СТОЙКОСТЬ КОКИЛЕЙ | Металлолом

1. ВИДЫ И ПРИЧИНЫ РАЗРУШЕНИЯ КОКИЛЕЙ

Виды разрушения. Под стойкостью кокиля понимается его способность сохранять рабочие свойства. Стойкость определяется числом заливок, которое выдерживает кокиль до выхода из строя. Принято различать следующие виды разрушения кокилей: сквоз­ные трещины (трещины первого рода), ориентированные трещины (второго рода), сетка разгара (трещины третьего рода), размыв рабочей поверхности и приваривание к ней металла отливки, коробление и механическое повреждение.

Сквозные трещины образуются обычно при первых заливках и появляются со стороны наружной поверхности стенки кокиля. Причиной этого вида разрушения являются растягива­ющие термичесие напряжения. Такие трещины чаще поражают формы из хрупких материалов — чугунов различных марок. Из практического опыта известно, что оребрение стенки кокиля в ряде случаев способствует появлению рассматриваемого дефекта. Стойкость кокиля против сквозных трещин резко снижается при наличии на его наружной поверхности концентраторов напряже­ний: острых выступов, литейных дефектов и т. п.

Ориентированные трещины являются наиболее распространенными причинами выхода кокилей из строя. Они возникают на рабочей поверхности формы, затем удлиняются, расширяются и углубляются по мере ее эксплуатации. Такие трещины появляются прежде всего на участках, где имеются кон­центраторы напряжений: на кромках рабочего гнезда формы, выступающих частях, в литниковых каналах и т. п.

Сетка разгара также относится к наиболее распро­страненному виду разрушения кокиля. Представляет собой густо расположенные на рабочей поверхности неориентированные и неглубокие трещины. По некоторым данным сетка разгара начи­нается по направлению следов режущего инструмента, с помощью которого обрабатывалась рабочая полость формы. Существует предположение, что местом зарождения таких трещин являются границы зерен металла кокиля. Сетка разгара не всегда служит причиной отбраковки кокиля; тщательное окрашивание рабочей полости позволяет получать отливки с удовлетворительным каче­ством поверхности. Однако при этом возникает опасность появле­ния в отливках газовых раковин из-за скопления в трещинах окислов железа. Химические реакции, которые связаны с обра­зованием этих дефектов в чугунных отливках, рассмотрены в гл. XI.

Размыв рабочей поверхности кокиля и приваривание к ней металла отливки свя-

3 П/р А. И. Вейннка заны с эрозионным воздействием потока расплава. Метод расчета прогрева формы потоком расплава изложен в гл. II. В гл. VI приводится параметр для оценки вероятности эрозионного раз­рушения поверхности формы (покрытия и собственно рабочей стенки). Установлено, что в основе размыва лежит механизм уноса вещества с поверхности тела под воздействием скоростного напора. Важно подчеркнуть, что способность металла противо­стоять этому воздействию резко падает при нагреве. Предупре­дить рассматриваемые виды разрушения кокиля можно измене­нием направления течения металла, применением эрозионно – стойких теплоизоляционных покрытий, рассредоточением и чере­дованием мест подвода металла и т. п. Что же касается влияния скорости течения металла, то оно оказывается весьма сложным и в каждом отдельном случае должно определяться методами, изложенными в гл. II и VI.

Коробление кокиля возникает и развивается по мере его эксплуатации и связано с необратимыми пластическими деформациями и ростом материала рабочей стенки. Коробление приводит к снижению точности отливки и образованию заливов между элементами кокиля. В последнем случае эксплуатация кокиля нередко оказывается невозможной. Коробление увеличи­вается при наличии остаточных (литейных или термических) напряжений, возникающих в кокиле в процессе его изготовления.

Причины разрушения. Из предыдущего следует что стой­кость кокиля зависит от тепловых, механических, хими­ческих, гидродинамических, диффузионных и других явлений. Однако, по мнению большинства специалистов, ведущая роль здесь принадлежит термомеханическим явлениям. Напряженно – деформированное состояние кокиля —решающий фактор его стойкости.

Особенность всех процессов, протекающих в кокиле и при­водящих к его разрушению, заключается в их взаимосвязанности. Все они интенсифицируются при увеличении на кокиль тепловой нагрузки. Неравномерный нагрев по толщине и вдоль стенки ко­киля вызывают появление упругих и пластических напряжений и деформаций. Последние приводят к остаточным напряжениям и деформациям противоположного знака.

Анализ показывает, что в рабочей поверхности стенки кокиля нереализованная термическая деформация г обычно больше 2еТ) где 8Т — величина деформации, соответствующей пределу теку­чести материала стенки при соответствующей температуре. Если 8 > 2ет, в каждом цикле нагружения деформация растяжения сменяется деформацией сжатия. Рассмотренный механизм нагру­жения приводит к термической усталости материала стенки.

Строгий математический анализ термических напряжений в ко­килях с учетом пластической деформации материала рабочей стенки представляет собой весьма сложную задачу. Поэтому ограничиваются обычно решением задачи в упругой постановке. Если же материал формы обладает четко выраженными пластиче­скими свойствами (например, сталь), то полученное решение в упругой постановке рассматривается совместно с диаграммой деформаций для соответствующего материала. При этом учиты­вается известная в механике деформируемого тела теорема о раз­грузке. Сказанное здесь поясняется примером, рассмотренным в следующем пункте.

Термические напряжения, но локального характера, возни­кают также вследствие структурных превращений и роста мате­риала кокиля. Эти процессы интенсифицируются с повышением температуры нагрева.

Способность кокиля выдерживать термические напряжения зависит от механических свойств его материала при рабочих тем­пературах. Свойства эти резко изменяются при нагреве. Так, например, при однократном нагреве до 900 К предел текучести стали 15 снижается примерно в 3 раза. Для большинства сталей в интервале 775 —825 К наблюдается значительное снижение удар­ной вязкости. Это обстоятельство учтено в рекомендациях по применению параметра П для оценки пригодности пластичных металлов в качестве материалов кокилей (см. табл. 19).

Здесь же необходимо подчеркнуть, что различного рода пре­вращения в металле интенсифицируются не только с повышением температуры, но и при наложении напряжений. Эти превращения при циклическом термическом напряжении, в свою очередь, сни­жают механические свойства материала.

Изменениям в чугуне при многократном нагреве (поскольку этот материал чаще других используют для кокилей) ниже посвя­щен отдельный параграф. Метод определения снижающегося качества кокиля при циклических тепловых нагрузках обсуж­дается в гл. VII.

2. ТЕРМИЧЕСКИЕ НАПРЯЖЕНИЯ

Между конструкцией кокиля и его стойкостью существует тесная связь. Так, например, чрезмерно большие ребра кокиля вызывают интенсивное развитие трещин на внутренней (рабочей) поверхности. Выше указывалось, что такие ребра могут явиться причиной трещин первого рода. Малые ребра могут не обеспе­чить необходимой жесткости и, следовательно, стойкости против коробления. Стойкость кокиля существенно зависит также от толщины стенки и размеров обрамления (части стенки по контуру рабочего гнезда).

Итак, конструкция кокиля определяет величину и характер температурных напряжений в нем. В связи с этим представляют

Рис. 30. Схема к анализу термических напряжений в плос­ком кокиле с обрамлением и ребрами (Xoc— расстояние

Между центрами тяжести сечения плоской стенки и кокнля)

1 интерес плоский кокиль, имеющий обра­

Мление и подкрепленный ребрами, и ци­линдрический кокиль, термическое рас­ширение которого вдоль оси либо сво­бодно, либо ограничено. К плоскому кокилю может быть отнесена форма, одно измерение которой значительно меньше двух других (половина разъем­ного кокиля, поддон, плоская излож­ница и т. п.), а к цилиндрическому — многие вытряхные (неразъемные) формы и изложницы для центробежной отливки труб.

Ниже рассматриваются принципиаль­ные особенности напряженного состояния кокилей различных конструкций из упру­гого и упруго-пластичного материалов. Данные о влиянии пара­метров технологического процесса на условия работы кокилей приведены в параграфе 2 гл. VII. Получены они в результате расчетов с помощью ЭВМ. Указанные данные являются приме­рами конкретного подхода к расчетному проектированию тех­нологии.

Плоский кокиль. Если рассматривать плоский кокиль как свободно деформируемую конструкцию и если действительный за­кон распределения тмпературы по сечению стенки кокиля аппрок­симировать параболой, то, используя известные положения теории термоупругости, можно получить формулы для определения упру­гих напряжений в плоской стенке, которая непосредственно сопри­касается с отливкой, а также в обрамлении и в ребрах (рис. 30). Для кокиля, имеющего только обрамление (ребра отсутствуют), формула для расчета напряжения в стенке толщиной X2 имеет вид

(55)

А формула для расчета напряжения в обрамлении

Где amz — коэффициент термического расширения; E2 — модуль упругости; V2 — коэффициент Пуассона; ЬТ2 — перепад темпе­ратуры по сечению плоской стенки с толщиной X2, Q’i„ — темпе­ратура на внешней поверхности кокиля, отсчитанная от темпе­ратуры обрамления как от нуля; I — размер плоской стенки (т. е. части формы, соприкасающейся с отливкой); L —габарит­ный размер кокиля.

При выводе формул (55) и (55′) принята парабола второго порядка. Из формулы (55) видно, что, вопреки распространенному мнению, температурные напряжения в рабочей стенке зависят не только от ST12, но и от повышения температуры на внешней поверхности формы. Более того, в кокиле с очень массивным обрамлением (IlL -»- 0) напряжения на внутренней поверхности плоской стенки (х — Х2/2) в пределе равны (минус относится к напряжению сжатия):

Gm2E2 = – TT^

Где 02п—температура на внутренней поверхности, отсчитанная от температуры обрамления как от нуля.

Только в случае, когда обрамление отсутствует (IlL 1), напряжение в плоском кокиле зависит от перепада температуры. То, что в кокиле с массивным обрамлением Oz на внутренней поверхности зависит от Q2n и в кокиле без обрамления —от ST12, подтверждается экспериментально.

На рис. 31 показана зависимость напряжений, найденных по формулам (55) и (55′), от отношения HL при различных значе­ниях отношения Q2JbT2 (0, 1, 2, 3, 4).’ Из графика следует, что чем больше отношение Q2JbT2 при неизменном бT2, тем выше напряжение сжатия..

Другой важный для практики вывод заключается в том, что увеличение обрамления (уменьшение отношения HL) приводит к росту напряжений в стенке. Этим, по-видимому, объясняется наблюдаемое на практике преждевременное образование трещин в кокилях с массивным обрамлением. С помощью формул (55) и (55′) можно подобрать оптимальные соотношения размеров стенки и обрамления.

Термоупругие напряжения в ребристом кокиле без обрамления представлены в виде графика на рис. 32. При построении кривых было принято равномерное расположёние ребер, отношение вы­соты ребра к толщине стенки hiX2 = т и отношение суммы тол­щины ребер к размеру плоской стенки (?Г)/1 = к (см. рис. 30). Как видно, при Q2n = 0, т. е. в случае, когда внешняя поверх­ность не нагревается (что наблюдается в массивных кокилях), увеличение ширины (либо количества) и высоты ребер приводит к возрастанию напряжения сжатия на внутренней поверхности формы. В рассматриваемом случае на внешней поверхности кокидя напряжения изменяют знак,

Рнс. 81. Температурные напряже­ния на внутренней поверхности пло­ской стенкн (сплошные лнннн) н об­рамления (штриховые лнннн) в за­висимости от величины обрамления

Рнс. 32. Влияние оребрення плоской стенкн на тем­пературные напряжения на внутренней (а) н на­ружной (ff) поверхностях:

————– 02п/вГ2 = 0;——————— e2n/6 T2 = IJ

—————————————————————————– е2п/йг2 = 2

Из рис. 32 видно, что при повышении температуры на внешней поверхности (G2VST2 > 0) ребра не только изменяют величину напряжений, но и их знак. Очевидно появление растягивающих напряжений на внешней поверхности оребренной формы является причиной образования трещин, развивающихся с этой^оверхности внутрь формы (т. е. трещин первого рода).

J __________________________________________________________________________________ Y

На рис. 33 приведены кривые изменения напряжения о-—

На внутренней поверхности чугунного плоского кокиля при охлаж­дении в нем чугунной отливки толщиной 2Хх = 40 мм. Расчет температурного поля для реальных параметров литья произво­дился по формулам параграфа 2 гл. II. Температурные напряже­ния рассчитаны для кокилей следующих конструкций: плоская стенка, вставленная в обойму большой жесткости (деформация стенки вдоль краев исключена); кокиль без обрамления, но с тон­кими и длинными ребрами (изгиб исключен); кокиль с массивным обрамлением и длинными ребрами либо кокиль, у которого HL 0 (деформация вдоль краев и изгиб исключены); кокиль без обрам­ления и ребер (свободная стенка).

Как видно из рис. 33, при исключенной деформации вдоль краев и особенно при исключенных осевой деформации и деформа­ции изгиба напряжения увеличиваются с уменьшением толщины

20 40 SO 80 100120140 с О 20 40 60 80 100120 140 с

Деформация Вдоль

20 4 0 60 80 100120 140 с

:0 40 СП 80 100 120 140 с

Рис. 33. Температурные напряжения в нагреваемой поверхности плоского кокнля с естественным воздушным охлаждением (материал отлнвкн—чугун, 2Jf1 —4G мм):

Свободная стенка

500

– исключена Sr лг И S рт=?

Деформация

Изгиб исключен

I, II, III — моменты времени окончания соответственно отвода теплоты перегрева, за­твердевания и охлаждения до температуры выбивкн

Стенки кокиля. В указанных случаях напряжения достигают наи* большей величины ко времени извлечения отливки. При этом чем раньше извлечена отливка из кокиля, тем меньшие напря­жения возникают в нем. Этот вывод находится в полном соответ­ствии с практикой кокильного литья.

В кокиле, в котором исключен только изгиб или температурная деформация свободна, напряжения увеличиваются с увеличением толщины стенки кокиля. Для этих кокилей более ранняя выбивка преимуществ не дает, так как напряжения достигают максимума до начала затвердевания отливки.

Идеи и выводы настоящего параграфа послужили основой для разработки практическихТрекомендаций по выбору толщин сте­нок плоских кокилей. Указанные рекомендации в виде графика приведены в гл. VIIL

Цилиндрический неразъемный кокиль. Такие кокили бывают двух принципиально различных конструкций: кокили, терми­ческое расширение которых вдоль оси не ограничено, и кокили, в которых это расширение исключено. Используя известные ре­шения теории термоупругости и представляя температурное поле параболой второго порядка, имеем:

Тангенциальные напряжения

= T=^6tS [к+Ж Х

Х(зR1+R2) – ў=^-(3/?+ѕ)] – (ѕ)2}; (56)

Радиальные напряжения

+тЫ&(57)

Осевые напряжения при свободной осевой деформации

«.-^«¦.[^О + к^ЬОтЗЭТ (И)

Осевые напряжения при исключенной осевой деформации

.i-[¦? (1 + A) ^ –

(58″)

На внутренней поверхности кокиля (R = R1):

Rr —rr — amA ST Г 3 + m ll ГГ — О

6 ~ г – Т^Г2б/2 L 6 (1 + т) – 1J’

ChniE1Or, Г V2 (3 + т) . ] р а»

= ITT^672 [ 6(1+m) -1J»

В формулах (56—58) —внутренний радиус; R2 —внешний радиус; R —текущий радиус цилиндрического кокиля (R1 < « R < R2)-, т = R2: R1.

Из приведенных формул видно, что осевые напряжения за­висят от характера осевой деформации: с ограничением ее они резко возрастают, причем определяются как ST12, так и 02П – В ци­линдрических кокилях, осевая деформация которых свободна, могут образовываться поперечные и продольные трещины на внутренней поверхности, а в кокилях с исключенной осевой деформацией можно ожидать появления прежде всего поперечных трещин. Очевидно для цилиндрического кокиля, как и для пло­ского, в зависимости от конструкции в одном случае целесооб­разно стремиться к уменьшению бT2, а в другом —к уменьше­нию 02п.

С помощью формул (56)—(58) рассчитывали график, рекомен­дованный в гл. VIII для выбора толщин стенок цилиндрических

С помощью зависимостей, приведенных в параграфе 2 гл. Tl.

Особенности напряженного состояния кокиля из упруго – пластичного материала. При построении диаграммы (рис. 34), показывающей изменение напряжений и деформаций, использо­ваны экспериментальные данные величин нереализованной терми­ческой деформации стального водоохлаждаемого кокиля (X2 — = 34 мм) с обрамлением и без обрамления. Кокиль заливали чугуном; толщина стенки отливки 2Х^ = 30 мм. Тонкие линии на диаграмме представляют собой схематизированные кривые деформирования стали 15 при различных температурах (цифры у наклонных прямых). Между модулем упругости E и упрочне­ния E’ принято соотношение E’ — 0,02Е.

Поверхностный слой кокиля без обрамления до точки А де­формируется упруго, а далее до точки 1 —пластически (белые кружочки и номера точек без штрихов относятся к кокилю без обрамления, цифры в скобках обозначают время в секундах). В связи с повышением температуры и снижением поэтому ве­личины ат напряжения уменьшаются (точка а), затем вновь повы­шаются из-за роста деформации до точки 2. Абсцисса точки 2 соответствует максимальной деформации, которая наступила на 30-й секунде. Скачкообразный переход от точки 1 к точке 2 объясняется схематизированным изображением свойств стали. С уменьшением деформации разгрузка осуществляется по линии, параллельной 0—0′, до точки 3, а далее —в связи с повышением температуры слоя — по прямой, параллельной 0—0″. Так продол­жается до тех пор, пока напряжение не достигнет предела теку­чести, но уже при растяжении (через точки 4 и 5 до точки 6). От точки 6 до точки 7 материал пластически растягивается. До точки 8 напряжения растут без изменения деформации только вследствие повышения предела текучести при снижении темпе­ратуры. Последняя ступень построения диаграммы определяет величину остаточных напряжений аост.

Деформация рабочего слоя кокиля с обрамлением описывается ломаной линией 0—А—1’—а’—2’—3’—4’—5’—о’0(,Т.

Если сравнить данный случай с рассмотренным, то видно, что при наличии обрамления площадь диаграммы, соответствующая работе пластической деформации, значительно больше. В связи с этим становится очевидными понижение стойкости кокилей при увеличении размеров обрамления.

Приведенные на рис. 34 кривые позволяют объяснить более высокую стойкость кокилей в случае, если их реже охлаждать до комнатной температуры. Из кривых следует, что с ростом Т2„ снижаются tf0CT и, главное, уменьшается знакопеременная часть пластической деформации. Конечно эти рассуждения справедливы, если повышение T2l не вызывает перегрева стенки и бурного раз­вития других процессов, приводящих к разрушению кокиля (фазовые превращения, рост металла, окисление, обезуглерожива­ние, насыщение серой и т. п.).

Остаточные напряжения являются причиной коробления ко­килей. Если упругое выпучивание плоской стенки направлено в сторону нагреваемой поверхности, т. е. отливки, то остаточное— в противоположную. Упругое выпучивание плоских кокилей рас­сматривалось в параграфе 6 гл. IV в связи с обсуждением вопроса об образовании зазора между отливкой и формой.

3. ИЗМЕНЕНИЯ В ЧУГУНЕ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ НАГРЕВЕ

При циклическом изменении температуры в стенке чугунного кокиля возможны следующие изменения: насыщение рабочей поверхности серой и обезуглероживание, фазовые превращения, окисление и рост металла.

В работе [51 ] утверждается, что уже на первых этапах терми­ческой усталости в рабочей поверхности чугунного кокиля уве­личивается плотность дислокаций. Особенно это заметно на вы­шедших из строя кокилях [108].

В значительных пределах может изменяться содержание серы в приповерхностных зонах чугуна, особенно в случае длительного использования кокилей с краской, содержащей сернистые соеди­нения. Содержание серы может повыситься до 0,3% и более и привести к явлению сульфидной коррозии и ускорению обра­зования крупной сетки разгара.

Наиболее опасным для некоторых типов кокилей является процесс окисления металла при термоциклировании. Чем выше тепловое нагружение и чем выше максимальная температура ра­бочей поверхности кокиля, тем большую опасность представляет процесс окисления его материала. Интенсивность окисления зависит также от вида газовой среды, формы и количества гра­фита, условий эксплуатации и хранения кокиля, а также наличия в его рабочей поверхности пор и трещин. Известно, что железо особенно интенсивно окисляются при температурах свыше 1000 К.

В процессе циклического нагрева в поверхностных слоях чугунного кокиля происходит графитизация с одновременным обезуглероживанием матрицы; интенсивность этих процессов зависит от теплового нагружения кокиля (рис. 35). Приповерх­ностные слои полностью ферритизируются на глубину от 0,2 до 3—4 мм. В местах частичного или полного выгорания графита создаются благоприятные условия для образования разной плот­ности и глубины залегания зон окисления.

З

Рис. 35. Влияние теплового нагружения (Q0, МДж/м2) на глубину обезуглероживания чугуино – J 2 3 I-Sdg

Го кокиля

Следует заметить, что в зависимости от тепловой нагружен – ности кокилей выявляется разная структура окислов: сплош­ные— в кокилях с большей тепловой нагруженностью, «пуши­стые» — в кокилях меньшей нагру – женности. Глубина распростране – т5п. ни я окислительных процессов зави­сит во многом от наличия и природы несплошностей в чугуне. В чугуне кокиля при термоциклировании за – метны и другие перераспределения

Элементов. В окисленных участках это обнаружено А. А. Бара­новым и др. [7].

Одним из главных изменений в чугуне при термоциклировании следует считать рост металла, часто являющийся решающим фактором снижения термической стойкости. Рост чугуна проте­кает тем интенсивнее, чем выше температура поверхности кокиля. Как правило, рост чугуна связывают с диффузией углерода и само­диффузией железа. Поэтому различные способы торможения диффузии углерода могут положительно сказаться на ростоустой – чивости чугуна.