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

остаточных напряжений. Кривая построена по результатам из­ мерения распорной силы у кольцевых образцов в течение 1 года после их отжига и для наглядности представлена в относитель­ ных величинах, т. е. изменение силы AQCпри всех исходных зна­ чениях величины Qo/Qn отнесено к величине AQco,5, соответству­

ющей изменению распорной силы у кольцевых образцов, нагру­

женных до -^ - = 0,5. Как видно из полученной кривой, при уве-

Ч П

личении исходных напряжений до - ^ - = 0 ,3 заметно возрастаQn

ет и абсолютная величина коробления, происходящего после от­

Qn

исходных напряжениях коробление даже несколько уменьшает­ ся.

Следовательно, отжиг при 200—300° С не только уменьшает последующее коробление чугунных отливок, но при наличии в отливках значительных остаточных напряжений (0,3 сг„ и более) величина их коробления после отжига получается практически одинаковой независимо от исходной величины бывших в отлив­ ках напряжений. В этом отношении отжиг при 200—300° С ока­ зывает на последующее коробление чугунных отливок примерно такое же нивелирующее влияние, как отжиг при 500—600° С (см.

рис. 88).

Низкотемпературный отжиг по существу является пока един­ ственным методом стабилизации чугунных отливок с закален­ ными поверхностями. В разделе 9 уже отмечалось, что основной причиной коробления чугунных отливок после их поверхностной закалки является нестабильность закаленной структуры и, в ча­ стности, изменение тетрагональности мартенсита. Надежная ста­ билизация такой структуры производится пока только при по­ мощи ее тепловой обработки, и поэтому другие методы стабили­ зации размеров чугунных отливок не могут предотвратить даль­ нейшее коробление закаленных деталей.

Для стабилизации размеров чугунных отливок с закаленны­ ми поверхностями их необходимо подвергать низкотемператур­ ному отжигу при температуре 180—200° С с выдержкой в тече­ ние 3—4 ч. Такой отжиг не только стабилизирует закаленную структуру, но, как видно из рис. 90, существенно уменьшает ко­ робление и от остаточных напряжений, возникающих в незака­ ленных участках отливки при ее поверхностной закалке (см.

рис. 55).

Сказанное относится главным образом к стабилизации раз­ меров чугунных отливок уже после их закалки. Но еще до за­ калки необходимо максимально стабилизировать бывшие в них

2 0 0

литейные остаточные напряжения, так как в тот период сделать это гораздо легче (можно с успехом использовать все известные методы стабилизации).

Как было показано в разделе 7, коробление может произой­ ти не только от релаксации остаточных напряжений, но и от пла­ стической деформации чугуна под действием временной нагруз­ ки. Поэтому необходимо выяснить влияние, оказываемое отжи­ гом на величину пластической деформации чугунных отливок при действии на них внешних нагрузок.

Так как в любой чугунной отливке имеются остаточные нап­ ряжения, то при действии на нее внешних сил пластическая де­ формация в металле отливки будет вызываться суммой остаточных и временных напряжений. Исследова­ ние этой деформации производили на кольцевых образцах, временную перегрузку которых осуществляли, как описано в разделе 6. Образцы изготовляли из чугуна СЧ 21-40 и нагружали до исходных напряже­

ле этого их отжигали при различной температуре и производили измере­ ние пластической деформации от пе­ регрузки дополнительными напря­ жениями, равными 20 МН/м2.

Результаты исследования пред­ ставлены кривой 1 на рис. 92. Для

анализа полученных данных приве­ дена кривая 2, соответствующая пластической деформации, ко­

торую имеют при той же перегрузке неотожженные кольцевые образцы с величиной исходных напряжений, равной остаточным напряжениям, сохранившимся в образцах, отожженных при дан­ ной температуре. Таким образом, кривая 2 показывает, какой

была бы пластическая деформация отливки при ее перегрузке после отжига, если бы влияние последнего сводилось только к снижению величины остаточных напряжений.

Как видно, кривые 1 и 2 существенно отличаются между со­

бой. Фактическая величина пластической деформации после от­ жига в интервале температур 100—400° С получается значитель­ но меньшей, чем это было бы только из-за снижения остаточных напряжений. Дополнительное уменьшение пластической дефор­ мации объясняется происходящим при отжиге в этом интервале температур значительным упрочнением металлической основы чугуна, а также интенсивным снижением максимальных напря­ жений в местах их концентрации около графитовых включений. Как следует из рис. 13,6, процент снижения больших напряже­

2 0 1

ний в случае отжига при 100° С намного больше, чем получаю­ щийся при этом средний процент снижения остаточных напряже­ ний (см. рис. 85) в чугунной отливке.

Следовательно, отжиг при температуре 100—400° С оказыва­ ет на чугунную отливку воздействие, аналогичное естественному старению. Аналогичным (см. рис. 83) будет и изменение характе­ ра пластической деформации отливки при ее перегрузке после отжига.

После отжига при температуре выше 500° С, пластическая де­ формация от перегрузки получается несколько большей, чем это можно было ожидать, исходя из снижения остаточных напряже­ ний. Объясняется это следующим. Отжиг при температуре 500— 600° С вызывает резкое разупрочнение металла отливки (см. рис. 10), и так как при этой температуре напряжения второго рода около графитовых включений малы (см. раздел 1), то вызванное ими упрочнение снимается отжигом.

В результате пластической деформации, происходящей при снижении остаточных напряжений первого рода, получается и некоторое упрочнение металла (см. рис. 14,6). Это упрочнение повышает сопротивление металла пластическому деформирова­ нию от действия сохранившихся в отливке остаточных напряже­ ний и играет важную роль в уменьшении последующего короб­ ления отливок от релаксации остаточных напряжений (см. рис. 88). Однако на пластической деформации при нагружении лю­ бое упрочнение сказывается только до момента, пока действую­ щие напряжения будут меньше предела текучести металла (см. точку А на рис. 8), соответствующего этому упрочнению. Если

же напряжения будут больше указанного предела текучести, то возникнет такая же пластическая деформация, как и в неупрочненном металле.

Во время перегрузки на отливку действуют напряжения, на­ много превышающие величину сохранившихся в ней после отжи­ га остаточных напряжений. В этих условиях упрочнение метал­ ла, возникшее в процессе отжига при релаксации остаточных на­ пряжений первого рода, слишком мало и не может оказать вли­ яние на пластическую деформацию. Упрочнение же от релакса­ ции напряжений второго рода (см. рис. 84) после отжига отсут­ ствует. Таким образом, после отжига при 500—-600° С чугун де­ формируется от дополнительной нагрузки как полностью разупрочненный. Кривая же 2 на рис. 92 построена по результатам ис­

пытаний образцов из чугуна, долго пролежавшего без нагрузки и поэтому упрочненного в процессе релаксации напряжений вто­ рого рода (см. рис. 84). Этим и объясняется, что при темпера­ туре отжига больше 500° С кривая 2 на рис. 92 расположена не­ сколько ниже кривой 1.

Согласно кривой 1 рис. 92 отжиг при любой температуре

уменьшает пластическую деформацию чугунной отливки в слу­ чае ее перегрузки дополнительными напряжениями. Однако воз­

2 0 2

можность повышения сопротивления чугуна пластическому де­ формированию во время перегрузки реализуется сразу после от­ жига далеко не полностью. Так, например, кривая 3 на рис. 92

тоже соответствует пластической дефо'рмации чугуна при пере­ грузке напряжениями 20 МН/м2, но полѵчена она на' кольцевых образцах, пролежавших после отжига 5000 ч. Сравнивая кривые 1 и 3, видим, что проведенное после отжига дополнительное ес­

тественное старение чугуна значительно повышает его сопротив­ ление пластическому деформированию.

Приведенные в настоящем разделе данные позволяют всесто­ ронне оценить возможность стабилизации размеров чугунных от­ ливок с помощью низкотемпературного отжига и выбрать его оптимальный режим. Важно лишь учитывать, что любая меха­ ническая обработка отливок после низкотемпературного отжи­ га способствует увеличению их коробления. Поэтому отжиг дол­ жен производиться после удаления с отливки возможно большей части припуска под механическую обработку.

Нередко бытует мнение, что оставлять небольшой припуск на последующую механическую обработку особенно у отливок, под­ вергаемых отжигу при оОО—600° С, нельзя, так как во время от­ жига они значительно деформируются. Специально проведенное измерение деформации чугунных отливок, происходящей при та­ ком отжиге, показало, что она не превышает 0,4—0,5 мм. Поэто­ му припуск в 1 мм вполне достаточен для проведения последую­ щей механической обработки.

Конечно, отжиг при 500—600° С происходит в зоне пластиче­ ского состояния чугуна и любые дополнительные нагрузки осо­ бенно от веса отливок могут вызвать значительную их пласти­ ческую деформацию. Это необходимо всегда учитывать при ус­ тановке отливок на поду печи или на закатываемой в печь те­ лежке.

Основную опасность всегда представляют напряжения изги­ ба, возникающие от веса отливок. Напряжения сжатия от их ве­ са обычно намного меньше и потому не являются опасными с точки зрения пластического деформирования чугунных отливок при отжиге.

Чтобы уменьшить напряжения изгиба, необходимо при уста­ новке отливок в печи соблюдать следующие правила. Прежде всего, длинные отливки следует устанавливать так, чтобы в вер­ тикальной плоскости они обладали наибольшей жесткостью при изгибе. Например, отливки деталей типа плоских длинных сто­ лов металлорежущих станков необходимо устанавливать на боковую поверхность. Такая установка снизит до минимума напряжения изгиба, создаваемые собственным весом отливки. Длинные отливки, обладающие малой жесткостью при изгибе, обязательно должны быть установлены на большое число опор, равномерно распределенных по их длине.

Часто отливки в печи устанавливают одну на другую. Такая

203

установка допустима, но при условии, что опоры нижних отли­ вок располагаются точно под опорами стоящих на них верхних отливок. В этом случае вес верхних отливок создает в нижних только напряжения сжатия. Недопустимо опору верхней отлив­ ки располагать на участке, под которым у нижней отливки опо­ ры нет, так как это создаст в ней напряжения изгиба.

При установке отливок в печи, кроме перечисленных требо­ ваний необходимо также обеспечивать свободное омывание их со всех сторон печными газами. Для этого между любыми сосед­ ними отливками всегда должно быть расстояние 100—200 мм. Укладка даже сравнительно мелких отливок «навалом» не до­ пускается. Специально проведенный эксперимент показал, что температура внутри кучи наваленных отливок намного ниже, чем на ее поверхности, и отжиг находившихся там отливок получа­ ется некачественным.

Качество отжига, особенно при 500—600° С, в большой степе­ ни зависит от строгого соблюдения заданного режима. Добиться этого в больших отжигательных печах, загружаемых различны­ ми отливками, можно только при правильном контроле за хо­ дом данного процесса и наличии отрегулированного оборудова­ ния.

Прежде чем производить отжиг, необходимо отрегулировать печь, чтобы температурный перепад между любыми двумя точ­ ками ее рабочей зоны при наличии полной садки отливок не пре­ вышал 30° С. Затем определяют время начала выдержки при от­ жиге.

Если определенная по формуле (145) оптимальная темпера­ тура отжига равна t0, то за начало выдержки принимается мо­

мент достижения самой массивной частью отливки температуры (t0 — 30), т. е. нижней границы допустимой зоны колебания тем­

пературы отжига. Предположим, что наиболее массивные участ­ ки отливок, подвергаемые отжигу в данной печи, имеют толщину Нм. Тогда для определения начала выдержки поступают следу­

ющим образом. В наиболее холодный участок рабочей зоны пе­ чи при полной садке отливок помещают чугунную плиту толщи­ ной # м, в центре которой зачеканена термопара. Контрольная термопара печи при этом должна быть установлена в наиболее горячем участке ее рабочей зоны. Обычно таким участком явля­ ется середина свода печи.

По показаниям контрольной термопары проверяется соблю­ дение заданной скорости нагрева печи. Нагрев продолжается до момента, когда на контрольной термопаре будет дотигнута тем­ пература отжига to (рис. 93). В дальнейшем нагрев печи ведет­

ся таким образом, чтобы на контрольной термопаре все время сохранялась температура t0■При этом температура газов в наи­

более горячем участке рабочей зоны будет равна /0, что исклю­ чает возможность перегрева отливок или их частей выше ука­ занной температуры.

204

Наблюдая за показаниями термопары, зачеканенной в чугун­ ной плите толщиной Нк, определяют момент достижения ею тем­ пературы (to — 30). Время т„, прошедшее с начала отжига до

этого момента, рассматривается как период нагрева отливок в печи (рис. 93). Дальнейшее время отжига относится уже к пе­ риоду выдержки. Так как начало выдержки отсчитывается от мо­ мента прогрева наиболее массивного участка отливки, то необ­ ходимо брать минимально допустимую ее продолжительность. Фактическая выдержка при температуре отжига всех более тон­ ких участков отливок будет при этом значительно большей. В

ниям термопары, зачеканен­ ной в плите.

После проведения описанного тарировочного отжига с чугун­ ной плитой толщиной Нм, при котором определяется время тн,

составляют окончательный режим отжига отливок, контролиру­ емый в дальнейшем только с помощью термопары, установлен­ ной в наиболее горячем участке рабочей зоны печи. Этот режим состоит из нагрева с заданной скоростью до температуры t0, вы­ держки при температуре t0 до момента, соответствующего вре­

мени (tu + 2) ч с начала отжига, охлаждения с заданной скоро­ стью.

В зависимости от требований, предъявляемых к стабильности отливки, процесс ее охлаждения следует вести по одному из двух режимов, описанных на стр. 196.

Необходимо учитывать, что полученный режим отжига явля­ ется оптимальным только для отливок из чугуна данной марки (выбор t0) и с данной толщиной массивных участков (выбор тн).

Однако его можно использовать и для отжига других отливок, если параметры оптимального для них режима отжига мало от­ личаются от данного.

Чтобы определить допустимость использования выбранного режима отжига для различных отливок, необходимо знать осо­ бенности нагрева в данной печи массивных участков этих отли­ вок, которые могут иметь разную толщину стенок. Поэтому при проведении тарировочного отжига целесообразно устанавливать

205

не одну, а несколько чугунных плит, имеющих различную тол­ щину Н ы. При этом в каждую плиту зачеканивают термопару. В

процессе отжига необходимо производить запись температурных кривых по времени для каждой такой плиты.

Пользуясь этими кривыми, а также данными рис. 86, 88 и уравнением (145), можно построить режим отжига, близкий к оптимальному для группы различных отливок. Такое унифици­ рование режима отжига особенно важно для заводов, произво­ дящих отжиг большой номенклатуры различных чугунных отли­ вок.

Режим отжига при температуре 200—300° С получается та­ ким же образом, но в качестве максимально допустимой темпе­ ратуры принимается ?о = 300°С, а в качестве минимальной 200° С.

16. Метод статической Метод статической перегрузки перегрузки был предложен для стабилиза­ ции размеров чугунных отли­

вок сравнительно недавно [20]. Он заключается во временном нагружении чугунных отливок статическими силами или момен­ тами этих сил и выдерживании их некоторое время под такой нагрузкой.

Временная перегрузка чугунных отливок вызывает в них пла­ стическую деформацию, способствующую снижению остаточных напряжений [41]. Но основное значение для стабилизации разме­ ров отливок имеет происходящее при временной перегрузке рез­ кое снижение максимальных остаточных напряжений в местах их концентрации около графитовых включений (см. рис. 7, д), а

также упрочнение на этих участках металлической основы чу­ гуна.

Следует учитывать, что пластическая деформация, обеспечи­ вающая как снижение максимальных остаточных напряжений, так и упрочнение металлической основы чугуна, происходит не только в процессе увеличения напряжений перегрузки, но и при выдержке отливки под нагрузкой (см. рис. 7 ,г). Поэтому эффек­ тивность метода статической перегрузки определяется не только величиной дополнительных напряжений, временно создаваемых в чугунной отливке, но и продолжительностью ее выдержки при этих напряжениях.

Проведенные испытания показали, что наиболее интенсивно пластическая деформация чугуна происходит за первые минуты его выдержки под нагрузкой. Основная пластическая деформа­ ция обычно возникает за первые 20 мин выдержки под нагруз­ кой (см. кривую 1 на рис. 98), но при очень большой перегрузке

значительная пластическая деформация может наблюдаться и в течение первого часа выдержки под нагрузкой [2].

Влияние временной перегрузки на последующее коробление чугунных отливок от релаксации остаточных напряжений хоро­

206

шо видно из следующего эксперимента. Кольцевые образцы из

Qn

перегрузки выдерживали в таком состоянии в течение 6 дней. Все образцы были разделены на четыре группы. Первую группу образцов не подвергали перегрузке и величину их коробления рассматривали в качестве эталона, с которым сравнивали коро­ бление перегруженных образцов. Образцы остальных трех групп перегружали дополнительными нагрузками, которые у образцов

Перегрузку каждого кольцевого образца производили путем трехкратного его нагружения заданной силой с выдержкой каж­ дый раз под нагрузкой в течение 10 мин. Затем половину образ­ цов из каждой группы нагружали теми же нагрузочными пласти­ нами толщиной Н I, которыми они были нагружены до этого. Так

как при перегрузке происходила пластическая деформация коль­ цевых образцов, то нагружение их теми же пластинами вызыва­ ло некоторое снижение сохранившихся в них остаточных напря­ жений. Правда, во второй и третьей группах образцов из-за сра­ внительно небольшой их перегрузки эти изменения были малы. Например, у образцов второй группы распорная сила Qo после

перегрузки уменьшилась всего на 2%, у образцов третьей груп­ пы — на 9%. У образцов же четвертой группы — на 20%.

Вторую половину образцов каждой группы нагружали новы­ ми пластинами, толщину которых Я 2 подбирали так, чтобы в кольцевых образцах создавалась та же распорная сила Qo, ко­ торая была в них до перегрузки.

Такое нагруженце кольцевых образцов после их перегрузки объясняется следующим. Как уже отмечалось, любая перегруз­ ка' вызывает пластическую деформацию чугуна в направлении действия этой перегрузки. Следовательно, после удаления силы, вызвавшей перегрузку, отливка уже не будет иметь прежних раз­ меров. Если при перегрузке она изгибалась, то после этого бу­ дет пластически изогнутой в направлении действовавшей силы, если же растягивалась — то будет пластически растянутой и т. д. Подобная пластическая деформация отливок вызывает после пе­ регрузки меньшее снижение остаточных напряжений, чем это происходило бы при возвращении точно к исходным размерам (см. рис. 42). В кольцевых орбазцах напряжения создаются рас­ порными пластинами и использование как до, так и после пере­ грузки одних и тех же распорных пластин вызывает в образцах несколько меньшие остаточные напряжения, чем они сохрани­ лись бы в отливке после такой же перегрузки. В результате ста­ билизирующий эффект от перегрузки при таком испытании на образцах получается несколько большим, чем он был бы на от­ ливке.

207

Фактическая величина остаточных напряжений, которые со­ храняются в чугунных отливках после их временной перегрузки, зависит от многих факторов. Можно лишь сказать, что эти оста­ точные напряжения будут меньше исходных остаточных напря­ жений в данной отливке, но больше тех, которые получились бы при возвращении отливки после перегрузки точно к первоначаль­ ным размерам. Поэтому при исследовании коробления кольце­ вых образцов после перегрузки рассматривали два крайних слу­

чая— нагружение прежними пла­

грузки образцов второй и третьей групп изменение исходных на­ пряжений было небольшим, то коробление образцов, нагружен­ ных как пластинами, имевшими прежнюю толщину Н\, так и

пластинами с новой толщиной Я2, было практически одинако­ вым.

Кривая 4 соответствует короблению четвертой группы образ­

цов при сохранении в них исходной величины остаточных напря­ жений (нагружение пластинами толщиной Я2), а кривая 5 — ко­

роблению образцов этой же группы, но при нагружении их преж­

сохранившихся после перегрузки остаточных напряжений суще­ ственно сказывается на последующем их короблении. Кривая, соответствующая короблению образцов, которое было бы при действительном изменении остаточных напряжений, происходя­ щем в отливке при такой же ее перегрузке, располагалась бы между кривыми 4 и 5, причем, скорее всего, ближе к кри­ вой 5.

При учете действительного изменения остаточных напряже­ ний, происходящего во время перегрузки чугунных отливок, ко­ робление, по-видимому, было бы несколько больше, чем в слу­

208

чае, характеризуемом кривой 5, и прекращалось бы оно не через

0,5 мес. вылеживания после перегрузки, а примерно через 1 мес.

раздел 6), то можно было бы сказать, что при временной стати­ ческой перегрузке чугунных отливок с Кп 1 резко уменьшается

величина их коробления и обеспечивается полная стабилизация размеров при дополнительном вылеживании после перегрузки, в течение 1 мес. Аналогичная величина коэффициента перегрузки, необходимого для стабилизации чугунных отливок (/Сп= 1,3), бы­ ла получена на образцах камертонного типа в работе [2]. При этом исходная величина остаточных напряжений, использовав­

шихся в указанной работе, соответствовала — 0,33. Однако, Qn

как показано в разделе 6, величины остаточных напряжений, а следовательно, и коробления отливок при одном и том же коэф­ фициенте перегрузки неоднозначны. Поэтому лучше определять режим перегрузки, необходимый для стабилизации чугунных отливок, не пользуясь коэффициентом перегрузки.

Уже отмечалось, что стабилизация размеров чугунных отли­ вок после их статической перегрузки связана с возникающей при перегрузке пластической деформацией чугуна. Следовательно, перегрузка должна производиться до напряжений, вызывающих значительную пластическую деформацию.

Из кривой еп при растяжении на рис. 18 и зоны 2 рис. 19 вид­ но, что интенсивная пластическая деформация в сером чугуне любой марки начинается после достижения напряжениями рас­ тяжения величин, превышающих (0,5 —^ 0,6) сгв. Большие из при­ веденных в скобках значений коэффициента относятся к чугунам, обладающим более высокой прочностью. Таким образом, перегрузка до напряжений, меньших 0,5 ав, малоэффективна. Наиболее эффективной является перегрузка до напряжений (0,75 -г- 0,85) ав, когда возникает значительная пластическая де­ формация чугуна. Однако в этом случае суммарные напряжения перегрузки приближаются к пределу прочности и необходимо следить, чтобы не происходило разрушения отливки.

Кривая 5 рис. 94 соответствует короблению после перегрузки

до суммарного усилия 0,6, при котором, согласно данным

Qn

рис. 38, а возникают напряжения растяжения, составляющие 0,73 ав. Стабилизирующую обработку с /Сп= 1,3 в работе [2] про­

изводили при суммарном усилии-^- 0,75,что соответствует наQn

пряжениям растяжения, составляющим 0,84 ав. Таким образом, при перегрузке чугунных отливок напряжениями изгиба запас прочности по изгибающему моменту получался большим, чем по возникающим при этом напряжениям растяжения. В частности, при напряжениях растяжения, равных 0,84 ав, запас прочности