1. ЛИТЕЙНЫЕ СВОЙСТВА
Вязкость и поверхностное натяжение. Вязкость и поверхностное натяжение литейных сплавов имеют большое значение для процессов питания затвердевающей отливки, заполнения тонких полостей и взаимодействия отливки с покрытиями форм. К такому выводу легко прийти на основании материалов, изложенных в гл. IV и VI. Так, например, вязкость входит в расчетные формулы для определения ширины зоны осевой пористости [формула (38)], количества профильтровавшегося расплава через сетку кристаллов (величина коэффициента фильтрации зависит от вязкости), зоны действия прибыли [формула (47)]. С поверхностным натяжением расплава связано капиллярное давление.
На рис. 94 приведены кривые изменения кинематической вязкости V чугуна по данным Н. И. Клочнева [66]. Как видно, для до – за – и эвтектических сплавов v снижается с повышением температуры. Такая же закономерность существует для чистого железа [34]. Влияние основных элементов, содержащихся в чугуне, таково: углерод в доэвтектической области и фосфор понижают вязкость, кремний, сера и углерод при содержании больше эвтектического —ее повышают [119].
Поверхностное натяжение серого чугуна находится в пределах 0,7—1,1 Н/м и понижается с повышением температуры и содержания углерода [66].
Жидкотекучесть. С увеличением концентрации углерода в доэв – тектическом чугуне жидкотекучесть растет, а в заэвтектическом падает. Влияние углерода усиливается с повышением содержания фосфора. Кремний и фосфор существенно влияют на жидкотекучесть: она увеличивается с увеличением концентрации этих элементов. Марганец и сера в тех количествах, в которых они обычно применяются при литье в кокиль, влияют несущественно [119].
Жидкотекучесть металла с повышением его температуры растет. Влияние кокиля на жидкотекучесть отчетливо видно из формулы (1). Жидкотекучесть повышается с увеличением начальной температуры кокиля, толщины покрытия и с понижением коэффи-
8 П/р А. И. Вейиика
10,м2/с
V-107,м2/с
То 1500 1550 1600 к
А)
То 15оо 1550 woo к то то 7500 rsso jsoo ibsok 6) ‘ в)
Рис. 94. Кинематическая вязкость чугунов доэвтектнческого (а), эвтектического (б) и заэвтектического (в) составов:
/ — до обработки магнием; 2 — после обработки магнием. Стрелками показано направление изменения температуры
Циента теплопроводности его материала. Основные из рассмотренных закономерностей подтверждаются экспериментальными кривыми (рис. 95), полученными в опытах с заливкой спиральных проб. Формулы типа (1) рекомендуются для аналитического определения жидкотеку чести [165].
Сказанное выше относительно влияния покрытия на жидко- текучесть справедливо для обычных кокилей. При литье фасонных деталей в облицованные кокили толщина облицовки играет меньшую роль. Из термофизических характеристик облицовки важное значение имеет коэффициент аккумуляции теплоты.
Зная температуру, при которой происходит остановка потока металла, по формуле (1) можно рассчитать путь, пройденный металлом. Можно также определить, на сколько следует увеличить перегрев чугуна для компенсации снижения начальной температуры кокиля. По опыту завода «Водоприбор», при уменьшении температуры формы на 50 град. T3ал следует увеличить на 25 град.
Эти данные получены при производстве чугунных отливок массой 17—22 кг и массе кокиля 400 кг.
1500 7600 Т700Т1ал, К Рис. 95. Влияние содержания углерода (/) и
_j___ I______ I______________ кремния (2), начальной температуры формы (3)
400 600 800 Т-,К и температуры заливки (4) на длину I спираль – ‘ ной пробы
Интересные технологические исследования жидкотекучести чугуна были проведены JL Б. Коганом и другими исследователями с помощью U-образной пробы. Металл выплавляли в вагранке производительностью 4 т/ч. Ших – и 0,09—0,10 S. Чугун заливали при 1570 К. Во всех случаях жидкотекучесть чугуна, выплавленного по шихте II, была выше. Так, если длина прутка для чугуна по первому варианту составляла 120 мм, то по второму 167 мм. Жидкотекучесть обоих чугунов оказалась одинаковой, когда температуру заливки металла II снизили до 1520—1540 К, т. е. на 30—50 град.
Линейная усадка. Это свойство чугуна зависит от его химического состава, скорости охлаждения отливки и других факторов, оказывающих влияние на фазовые превращения. Зависимость линейной усадки от содержания основных элементов чугуна иллюстрируется кривыми рис. 96 и 97. Из этих данных следует, что с увеличением содержания графитизирующих элементов усадка чугуна снижается. Элементы, препятствующие графитизации, усадку увеличивают. Связь свободной линейной усадки чугуна с его микроструктурой подтверждается данными, приведенными в табл. 21.
Как указывалось в гл. IV, общая линейная усадка сплава при литье в кокиль больше, чем при литье в песчаные формы. Это
Положение справедливо и для серого чугуна.
Для приближенного расчета линейной усадки чугунных отливок при литье в кокиль в работе [52 ] рекомендована формула
Е= 1,75- 0,24С-
— 0,65Сгр — (а-\-б)%,
Таблица 21 Линейная усадка чугунов
Типы чугуиов |
Лиией- |
||
Структура |
Усадка, %. |
||
Белый Половинчатый |
П+Ц П+Ц+Гр |
1,75— 1,65 1,64— 1,16 |
|
Перлитный |
П+Гр |
1,15— 1,10 |
|
Перлито – . ферритный |
П+Ф+Гр |
0,90— 0,70 |
|
Ферритный |
Ф+Гр |
0,60— 0,00 |
|
Составляющие шихты |
I |
||
Литейные чугуны JIKO, |
|||
JIKi……………………………………… |
60 |
||
Чугунный лом……………………… |
25 |
||
Собственный возврат |
15 |
||
Передельные чугуны Б1, Б2 |
— |
||
Ферросилиций………………………. |
— |
||
II
35 15 45 5
Ту применяли двух составов:
Металл, полученный по шихте I, содержал 3,3 — 3,5% С; 2,3—2,5% Si; 0,4—0,6% Mn; 0,25— 0,30% Р; 0,10—0,12% S, а по шихте II: 3,6— 3,8% С; 1,6—1,8% Si; 0,6— 0,8%Мп; 0,06—0,12 P
Где С и Crp —содержание общего углерода и графита, %; а я б — параметры, зависящие от торможения усадки сопряженными элементами отливки и песчаным стержнем соответственно. Параметр а зависит от
‘ О 0,1 0,2 O1J Ofi 0,5 1,0 2,0 3,0 %
Рис.
В. Влияние химических элементов на лииейиую усадку чугуна
Конструкции отливки и находится в пределах 0,2—0,4. Величина б составляет обычно 0,15-0,25.
720О 1250 1300 1350 IUQO П50К
Рис. 97. Зависимость относительного удлинения 4 и линейной усадки ? чугуиов от температуры при различном содержании фосфора по данным Л. Б. Когана и И. И. Новикова:
Сплошные кривые 0,2% Р; штриховые — 1,1% P
Т
На рис. 98 показаны кривые изменения усадки чугуна по мере охлаждения. Из кривых следует, что предусадочное расширение вследствие первичной графитизации протекает в период затвердевания. Этим объясняется пониженная склонность чугунов с пластинчатым графитом к образованию в них дефектов в виде пустот усадочного происхождения: выделяющийся при затвердевании графит в большей или меньшей степени восполняет дефицит питания. Однако здесь необходимо подчеркнуть, что при литье в кокиль графитизация металла затруднена вследствие относительно высокой скорости нарастания твердой корочки.
\ \ \ |
||
E |
||
\ |
||
\Р 10 15 |
20 25 JOmin |
|
Т, к |
||
То |
||
1200 |
||
0.S |
||
1000 |
||
0,6 |
||
S00 |
||
OA |
||
6 00 |
||
0.2 |
||
Т |
||
0 |
||
-0,2, |
||
Влияние положения чугунов на диаграмме состояния на закономерности образования в отливках усадочной пористости и раковин легко объяснить на основании теоретических положений, изложенных в гл. IV. Из условий (35) и (36) следует, что с повышением степени эвтектичности доэвтек – тических чугунов уменьшается склонность к образованию в отливках усадочной пористости, но увеличивается вероятность образования сосредоточенных раковин. Следует также, что условия охлаждения отливок в кокилях препятствуют появлению в чугуне рассредоточенных дефектов усадочного происхождения.
Рис. 98. Температурная зависимость свободной линейной усадки е чугуна с пластинчатым графитом (Н. И. Клочнев)
Рис. 99. Зависимость показателя склонности к трещинообразованию кольцевых проб от содержания фосфора в чугуне (штриховая линия — показатель склонности к образованию холодных трещин)
В сравнении с другими распространенными литейными сплавами чугун имеет сравнительно малую линейную и объемную усадку. Благодаря этим свойствам серого чугуна литьем в кокиль получают весьма сложные по конфигурации отливки с различной массой и толщиной стенок. При этом широко используют металлические стержни и болваны.
Трещиноустойчивость. С усадкой металла связаны напряженно-деформированное состояние отливки и опасность возникновения в ней трещин. В свете общих положений, изложенных в параграфе 7 гл. IV, оценка трещиноустойчивости материала отливки должна заключаться в сравнении температурных зависимостей напряжений или соответствующих им деформаций с прочностью или пластичностью литого сплава.
Из производственного опыта литья в кокили известно, что с повышением содержания углерода и кремния склонность чугуна к образованию трещин заметно снижается. По данным, полученным при заливке в кокиль кольцевых проб, увеличение содержания марганца с 0,5 до 0,9% повышает трещиноустойчивость чугуна; дальнейшее увеличение марганца приводит к отрицательным результатам.
Влияние фосфора на трещиноустойчивость чугуна при контакте отливки с формой можно оценить по кривым рис. 97. Как видно, при повышении содержания фосфора с 0,2% до 1,1% пластичность чугуна в нижней части эффективного интервала кристаллизации (1220 К) растет, а относительное удлинение падает. Из этого следует повышение трещиноустойчивости чугуна. Однако концентрация фосфора в количестве 0,2% соответствует наибольшей склонности чугуна к образованию в нем трещин (рис. 99). При P – V 0 трещиноустойчивость также растет, что объясняется уменьшением при этом интервала кристаллизации.
Как видно из рис. 99, при P >0,8% резко увеличивается опасность возникновения в отливках холодных трещин (штриховая линия). По мнению авторов этих данных, растрескивание кольцевых проб при комнатной температуре связано с охрупчи – ванием чугуна.
Практикой получения тонкостенных чугунных отливок в кокилях с металлическими стержнями установлено, что поверхностный отбел способствует образованию усадочных трещин. Связано это, по-видимому, с очень низкой пластичностью и относительно высокой усадкой цементитной корочки. Все мероприятия, обеспечивающие получение чугуна без отбела, способствуют повышению трещиноустойчивости отливок. Как показал опыт московских заводов им. Владимира Ильича и «Водоприбор», при содержании в чугуне 3,6—3,7% С и 2,4-2,7% Si (сумма не менее 6%) отливки типа подшипниковых щитов отбела не имеют, несмотря на малую толщину их стенок.
Поражаемость газовыми и неметаллическими включениями при литье чугуна в кокиль меньше, чем при литье в песчаные формы. Объясняется это тем, что в кокиле значительно меньше источников образования указанных дефектов, чем в песчаной форме. Другие же источники этих дефектов (шихтовые материалы, плавка и заливка) мало связаны с особенностями технологии литья в кокиль и поэтому здесь не рассматриваются.
При охлаждении жидкого металла, особенно при затвердевании, растворимость газа в отливке уменьшается. Поэтому заливаемый в кокиль металл может явиться источником газовыделения. Мощность этого источника связана с газонасыщенностью расплава. Процесс выделения газа из металла зависит от скорости охлаждения и давления. Повышение скорости охлаждения отливки приводит к тому, что газы не успевают выделиться и остаются в растворенном (в металле) состоянии. Опыт показывает, что относительно небольшое давление 0,3 МПа (3 кгс/см2) вполне достаточно для подавления газовыделения. При литье чугуна, однако, основными источниками газовых дефектов являются влага, адсорбированная на поверхности кокиля, продукты окисления материала кокиля, газы, выделяющиеся вследствие деструкции покрытия кокиля, и, наконец, воздух, находящийся ‘в объеме рабочей полости кокиля.
Железо и цементит в чугунном кокиле образуют микрогаль- ванопару, в которой в качестве анода выступает Fe, а в качестве катода Fe3C. Во влажной среде работа микрогальванопары заключается в следующем. Железо, теряя два электрона, превращается в катионы Fe++. Поскольку адсорбированная вода, будучи слабым электролитом, при диссоциации образует ионы ОН», происходит следующая реакция:
Fe+t + 20Н» – Fe(OH)2.
В поверхностном слое длительно работавшего кокиля было обнаружено 50% гидрозакиси железа [107]. Гидрозакись железа окисляется во влажной среде до Fe(OH)3. Одновременно происходит восстановление ионов водорода до свободного газообразного водорода. Таким образом возникает источник насыщения чугуна водородом.
Другим источником насыщения чугуна газом является разложение Fe(OH)2 по реакции
Fe(OH)2 FeO + H2O. Закись железа, в свою очередь, реагирует по схеме
FeO + С = Fe + СО с образованием угарного газа. Кроме того, возможна реакция
FeO + Fe3C = 4Fe + СО.
Что же касается выделения газа при нагреве кокильных покрытий, то оно зависит от их состава и режима нанесения. Некоторые сведения по этому вопросу приведены в гл. VI.
Для исключения опасности образования в отливке газовых раковин из-за воздуха, находящегося в объеме рабочей полости кокиля, последний должен иметь систему вентиляционных каналов. Для расчета площади сечения этих каналов рекомендуется формула (130).
Неметаллические включения в чугун могут вноситься извне и образовываться при взаимодействии примесей и газов, находящихся в металле. При литье в кокиль борьба с растворимыми включениями облегчается: с увеличением скорости затвердевания количество примесей и их размеры уменьшаются.
Особенности микроструктуры. Повышенная скорость охлаждения отливки при литье в кокиль уменьшает степень графитиза – ции, увеличивает количество и дисперсность перлита, измельчает графитные включения, что приводит к улучшению механических и специальных свойств серого чугуна. Однако большая скорость охлаждения и ее неравномерность по сечению отливки могут (при определенном химическом составе чугуна) привести к образованию особых структур, неодинаковых в разных слоях с необычным их чередованием в отливках. Наиболее характерно для чугунных деталей, отлитых в кокиль, —наличие отбела в результате образования структуры белого чугуна на поверхности отливки. Интенсивность теплообмена и переохлаждение способствуют выделению в структуре связанного углерода (Fe3C), что и обусловливает образование отбела. Проблема предупреждения отбела чугунных отливок при литье в кокили — одна из наиболее важных технологических проблем, решению которой посвящены работы многих исследователей [52, 105, 107, 148 и др. ]. Методы предупреждения отбела рассматриваются ниже.
Как аномальное расположение структур чугуна часто встречается следующее чередование их в отливках, полученных в кокилях: в наружном слое П + Ц> 33 ним —Ф + Гр, в центральной части П – f Гр. При определенных условиях в наружном слое отливки может образоваться структура Ф – f Гр, во внутренних слоях —П – f – Гр. Образование ферритно-графитной структуры в^местахI повышенной скорости охлаждения на первый взгляд представляется явлением аномальным. В действительности такое явление обычно, оно обусловлено наличием дисперсного эвтектического графита (графита переохлаждения), который способствует при перлитном превращении полному распаду аустенита и выделению феррита. Наличие в структуре чугуна феррито – графитной эвтектики заметно снижает некоторые его свойства (износостойкость, прочность и т. д.). Однако в ряде случаев фер- рито-графитная эвтектика оказывается полезной; она улучшает обрабатываемость отливок, повышает их герметичность, а иногда и повышает их термическую выносливость. Так как условия образования феррито-графитной эвтектики еще недостаточно изучены, то управление процессом структурообразования с целью ее предупреждения или стабильности формирования представляет собой сложную проблему.
Получение при литье в кокили благоприятной структуры чугуна (включая и наличие некоторого количества цементита, устраняемого последующим отжигом отливок) гарантирует отливкам более высокие, чем в случае литья в песчаные формы, механические свойства и герметичность. Литье чугуна в кокиль повышает его свойства до уровня, сопоставимого со свойствами литой и сортовой стали, а трудоемкость получения деталей при этом снижается почти на 50% 1162].
2. ПОДГОТОВКА МЕТАЛЛА
Примерные составы чугунов для литья в кокиль даны в табл. 22. С целью предупреждения в отливках отбела и уменьшения склонности к трещинам чаще всего увеличивают содержание углерода и особенно кремния. Однако следует помнить, что при содержании кремния свыше 2,5% и большой скорости затвердевания в чугуне обнаруживается силикокарбидная фаза, а при содержании кремния свыше 3,2% — жидкотекучесть сплава заметно падает.
Существенное влияние на предупреждение отбела оказывает модифицирование чугуна.[При модифицировании в расплаве может образовываться большое число центров кристаллизации. Некоторые модификаторы нейтрализуют влияние вредных примесей.
Широко используемые на практике модификаторы указаны в табл. 22. Кроме них применяют силикокальций и графит. При высоком содержании углерода в качестве модификатора рекомендуется ферроцерий. В указанном случае другие модификаторы вызывают появление графитовой спели. Количество модификатора обычно вводят до 0,4% от массы жидкого металла. Исключение составляет ферроцерий. Как видно из рис. 100, при
Рис. 100. Влияние модификаторов чугуна на глубину h отбела технологической пробы: 1— алюминий; 2— силикокальций; 3— сплав ФЦМ-5 ®
5
Содержании ФЦМ-5 свыше, примерно 0,2%, глубина отбела h увеличи – 41 вается. На том же рисунке приведены 5 данные о графитизирующем действии алюминия и силикокальция. 2
Наиболее сильное воздействие на качество чугуна оказывают комплексные модификаторы. Последние не только изменяют параметры процесса кристаллизации, но и рафинируют расплав. Анализ экспериментальных данных показывает, что при 1380 0C более половины введенного Si растворяется в чугуне; 26% идет на раскисление и 17% —на образование карбида кремния. Кальций же и церий в основном взаимодействуют с серой и кислородом, растворенным в металле. Алюминий в количестве 79% расходуется на образование окислов. Углерод в основном переходит в раствор.
Уменьшение глубины отбела при модифицировании связано с уменьшением переохлаждения сплава. Следует ожидать, что элементы, которые в большей степени уменьшают переохлаждение, окажутся более активными модификаторами, предупреждающими отбел. Целесообразно сочетать модификаторы, образующие активные зародыши и расширяющие зону критического переохлаждения [148].
Таблица 22
Химический состав (%) серого чугуна
Характеристика отлнвок |
С |
Sl |
Mn |
P |
S |
Модификаторы |
Тонкостенные реб |
||||||
Ристые, отжигаемые |
||||||
На феррит…. |
3,6 — 3,7 |
2,1-2,3 |
0,4 — 0,5 |
До 0,1 |
До 0,05 |
0,1 % KOKCH- Ка — в плавильную печь перед выдачей металла; 0,05% ФЦМ-5 — в разливочный ковш |
Тонкостенные арма |
||||||
Турные неответ |
||||||
Ственного назначе |
||||||
Ния (без отбела) |
3,2 — 3,8 |
2,5 — 3,2 |
До 0,8 |
0,4-0,6 |
До 0,1 |
— |
Машиностроитель |
||||||
Ные (без отбела) |
3.5 — 3,7 |
2,5 — 2,7 |
0,5 — 0,9 |
До 0,6 |
До 0,12 |
— |
3,5 — 3,7 |
2,0 — 2,2 |
0,5 — 0,9 |
До 0,6 |
До 0,12 |
0,2% Al |
|
3,2 — 3,4 |
2,0 — 2,2 |
0,5-0.9 |
ДО 0,6 |
До 0,12 |
0,2% Al, |
|
0,3% ФС 75 |
В предыдущем параграфе рассматривались аномальные структуры чугуна. При борьбе с ними следует руководствоваться следующими данными. Наиболее надежным способом получения перлитной структуры является применение специального модифицирования и легирования, в том числе и микролегирования. Весьма эффективными являются присадки в чугун сурьмы и олова, обеспечивающих получение перлитной структуры по всему сечению отливки (исследования И. П. Гладкого). Для предупреждения образования феррито-графитной эвтектики требуется присадка до 0,15% Sn. Сурьма является более эффективным перлитизатором, чем олово. Чтобы получить в чугуне перлитную структуру, достаточно 0,05—0,1% Sb, при этом не образуется междендритное строение графита. Более эффективна комплексная присадка в чугун: олово и ферроцерия одновременно.
Положительные результаты по износостойкости получены после обработки чугуна присадкой ФЦМ-5. Износостойкость чугуна с присадкой олова и сурьмы, залитого в кокиль, на 10% выше, чем износостойкость чугуна, отлитого в песчаные формы.
3. ЛИТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ
Различные типы литниковых систем чугунных отливок приведены на рис. 101. В практике наибольшее распространение получил верхний подвод металла. При этом стойкость кокилей в 2—3 раза выше, чем при сифонной заливке. Кроме того, обеспечивается направленное затвердевание отливок и сокращается расход металла, на литники. Примеры конструкций производ-
Рис. 101. Схемы литниковых систем для получения отливок из серого чугуна в кокилях с вертикальной (а) и горизонтальной {б) плоскостями разъема
Ственных кокилеи с верхним подводом металла показаны на рис. 69, а; 70 и 72 и с боковым —на рис. 71. Для уменьшения разбрызгивания падающего с большой высоты металла кокиль иногда наклоняют на несколько градусов.
В кокиле более всего изнашиваются зоны, образующие литниковую систему, и часть формы, на которую попадает первая порция металла. В связи с этим рекомендуется рассредоточенный подвод металла и плавное, безударное заполнение формы. Целесообразно в форме выполнять две литниковые системы для поочередного использования каждой или предусматривать возможность перехода на новую. Отливки из серого чугуна получают в кокилях обычно без прибылей.
В основе расчетных формул для расчета площади сечения элементов литниковых систем лежит известное из курса гидравлики выражение, устанавливающее расход жидкости при вытекании через затопленное отверстие:
Q =VJP^wr, (134)
Где (i — коэффициент расхода; F — площадь отверстия; g — ускорение свободного падения; H — высота уровня жидкости над центром тяжести отверстия. Если считать, что в процессе заливки H не изменяется, то, очевидно,
М\ = p{Fnti\i V 2g#, (135)
Где M1 — масса отливки; pi — плотность жидкого металла; Fn — площадь сечения питателя; t1 — продолжительность заливки. Небольшим значением величины может быть период, в течение которого температура металла при движении в полости кокиля изменяется от Тзал до ГзаТв. Учитывая это из уравнения (1), полагая в нем г — 0 (фронт потока), находим
^^lnl»»»^*, (136)
А1ф ‘ затв » ‘ с ф
Где Rc — приведенный размер полости формы.
В соответствии с рассуждениями, приведенными в параграфе 2 гл. II, можно положить Oc1 = XJXkp и Tc. ф =• Т2н. Тогда из уравнений (135) и (136) окончательно находим
Fn =——————— P^f————— = • (137)
1 затв ‘ 2Н
Величина Fn, найденная с помощью формулы (137), является минимальной. Поэтому потребное сечение питателя определяется по выражению Fn = kF„,
Где k —коэффициент запаса, k > 1.
Зал
10 30 50 70 90 1002Х,,т
Рис. 102. График для определения 7″gaJ] в зависимости от толщины стеики отливки 2Xt
Для определения площади сечения других элементов литниковой системы рекомендуются следующие соотношения [52]:
Fn-F^-Fcr=I :1,15: 1,25,
Где Fjlx — площадь сечения литникового хода; Fct — площадь сечения стояка.
В заключение рассмотрим некоторые практические данные. Для отливок из серого чугуна скорость подъема металла в кокиле должна быть не менее 10 мм/с при толщине стенки отливки до 10 мм. По опыту производства тонкостенных отливок массой 15—30 кг в кокилях с вертикальным разъемом на заводе «Водо – прибор» (г. Москва) рекомендуются питатели, рассчитанные по условию: 1 см2 — на 4,5—5,0 кг массы отливки. По данным этого же завода, заполняемость формы и качество отливок заметно улучшаются применением обычного зумпфа глубиной 45 мм или шаровидного диаметром 50 мм.
Температура заливки Тзал чугуна в кокиль находится обычно в пределах 1280—1330° С. С повышением T3an стойкость кокилей падает. Поэтому в исключительных случаях (для получения отливок сложной геометрической формы) Тзал увеличивают до 1360° С. Для выбора T3an рекомендуется график, показанный на рис. 102.
В ряде работ выявлены многие «тонкости» влияния элементов литниковой системы на качество отливок. Так отмечается, что литниковые системы, обеспечивающие ламинарный поток чугуна при минимальной продолжительности, способствуют уменьшению отбела [171].
4. ПОДГОТОВКА КОКИЛЯ
Как видно из формул (4) и (4′), возможности управления скоростью затвердевания и, следовательно, формирования свойств отливки заложены в выборе начальной температуры кокиля, свойств и толщины покрытия формы, т. е. в осуществлении мероприятий по подготовке формы к очередной заливке.
В зависимости от химического состава чугуна цементит в отливке образуется при скоростях затвердевания 5—2 мм/с. Изменение и с 5 до 2 мм/с приводит к увеличению размеров зерен цементита с 4 до 20 мкм.
Из экспериментальных данных, приведенных на рис. 103, следует, что с повышением Т2н вплоть до 720 К глубина отбела заметно уменьшается. При этом уменьшается также перепад
Кокиля 7″зн иа глубину отбела А отливки и перепад температуры 6Г2 по толщине
Стенки кокиля
Температур ST2 по толщине стенки формы (расчетные данные), что является положительным фактором с точки зрения стойкости кокилей. Влияние Т2Н на жидкотекучесть и усадку металла рассматривалось ранее.
При заливке чугуна в неподогретый кокиль в отливке могут образовываться подкорковые газовые раковины. Это объясняется тем, что на поверхности холодной формы адсорбируются пары воды. Если холодный кокиль перед заливкой обтереть керосином или машинным маслом, то эти дефекты не возникают. При Tiil более 770 К не исключено появление в отливках газовой пористости. Для выбора T211 в производственных условиях можно пользоваться графиком, показанным на рис. 104.
В табл. 23 приведены покрытия, рекомендуемые НИИСЛ для литья чугуна. Согласно классификации, данной в гл. VI, все они относятся к группе тонкослойных. Составы 2 и 4 предназначены для многоразового использования: наносятся в качестве подслоя 1—2 раза в смену. Составы 1, 3, 5 и 6 являются разовыми. Они могут наноситься на многоразовый подслой или непосредственно на рабочую поверхность кокиля. В практике литья в кокиль чугуна в качестве разового тонкослойного покрытия широко применяют водный раствор пасты ГБ. Состав разводят до плотности 1080—1100 кг/м3.
Рис. 104. График для выбора начальной температуры кокиля в зависимости от приведенной толщины стенки отливки ^no
С помощью расчетных формул параграф 2 гл. II определяют толщину покрытия Xkp при заданных термических условиях литья, например скорости затвердевания, длительности каждой стадии охлаждения отливки или ее элемента и др. Необходимые для вычислений значения Я, кр можно принять по данным, приведенным в табл. 3 и 4 (см. гл. VI), или рассчитать по формуле (60). Экспериментальные величины Хкр для многочисленных составов можно найти также в работах [11, 16—19, 56, 147 и др.].
Таблица 23 Составы покрытий и красок для литья чугуна, % по массе *
№ состава Jf |
Сажа TM-15 |
Огнеупорная глина |
Молотый тальк |
Молотый шамот |
Ацетиленовая копоть |
Марганцево- Кнслый Калий (сверх 100%) |
Бура (сверх 100%) |
Жидкое стекло |
Смачиватель ОП-7 или Оп-ю |
1 2 3 4 5 6 |
4 10—15 7—10 * Оста ** Соде |
2 4 10—15 ** Льное — во ржание гл! |
23 да. 1ННСТОЙ |
40 Эмульс |
100 ии гтл01 |
0,05 0,05 Гностью 13 |
1,2 30—140 |
4 6 8 5—7 Кг/м3. |
0,5 0,4—0,6 |
В заключение необходимо отметить, что комплексную оценку влияния на условия формирования отливки всех факторов, связанных с подготовкой кокиля, можно дать с помощью структурных диаграмм, приведенных, на рис. 12 или 51, и расчетных зависимостей гл. II. Примеры практического применения указанных диаграмм описаны в гл. III и VII.
5. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
Термическую обработку чугунных отливок, получаемых при литье в кокили, осуществляют для устранения отбела и феррито – графитной эвтектики, снятия внутренних напряжений и улучшения механических свойств. Наиболее часто ее применяют для устранения отбела.
Термическая обработка состоит из высокотемпературного гра – фитизирующего отжига с нагревом до 1120—1220 К, некоторой выдержки и охлаждения вместе с печью или на воздухе. Для устранения отбела может быть осуществлена также термическая обработка отливок сразу после выбивки из формы: отливки в горячем состоянии загружают в печь, нагретую до 1220 К, выдерживают в ней 2—3 ч и охлаждают на воздухе.
В настоящее время некоторые заводы начали подвергать термической обработке отливки с целью перлитизации структуры чугуна, содержащей междендритный графит. При нагреве чугуна с междендритным графитом распад эвтектоидного цементита успевает произойти до достижения температуры Acf. Процесс аусте – низации протекает в металле за счет растворения углерода графита в Fev. Аустенит зарождается и растет в первую очередь около включений графита. С увеличением температуры нагрева количество аустенита возрастает. Однако в интервале Ac^—Ас\ (1050 — 1100 К) превращение не завершается. Небольшие участки феррита наблюдаются в дендритах чугуна при нагреве выше Ас\.
Данные металлографического и высокотемпературного рент- геноструктурного анализа свидетельствуют о том, что в чугуне с междендритным графитом участки феррита сохраняются при нагреве до 1190—1200 К. Нагрев до более высоких температур (выше 1270 К) сопровождается интенсивным растворением и сфе – роидизацией графитовых включений. Для полного исключения структуры свободного феррита в чугуне аустенизацию необходимо проводить при более высоких температурах (>Лс3на 120—150 град).
При одном и том же химическом составе чугуна время, необходимое для насыщения аустенита углеродом междендритного графита, в 5—8 раз меньше, чем время, необходимое для насыщения углеродом пластинчатого графита (Г. Г. Бойко). Это объясняется тем, что междендритный графит отличается чрезмерной дисперсностью и сильно развитой межфазовой поверхностью.
Наиболее высокие механические свойства у чугуна с междендритным графитом достигаются при трооститной металлической основе, которая обеспечивается закалкой с последующим отпуском при 770 К. Температура высокого отпуска чугуна с междендритным графитом не должна превышать 870 К во избежание образования ферритной металлической основы. Оптимальная температура закалки чугуна 1220—1270 К. Наибольшей износостойкостью обладают чугунные отливки с междендритным графитом после закалки и отпуска при 570—670 К. Закалка и отпуск чугуна с междендритным графитом повышает механические свойства в 1,5—2 раза и износостойкость в 3—6 раз (Г. Г. Бойко).
Снятие внутренних напряжений в отливках производится нагревом до 770—870 К, выдержкой 2—8 ч (в зависимости от конфигурации и габаритных размеров отливки) и охлаждением вместе с печью со скоростью 20—50 град/ч до 520 К-
6. ВИДЫ БРАКА И СПОСОБЫ ЕГО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ
Брака отливок при литье в кокиль по сравнению с литьем в песчаные формы обычно меньше, а некоторые виды брака (возникающие при литье в песчаные формы) вовсе не наблюдаются. Однако появляется ряд специфических видов брака, связанных с большой жесткостью литейных форм и повышенной скоростью охлаждения в них отливок. Наиболее распространенные дефекты чугунных отливок — их отбел и аномальное чередование в них структур чугуна — подробно рассмотрены выше.
Специфические виды брака при литье чугуна в кокиль, причины брака и методы устранения сведены в табл. 24,
Таблица 24
Виды брака, причины и способы предупреждения
Причина брака |
Способы предупреждения |
Hecoomeen Отклонение состава металла Нарушение температурного режима плавки, модифицирования и заливки Несоответствие начальной температуры кокиля Нарушение режима нанесения на кокиль теплозащитного покрытия |
Чствие структуры Соблюдение установленных для данного технологического процесса: состава металла; режима плавки; состава, количества и режима ввода модификатора; режима заливки; начальной температуры кокиля; состава и толщины теплозащитного покрытия |
Газо Подсос воздуха при заливке Повышенное газосодержание заливаемого металла Недостаточная вентиляция полости кокиля Низкая температура заливаемого металла Холодный кокиль и непросушен – ное теплозащитное покрытие Перегретый кокиль Сильно окисленная поверхность кокиля при значительном разгаре Повышенная газотворная спо-. собность песчаного стержня |
Вые раковины Изменение конструкции литниковой системы с целью исключения возможности отрыва струи от поверхности формы и разбрызгивания потока при входе в рабочую полость Изменение состава шихты и повышение температуры перегрева Увеличение сечения вентиляционных отверстий и устройство дополнительных Повышение температуры заливаемого металла Подогрев кокиля, тщательное просушивание покрытия Охлаждение кокиля и в дальнейшем поддержание оптимальной частоты заливки и режима охлаждения формы Очистка кокиля, ликвидация сетки трещин (обычно путем механической обработки), нанесение на кокиль при консервации антикоррозионного покрытия Снижение газотворной способности связующего, тщательное высушивание стержня, снижение скорости заливки металла |
Hedo Недостаточная жидкотекучесть расплава Большая протяженность литниковой системы |
Ливы и неспаи Повышение температуры заливаемого металла, снижение содержания серы и повышение содержания фосфора и кремния (не более 3%) Устройство коротких литниковых систем, заливка сверху |
Продолжениетабл. 24
Причина брака |
Способы предупреждения |
Ускоренное охлаждение потока расплава |
Повышение начальной температуры кокиля, тщательное нанесение теплозащитного покрытия на кокиль в зоне литниковой системы |
Нетехнологичность конструкции отливки Разъем кокиля по кромке отливки Местный перегрев отливки Недостаточная податливость формы Залив металла по поверхностям сопряжения частей кокиля Ускоренное и неравномерное охлаждение отливки после извлечения из кокиля |
Трещины Упрощение конструкции отливки: выполняются плавные переходы, вводятся галтели, уклоны и др. Перенос разъема формы на расстояние не менее 2—3 мм от кромки отливки Рассредоточивание подвода металла Применение податливых песчаных стержней, раннее извлечение металлических стержней, раскрепление кокиля и извлечение отливки из формы Тщательная сборка формы, подгонка частей кокиля Замедление охлаждения отливки, например путем помещения ее в термостат |
ЛИТЬЕ ЧУГУНА С ШАРОВИДНЫМ ГРАФИТОМ
1. ЛИТЕЙНЫЕ СВОЙСТВА
Вязкость и поверхностное натяжение. Вязкость чугунов, независимо от их положения на диаграмме состояния, после обработки магнием и церием заметно падает. Снижение температуры расплава приводит к повышению вязкости (см. рис. 94). Вязкость растет с увеличением содержания углерода и при изотермической выдержке. Последнее обстоятельство, по мнению Н. И. Клочнева, связано с удалением из расплава модификатора [66].
Обработка чугунов магнием и церием вызывает увеличение поверхностного натяжения расплава на 50—60%.
Жидкотекучесть. Данные о влиянии магния на жидкотеку – честь чугуна разноречивы.
Влияние начальной температуры кокиля, температуры заливки, толщины и состава покрытия кокиля на жидкотекучесть чугуна с шаровидным графитом аналогично влиянию на жидкотекучесть чугуна с пластинчатым графитом. Количественная оценка влияния перечисленных факторов может быть осуществлена с помощью формулы (1).
Усадка. В табл. 25 приведены данные (Р. Л. Снежной, Г. В. Немченко) о свободной линейной усадке в кокилях образцов из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Как видно, увеличение диаметра образцов, а также дополнительное модифицирование металла ферросилицием приводят к уменьшению усадки. Полученные результаты вполне закономерны и объясняются увеличением степени графитизации с ростом толщины стенки отливки и с вводом графитизирующего модификатора. Сравнение данных табл. 21 и 25 показывает, что полная усадка чугуна с шаровидным графитом примерно равна усадке чугуна с пластинчатым графитом при аналогичных металлических основах (образцы диаметром 10 мм имели структуру белого, диаметром 30 мм — половинчатого и диаметром 50 мм — перлитного чугунов).
Многочисленными исследованиями установлено, что влияние химического состава и скорости охлаждения на рассматриваемое свойство не зависит от формы включений графита.
Особенность линейной усадки чугуна с шаровидным графитом заключается в 2—3 раза большей, чем у чугуна с пластинчатым графитом, величине предусадочного расширения, а также в более либо менее полной реализации последнего процесса после затвердевания (рис. 105). Вследствие этих особенностей чугун с шаровидным графитом имеет пониженную склонность к образованию горячих трещин, но повышенную склонность к образованию усадочных в основном сосредоточенных раковин и пористости (рис. 106). Графики на рис. 106 показывают, что объем усадочных
Таблица 25
Свободная линейная усадка чугуна
Диаметр образца, MM |
Усадка, %, при модифицировании |
|
Магнием |
Магнием и ферросилицием |
|
10 |
2,09 |
1,81 |
30 |
1,77 |
1,53 |
50 |
1,24 |
1,17 |
Рис. 106. Относительный объем усадочных раковин (%) в отливках:
1 — усадочные раковины и пористость; 2 — сосредоточенные усадочные раковины
Раковин зависит от углеродного эквивалента и достигает максимальной величины, если состав чугуна близок к эвтектическому. Опыт показывает также, что объем усадочной раковины увеличивается при снижении Tзал. Влияние ширины интервала кристаллизации ВЧШГ на особенности усадочных процессов аналогично рассмотренному ранее для серого чугуна (см. параграф 1 гл. XI).
Рис. 105. Изменение температуры отливки (/) и предусадочного расширения (2) чугуна (по Н. И. Клочневу)
Трещиноустойчивость. Как указывалось, чугун с шаровидным графитом имеет предусадочное расширение большее, чем серый чугун, и, следовательно, меньшую склонность к образованию горячих трещин. Благодаря этому в кокилях из чугуна с шаровидным графитом получают весьма сложные отливки, т. е. такие, формирование которых протекает в условиях сильно затрудненной усадки. Сказанное подтверждается производственными примерами (см. рис. 66 и 72), а также результатами специальных исследований. При отливке образцов диаметром 10, 30 и 50 мм в кокилях, исключающих свободную усадку металла, было установлено (Р. Л. Снежной, Г. В. Немченко), что трещины образуются в интервалах температур 1000—970, 970—700 и 800—700 К соответственно. Следовательно, опасные с точки зрения образования трещин интервалы температур находятся ниже, чем принятые температуры удаления отливок из кокиля. Можно подчеркнуть, что с повышением толщины стенки отливки опасность появления горячих трещин снижается.
Чугун с шаровидным графитом, однако, имеет повышенную в сравнении с серым чугуном склонность к образованию холодных трещин. Этот недостаток проявляется полнее всего при литье в кокиль, что связано с отбелом чугуна (особенно в тонких сечениях). Из других факторов, влияющих на образование холодных трещин, необходимо отметить относительно высокое значение модуля упругости и пониженную величину теплопроводности. Понятно, что эти факторы снижают трещи неустойчивость высокопрочного чугуна.
Поражаемость газовыми и неметаллическими включениями. Данные относительно поражаемосы газовыми включениями серого чугуна, изложенные в предыдущей главе, имеют прямое отношение к литью чугуна с шаровидным графитом. Для отливок из чугуна с шаровидным графитом характерны также неметаллические включения, получившие название «черные пятна».
Первыми исследованиями зон отливок, пораженных черными пятнами, было обнаружено повышенное (в сравнении со средним) содержание магния (в несколько раз) и серы (в несколько десятков раз). Это послужило основанием для предположения, что черные пятна представляют собой в основном сульфиды магния (MgS), образующиеся при модифицировании. Такое предположение подтверждалось уменьшением черных пятен по данным серных отпечатков по мере снижения в чугуне содержания серы. Однако позднее, благодаря исследованиям Е. Б. Шицмана и др., было установлено, что черные пятна кроме MgS содержат MgO в виде окисных плен.
Включения сульфидов имеют более или менее компактную форму. Их образование завершается в процессе модифицирования и связано с наличием серы расплава. Обладая существенно меньшей, чем чугун, плотностью включения, MgS легко всплывают в ковше. Поэтому радикальными мерами борьбы с сульфидными включениями являются снижение содержания серы в чугуне (до 0,01%) и перевод сульфидов в шлак с помощью флюсов (криолит, плавиковый шпат и др.) с последующим скачиванием шлака. В случае, когда сульфиды попадают в форму, они располагаются обычно в верхней по заливке части отливки. При ускоренном охлаждении чугуна (например, в кокиле) соединения MgS могут быть рассредоточены по объему отливки. Они легко обнаруживаются по серным отпечаткам и характерному темно-серому цвету в изломе.
Включения окислов имеют форму тонких пленок. Эти включения, действуя подобно надрезам, заметно снижают прочность, пластичность и герметичность чугуна. Окислы образуются на свободной поверхности расплава, чем и объясняется их пленочный вид,
Рис. 107. Окисиые плеиы в изломе отливки из чугуна, модифицированного магнием
А также возникновение как в ковше, так и при движении металла в форме. Пленки окислов при завихрении потока расплава разрываются и застревают в теле отливки. Их размеры могут быть от десятых долей до нескольких миллиметров (рис. 107). С окисными пленами могут взаимодействовать включения сульфидов. В этом случае плены обнаруживаются по серным отпечаткам. Образование плен связано с повышенной окисляемостью магниевого чугуна. Как показал Е. Б. Шиц-
Ман, склонность чугуна к образованию этих включений зависит от температуры и содержания магния: чем больше магния содержится в металле, тем выше температура пленообразо – вания. При нагреве выше этой температуры образование плен термодинамически невыгодно. Так, при содержании 0,035— 0,037% Mg окисные плены не обнаруживаются, если T3an свыше 1690—1720 К. Из изложенного следует, что борьба с окисными пленами заключается в предотвращении окисления расплава магниевого чугуна.
К специфичным дефектам отливок из чугуна с шаровидным графитом относятся также неметаллические включения в виде ликватов графита. Располагаются они, как и прочие неметаллические включения, в верхних по заливке участках отливки. Исследованиями, проведенными в НИИСЛе, установлено, что ликвация не наблюдается, если углеродный эквивалент не превышает 4,35% для отливок с приведенной толщиной стенки 20—25 мм и 4,5% для тонкостенных (~5 мм) отливок.
Особенности микроструктуры. Из данных гл. III следует, чем больше скорость затвердевания и охлаждения чугуна, модифицированного сфероидизирующими веществами, тем правильнее шаровидная форма и меньше размеры включений графита. Поэтому при литье в кокиль создаются весьма благоприятные условия для получения чугуна с шаровидным графитом.
Как известно, основные сфероидизаторы графита — магний и церий — при их использовании в количествах, обеспечивающих получение шаровидного графита, оказывают сильное отбеливающее действие. Это обстоятельство в сочетании с ускоренным охлаждением металла приводит к тому, что отливки из чугуна с шаровидным графитом, полученные в кокилях, при толщине стенки до 15—20 мм имеют сквозной отбел. Следовательно, термическая обработка таких отливок, за исключением особых случаев, является обязательной.
2. ПОДГОТОВКА МЕТАЛЛА
Чугун с шаровидным графитом, применяемый для литья в кокили, имеет обычно следующий состав, %: 3,2—3,5 С; 2,8—3 Si; 0,6—0,9 Mn; до 0,12 Р; до 0,12 S (до модифицирования). Содержание модификаторов в металле должно находиться в пределах: 0,03—0,08% Mg и 0,02—0,05% Ce. При большем содержании сфероидизаторов металл охрупчивается. Углерод следует поддерживать на верхнем пределе, так как при этом, в отличие от серого чугуна, обеспечиваются высокие механические и, кроме того, улучшаются литейные свойства. На структуру отливок из чугуна с шаровидным графитом воздействуют обычно изменением количества кремния. Однако превышение концентрации кремния сверх 3% не рекомендуется вследствие появления хрупкости.
При литье в кокиль наибольшее практическое применение нашло модифицирование чугуна металлическим магнием в камерах-автоклавах. Основные положения этой технологии разработаны в НИИСЛе и сводятся они к следующему [145]. Если содержание серы в исходном чугуне превышает 0,12%, то металл обрабатывают кальцинированной содой. Магний вводят в количестве 0,17—0,25% от массы чугуна в ковше. Модификатор представляет собой магниевый сплав в чушках марок MMl или ММ2 по ГОСТ 2581—78. Перед модифицированием в металл дают криолит (ГОСТ 10561—73) в количестве от 0,05 до 0,10%. Давление сжатого воздуха в камере-автоклаве устанавливают перед вводом модификатора в зависимости от температуры:
Температура чугуна в ковше, К До 1630 1630—1650 1650—1670 1670—1690
Давление сжатого воздуха,
Кгс/см2, не менее…………………. 5,0 5,6 6,4 7,3
После ввода магния металл перемешивают мешалкой, погружаемой в ковш с частотой не менее 20—30 погружений в минуту. Продолжительность этой операции зависит от количества вводимого магния и массы чугуна в ковше. Так, при количестве модификатора 0,1 % и массе чугуна 250 кг длительность перемешивания составляет 20 с; с увеличением массы чугуна до 1000 кг длительность равна 35 с. При вводе 0,30% Mg указанные параметры составляют 80 и 135 с соответственно. Графитизирующие модификаторы (например, ферросилиций) вводят в расплав вместе с магнием, либо после него.
3. ЛИТНИКОВО-ПИТАЮЩИЕ СИСТЕМЫ
Литниковые системы. Специфику литейных свойств чугуна с шаровидным графитом учитывают при выборе литниковой системы. Большинство отливок, получаемых литьем в кокили, имеют вертикальную плоскость разъема, что диктуется технологическими и экономическими соображениями (вертикальный разъем предопределяет использование конструктивно простых и удобных в обслуживании кокильных машин). Подвод металла в форму с вертикальным разъемом можно осуществлять сверху, сбоку и снизу. Возможные варианты подвода металла и конструкции литниковых систем показаны в виде схем на рис. 108. Для получения сложных отливок металл целесообразно подводить через прибыли и питающие бобышки.
Большая склонность жидкого чугуна с шаровидным графитом к образованию тугоплавких неметаллических включений требует спокойного заполнения кокиля. При такой заливке резко уменьшается окисление поверхности металла и предотвращается попадание образовавшихся включений в отливку. Кроме того, литниковая система должна быть обязательно тормозящей для обеспечения подачи в нее защитного флюса и предохранения от попадания его в форму.
Рис. 108. Варианты подвода металла и конструкции литниковых систем: а, б, а — подвод сверху; г, д — подвод сбоку; е — подвод снизу
В) е)
Расчеты сечения питателей Fu при литье чугуна с шаровидным графитом можно выполнять по формуле (137). При этом необходимо учитывать, что коэффициент расхода {г для этого чугуна сечения питателей в первом случае соответственно больше, чем во втором. Для практических расчетов величины р, рекомендуется принимать по табл. 26.
Таблица 26
Значение коэффициента расхода
Внутренние полости |
Подвод металла |
||
Снизу |
Сбоку |
Сверху |
|
Без песчаных стержней……………………… С песчаными стержнями…………………….. |
0,18—0,27 0,23—0,37 |
0,21—0,31 0,26—0,42 |
0,24—0,35 0,29—0,45 |
Меньшие значения р, в табл. 26 относятся к кокилям с затрудненным газоотводом.
При расчетах величины Fn для литья высокопрочного чугуна в кокили удобно также пользоваться номограммами, позволяющими определить продолжительность заливки (рис. 109) и площади сечения питателей Fn (рис. 110) [157]. По первой номограмме продолжительность заливки находят, пользуясь последовательно шкалами Mi, 2Xi, у, Kv и t – Вспомогательная шкала у необходима для перехода от прямой Mi 2Xi, пересекающей шкалу у, к прямой у Kv, пересекающейся со шкалой t в точке искомой величины (индексы «св» и «сн» соответствуют подводам металла сверху и снизу).
Номограмма на рис. 110 имеет три вспомогательные шкалы 7i, 72, 73, на которых последовательно определяют точки пересечения с прямыми соответственно:
T Я; 7i Mi; 72 -»- ц, после чего по точке пересечения прямой 73 г] со шкалой F находят искомую площадь сечения питателей. Коэффициент Kv принимают в зависимости от величины отношения yv = Mi/Vra6 (где Mi и Kra6 — масса и габаритный объем отливки);
Yv, кг/м^ 0—500 500—1000 1000— 1500— 2000— 2500— 3000—
1500 2000 2500 3000 ‘ 3500 Kv 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4
Коэффициент заполняемости т] определяют по зависимости
T1 = 0,036СЭ + 0,0028ГП + 0,0013Г2н,
Где C3 — углеродный эквивалент (C3= (С + 0,31Si)%); Tn — температура перегрева заливаемого металла, °С; Tzh — начальная температура кокиля, °С,
Для построения номограмм, представленных на рис. 109 и 110, использована зависимость (134) и известная эмпирическая формула для определения продолжительности заливки:
‘зал = fIlM»*,
Где W1 и п2 — коэффициенты, определяемые экспериментальным путем.
Размеры остальных элементов литниковой системы назначают из условия ее постоянного заполнения и обеспечения шлакоотде – ления, для чего пользуются соотношениями
Wt 60
Рис. 109. НомограммаЮ. С. Jlep – иера и Е. Б. Шицмана для определения продолжительности заливки высокопрочного чугуна в кокиль. Продолжительность заливки сверху ^cb и снизу Z1ch определяется в последовательности :
Mj-> 2 X^ у Ky -+ t. Линиями 1 — 11 показан пример определения для отливки массой M1 = 15 кг при следующих условиях: преобладающая толщина стенкн 2Xt = 10 мм, Ky = 1,0
TCB’0 tCh’0
^1Fn : Fct = 1,0 :1,1,
Рис. 110. Номограмма Ю. С. Лернера и Е. Б. Шицмана для определения площади сечения питателей прн заливке высокопрочного чугуна. Площадь сечеиия питателей Fn определяется в последовательности:
T H -> V1 M^ ->72->ц->7з->Л-> Fn – Лнннямн I-IV показан пример определения Fn для отлнвкн массой M1 = 30 кг прн следующих условиях: t= 10 с, напор H = 9 см, коэффициент расхода ц = 0,3, Г) = 1,4
А при наличии шлакоуловителя
Где Fct и Fiuji — площади поперечного сечения стояка и шлакоуловителя.
В заключение отметим, что T3ajl в кокиль чугуна с шаровидным графитом находится обычно в пределах 1570—1610 К.
Прибыли и питающие бобышки. Эти элементы рекомендуется выполнять в стержнях либо в песчаных чашах (см. рис. 108). Коэффициент тепловой аккумуляции песчаного состава, как правило, на порядок меньше, чем материала кокиля, что обеспечивает сокращение размеров и повышение эффективности работы прибылей. Конструкция и место расположения прибылей и питающих бобышек зависят от объема и конструкции теплового узла отливки. При этом в качестве исходного параметра берут диаметр окружности (Dy), вписанной в питаемый узел. Анализом питающих систем, применяемых при литье чугуна с шаровидным графитом в кокили, установлено, что выбор прибылей отливок целесообразно осуществлять, пользуясь следующими соотношениями: диаметр прибылей (Dnp) для компактных узлов отливок типа втулок, поршней Dnp = 0,8Dy; для узлов типа брусков, станин, кронштейнов ит. п. Dnp = Dy; для плоских отливок типа плит, заливаемых горизонтально, Dnp = l,2Dy. Высоту прибыли назначают из соотношения Hnp= 1,25Dnp. Диаметр перешейка, связывающего прибыль с питаемым узлом, должен быть d — (0,3-г – -0,5) Dnp.
Толщины стенок стержней, в которых выполняются питающие элементы, не должны превышать 10—20 мм.
Приведенные рекомендации позволяют выбрать размеры питающих отливку элементов в первом приближении. При желании уточнения выбранных величин следует обратиться к формулам гл. IV.
4. термическая обработка
Полученные в кокилях отливки из высокопрочного чугуна подлежат, как правило, термической обработке. Она необходима для ликвидации в отливках структурно-свободного цементита, получения необходимого соотношения перлита и феррита в металлической матрице, снятия внутренних напряжений и достижения в конечном итоге заданных свойств чугуна.
1. Основы теории графитизирующей термической обработки. Если представить законы изменения радиуса аустенитного дворика [45] шаровидного включения г (t) и скорости роста числа центров кристаллизации п (t) в виде функций
Г = Kutb и n(t) = n0 + тxt + m2t2,
Где Ku, п-о, т2 — постоянные коэффициенты, то можно решить известное кинетическое уравнение А. Н. Колмогорова (23). Решение это имеет вид
^L=I – exp [-(K3+ Knt + Kmf + Kmf) t3bV (138)
* от
Здесь V — текущий графитизированный объем отливки; Vot — объем отливки;
K3 = -^-nN3Ki, Kn — 3(364J1[_!) по Ku,
К ^nmlKl_______________________ 8 Ttm2K3u__________
Дот’ 3(36 + 1)(36 + 2)’ дш* 3(36+ 1)(36 + 2)(36 + 3)’
N3 — число активных затравок (подложечных включений) в единице объема. При выводе формулы (138) внутренний интеграл в выражении (24) взят в пределах 0 — (t — f), так как начальная скорость роста зародыша не зависит от момента его появления.
Из теории кристаллизации известно, что при завершении процесса показатель экспоненты со в выражении (138) находится в пределах 4—5,36. Поэтому, приравняв показатель экспоненты этой величине, получим формулу для расчетов продолжительности графитизирующей термической обработки tK. Необходимые для практических расчетов значения коэффициентов. приведены
Таблица 27
Результаты обработки экспериментальных данных графитизации высокопрочных чугунов
S– О. СЛ ф |
Н t. Я S » S с ё |
Я К S |
S |