 200° С со скоростью ~ 10°/ч. После этого скорость охлаждения можно увеличить до любого значения, не вызывающего разрушения отливки. В тех случаях, когда к от­ ливкам не предъявляются особенно жесткие требования по их стабильности, все охлаждение после отжига можно производить со скоростью 30°С/ч.

Теперь рассмотрим отжиг при температуре 200—300° С. Как уже отмечалось, он может быть эффективным, только если ме­ талл отливки перед этим был пластически деформирован. Это условие всегда выполняется, так как в процессе возникновения остаточных напряжений в чугунных отливках обязательно про­ исходит пластическая деформация их металла. Последнее отно­ сился как к напряжениям первого, так и второго рода.

Таким образом, металл любой чугунной отливки, в которой имеются остаточные напряжения, является пластически дефор­ мированным. Правда, степень этой пластической деформации может быть разной и распределена она в отливке нерав­ номерно.

Для определения оптимальных значений параметров отжи­ га кольцевые образцы из чугуна СЧ 21-40 нагружали до исход­

жигали при различной температуре и с различной выдержкой, после чего по методу II (см. раздел 6) измеряли их коробление в течение 1 года.

Как показали исследования, оптимальным является время выдержки при температуре отжига около 5 ч. Сократить время выдержки можно, но при этом увеличивается последующее ко­ робление отливок. Так, например, при выдержке в течение 1 ч коробление возрастает примерно на 15%• Увеличение же вы­ держки более 5 ч хотя и приводит к дальнейшему снижению ко-

196

робления, но столь незначительному, что является нецелесооб­ разным.

Было специально исследовано влияние, оказываемое много­ цикловым отжигом, когда кольцевые образцы подвергали отжи­ гу по заданному режиму два и более раз. Полученные при этом . результаты свидетельствуют о том, что использование не одно­ го, а нескольких циклов отжига практически не оказывает влия­ ния на полученный результат. После нескольких циклов отжига кольцевые образцы коробились в дальнейшем так же, как и пос­ ле одноциклового отжига, у которого время выдержки равнялось сумме выдержек при всех циклах многоциклового отжига.

По данным работы [29] отжиг при температуре 200—300° С способствует резкому уменьшению подвижности и закреплению дислокаций в металлической основе чугуна. Этим и объясняется эффективность подобного отжига только для пластически дефор­ мированного металла, в котором имеется большое количество дислокаций. Кроме того, в указанной работе подтверждается ре­ зультат исследований [46] о значительном уменьшении после от­ жига при 200—300° С эффекта Баушингера.

Влияние отжига при 200—300° С на эффект Баушингера очень важно, так как позволяет с помощью такого отжига значитель­ но улучшить общую релаксационную стойкость пластически де­ формированной металлической основы чугуна к напряжениям любого знака независимо от знака предыдущей пластической де­ формации. Дело в том, что величины и знак остаточных напря­ жений в отливках сложной конфигурации не всегда бывают из­ вестны. Поэтому при стабилизации их размеров методами ста­ тического или динамического нагружения (см. разделы 16 и 17) отдельные участки отливок могут при перегрузке испытывать пластическую деформацию от напряжений противоположного знака по сравнению с остаточными напряжениями, сохранивши­ мися после перегрузки. Так, например, на участках, где в про­ цессе временного нагружения возникает пластическая деформа­ ция сжатия, могут сохраниться остаточные напряжения растя­ жения (левая сторона эпюр на рис. 95). Дополнительный отжиг отливок при 200—300° С после статической или динамической перегрузки позволяет значительно повысить релаксационную стойкость чугуна и уменьшить возможность последующего их коробления.

Наибольший стабилизирующий эффект по данным работы [29] происходит после трех—четырех циклов отжига при 200— 300° С с выдержкой при каждом цикле 1 ч. Однако эти данные свидетельствуют только о том, что оптимальное время выдержки при отжиге составляет 3—4 ч. Целесообразность же использова­ ния не одного, а нескольких циклов отжига они не подтвержда­ ют, так как в работе [29] нет сведений о том, что при однократ­ ном отжиге с выдержкой 3—4 ч получаются худшие результаты.

Проведенные же автором данной книги исследования пока-

197

зали, что основное значение для стабилизации размеров отли­ вок имеет не число циклов, а общая продолжительность их вы­ держки при температуре отжига.

Использование одного, а не нескольких циклов отжига при 200—300° С (если между циклами отливка не подвергается ме­ ханической обработке, силовому воздействию и т. п.) целесооб­ разно даже, если учесть некоторые особенности отжига отливок сложной конфигурации, которые трудно воспроизвести на образ­ цах. Кольцевые образцы имеют простую конфигурацию и тонкие -стенки, поэтому ускоренный нагрев или охлаждение не вызыва­ ют в них дополнительных напряжений. В отливках же сложной конфигурации ускоренный нагрев может вызвать значительные температурные напряжения, которые, в свою очередь, создадут пластическую деформацию металла отливки. Тогда нагрев при отжиге является как бы способом дополнительного пластическо­ го деформирования отливки, что повышает ее стабильность при использовании упрочняющего отжига в интервале температур

200—300° С.

Если использовать двухцикловый отжиг, то ускоренный на­ грев перед первым циклом вызовет максимально возможную пла­ стическую деформацию металла отливки. При ускоренном нагре­ ве перед вторым циклом отжига в отливке снова возникнут те же (но не большие) температурные напряжения. Так как эти напряжения возникнут второй раз, и, притом, после упрочняю­ щего отжига, то они не вызовут пластической деформации или она будет очень мала.

Таким образом, отжиг при 200—300° С целесообразно про­ водить только за один цикл, создавая при этом максимально ускоренный нагрев отливок. Если не возникает опасность разру­ шения отливок, наиболее целесообразно загружать их в печь, предварительно нагретую до температуры отжига. В этом случае скорость нагрева и создаваемые при нем температурные напря­ жения будут наибольшими.

Влияние температуры отжига на последующее коробление хо­ рошо видно из кривых рис. 90, на котором приведено отношение

——° в зависимости от температуры отжига. Величина AQCсо-

AQo

ответствует изменению распорного усилия в кольцевых образцах за 1 год их вылеживания после отжига, выполненного при соот­ ветствующей температуре, а величина AQo— в образцах, не под­ вергавшихся отжигу. Отношение AQc/AQo характеризует степень уменьшения коробления отливок в результате их отжига. Отжиг при температуре 150°С обеспечивает несколько меньшую стаби­ лизацию, чем при 200° С.

В пределах интервала температур 200—300° С эффективность отжига получается практически одинаковой и не зависит от тем­ пературы, что создает значительные удобства при одновремен­ ном отжиге различных отливок. Нагрев массивных участков от-

198

ливок происходит значительно медленнее, чем тонких, а время выдержки при любом отжиге начинает отсчитываться с момен­ та нагрева массивных частей до температуры отжига. На про­ грев массивных участков обычно тратится довольно много времени, что увеличивает продолжительность отжига. В данном случае, если поддерживать в печи температуру ~ 300° С, то за начало выдержки можно принимать момент достижения массив­ ными участками отливки температуры 200°С.

Охлаждать чугунные отливки после отжига при температуре 200—300° С можно с любой скоростью, исключающей их разру­ шение. Никакого влияния на результаты отжига процесс ох­

лаждения не оказывает.

7,0

На рис. 90 видно, что с увеличением исходных остаточных на­ пряжений отжиг при 200—300° С сильнее уменьшает относитель­ ную величину последующего коробления отливок. Так, напри­

мер, величина AQJAQo для — = 0,7 значительно меньше, чем

Qn

для -^ - = 0,3 Однако при стабилизации размеров отливок осQn

новной интерес представляет не относительная, а абсолютная ве­ личина их коробления, происходящего после стабилизирующего отжига. Но при прочих равных условиях с ростом величины ос­ таточных напряжений увеличивается и коробление несостаренных отливок. Поэтому абсолютная величина коробления после отжига при 200—300° С будет, с одной стороны, увеличиваться по мере увеличения остаточных напряжений, бывших в отливке перед отжигом, а с другой — уменьшаться за счет повышения стабилизирующего воздействия отжига при более высоких ос­ таточных напряжениях.

На рис. 91 приведена кривая, характеризующая изменение абсолютной величины коробления чугунных отливок после от­ жига при 200—300° С в зависимости от величины бывших в них

199