Производство чугунных отливок

Таблица 1 – Составы чугунов для труб, отливаемых центробежным способом

Таблица 2 – Характеристики чугунных напорных труб

 

5. Применение низкочастотной виброобработки для повышения качества чугунных отливок

Анализируя имеющиеся  в литературе данные по влиянию вибрации на формирование и качество отливок  из чугуна, следует отметить, что  в них имеются свидетельства  как положительного, так и отрицательного эффекта.

Сравнение результатов, полученных после виброобработки, и соответствующих сравнительных отливок (без виброобразования) приведено в табл. 3. Анализ полученных данных показывает, что результаты виброобработки в определенной степени зависят от частоты колебаний. Исследуемые характеристики металла отливок практически не изменялись при частоте воздействия в диапазоне 0,5-15 Гц. При частоте вибрации свыше 60 Гц отмечено снижение плотности и твердости чугуна в отобранных образцах, а также значительное уменьшение показателей прочности чугуна (в большинстве случаев они были ниже, чем в сравнительных отливках).

В диапазоне 15-60 Гц наблюдается  повышение химической однородности чугуна в большинстве опытных  отливок и изменение показателей  прочности (как в большую, так  и в меньшую сторону). Установлено, что наилучшие показатели достигаются  при виброобработке в диапазоне 23-30 Гц. В то же время нельзя не отметить, что рациональный диапазон частот может расширяться или сдвигаться, так как в промышленных условиях в большинстве случаев достаточно получить улучшение отдельных показателей, определяющих качество и эксплуатационные свойства отливок.

Таблица 3 – Влияние вибрационной обработки на химический состав и механические свойства чугунных отливок

Металлографическая оценка выполнена в соответствии с ГОСТ 3443-87.

Во всех отобранных образцах (необработанных и подвергнутых виброобработке) графит пластинчатый прямолинейный ПГф1 с размерами графитных включений от ПГд 90 до ПГд 180 в необработанных отливках, и от ПГд 45 до ПГд 90 в чугуне, подвергнутом виброобработке (частота обработки 30-40 Гц). Максимальный размер пластин графита в опытном чугуне в 2-3 раза меньше, чем в сравнительном. В чугуне, полученном с виброобработкой, наблюдали большее количество мелкопластинчатого и междендритного графита, а также более равномерное распределение графита ПГр1. Это нашло своё выражение в отсутствии чередования участков с мелко- и грубопластинчатым графитом, которые были выявлены в образцах чугуна, полученного без обработки (в сравнительном чугуне распределение графита неравно-мерное ПГр2).

Во всех исследуемых образцах структура металлической основы – пластинчатый перлит (Пт1) в количестве 90-94% (П92, Ф8) с межпластинчатым расстоянием 0.3-1.3 мкм (ПД 0.5 - ПД 1.0). Имеются участки цементной сетки по границам первичных зёрен, сопровождаемой фосфидной эвтектикой. В отличие от опытного чугуна, в сравнительном чугуне встречаются грубые выделения цементита с фосфидной эвтектикой.

Одной из причин улучшения  прочностных характеристик чугуна и эксплуатационных свойств отливок, можно считать существенное изменение  условий затвердевания. Этот факт был  установлен в ходе специальных исследований, в которых на трёх уровнях по высоте опытной и сравнительной изложницы  были установлены термопары. Показания  термопар фиксировали в течение  всего периода затвердевания. Установлено, что время затвердевания в случае использования вибровоздействий уменьшается, по крайней мере, на 15-20 %. Сравнивая результаты измерений по различным уровням изложницы можно отметить, что для опытной изложницы характерно более равномерное распределение температур по её высоте.

Так как значительная часть  отливок из чугуна (например, отливки  корпусных деталей) эксплуатируются  в течение длительного времени (порядка нескольких лет), для них  оценка эффективности вибровоздействия по сроку службы на этапе определения рациональных режимов обработки представляется затруднительной. Для отливок корпусных деталей основными причинами низкого качества и отбраковки являются повышенная газовая пористость, неслитины, спаи и складчатость. Схема виброобработки отливок приведена на рис.11.

Рисунок 11 – Схема вибрационной обработки отливок корпусных деталей: 1 – опока; 2 – вибратор.

При виброобработке с частотой 20-40 Гц брак в объёме требований ОТК по вышеперечисленным дефектам практически не наблюдался. Расширение рационального диапазона частоты виброобработки, видимо, связано со спецификой требований к качеству отливок, в число которых не входят прочностные показатели.

Приведенные выше технологии виброобработки имеют общее конструктивное решение - расположение опок на специальных виброплитах, установленных на упругих элементах. Определённую специфику приобретает использование виброобработки при конвейерной схеме производства отливок.

Применительно к такой  схеме выполнены исследования на участке мелкого литья литейного  цеха Уфалейского завода по ремонту металлургического оборудования (рис.12).

Рисунок 12 – Виброобработка отливок при конвейерной схеме: 1 – рельсы; 2 – резиновые прокладки; 3 – вибратор; 4 – опока.

Процесс получения отливок  осуществляется на конвейере, представляющем собой замкнутый рельсовый путь, на котором расположены движущиеся «по кругу» тележки. Скорость движения конвейера составляет 0.5 м*мин, а  полный цикл – 145 мин. Формовку отливок  крышек клапанов осуществляют с использованием песчано-глинистой смеси в опоки (4), набираемые в секции по три штуки. Опоки в сборе закрепляют при помощи скобы, установленной на верхней опоке и входящей в контакт с нижней. Заливку форм осуществляют с использованием ковша вместимостью 200 кг. Заливку производят от формы к форме. Ёмкости ковша хватает на 7-8 отливок. Следовательно, отливки находятся в различных условиях, что, в первую очередь, выражается в заливке части отливок переохлаждённым чугуном.

Режимы виброобработки выбирали из следующих соображений:

• обеспечение максимальной жидкотекучести чугуна при заполнении форм (23 Гц);
• обеспечение наилучших условий питания отливки с целью снижения пористости (30-35 Гц).

Таким образом, отдельные  партии отливок подвергли вибрации с частотой 23 Гц и 30 Гц. Дополнительно  была получена опытная партия отливок, в которой частота виброобработки изменялась после окончания заливки форм с 23 Гц на 30 Гц. Результаты металлографического анализа полученных отливок приведены в табл.4.

Таблица 4 - Результаты металлографического анализа структуры чугуна из образцов опытных отливок

Металлографические исследования показали существенное изменение соотношения  перлита и феррита в поверхностных  слоях отливок, что важно для последующей токарной обработки на диаметр 350 мм. Перед окончательной сборкой крышку подвергают притирке по этому диаметру.

По существующей технологии крышки перед механической обработкой подвергают отжигу. Однако, и в этом случае примерно 10% всех крышек не удается обточить из-за невозможности токарной обработки. Опытные отливки хорошо обрабатывались резанием, и отбраковки по этому критерию не было.

Обобщая опыт проведенных  исследований, нельзя не отметить, что  для достижения положительного результата выбор режимов вибровоздействия целесообразно осуществлять в несколько этапов. Основные этапы такого исследования могут быть сформулированы следующим образом:

• анализ причин разрушения промышленной отливки (объекта исследований) и выделение в ней отдельных зон, в наибольшей степени пораженных дефектами;
• проведение на опытных отливках экспериментальных исследований, охватывающих широкий диапазон режимов вибровоздействия, с последующим выделением области рациональных режимов на основании результатов контроля качества отливок;
• отработка режимов вибровоздействия на промышленных отливках в соответствии с рекомендациями, полученными в п. б);
• корректировка рациональных режимов воздействия в соответствии с данными по влиянию вибрации на физико-механические свойства чугуна.

Причинами возникновения  в отливках внутренних напряжений, величина которых не превышает уровня предела упругости, являются неодинаковые линейные и объёмные изменения, происходящие в смежных объёмах отливки.

Различают временные и  остаточные напряжения. С точки зрения эксплуатации отливок наибольший интерес  представляют остаточные напряжения, которые разделяют на напряжения первого рода, имеющие макроскопический характер и охватывающие весь объём  отливки; напряжения второго рода, имеющие  микроскопический характер и уравновешивающиеся в пределах объёма одного или нескольких кристаллов; напряжения третьего рода, имеющие ультрамикроскопический характер.

При охлаждении отливок в  зоне пластичности чугун способен преимущественно  к остаточным деформациям, которые  из-за пластического состояния материала  заметных напряжений в отливке не вызывают. При более низких температурах возможны преимущественно упругие  деформации, в результате которых  возникают напряжения.

Следовательно, по существующим представлениям остаточные напряжения могут возникнуть лишь тогда, когда  весь металл отливки находится в  упругом состоянии или же когда часть металла отливки находится в пластическом, а другая часть - в упругом состоянии.

Величина остаточных напряжений в отливках из чугуна зависит от следующих основных факторов:

• физические свойства чугуна;
• механические и упругие свойства чугуна;
• структурные превращения в чугуне;
• степень торможения осадки;
• температурные градиенты по сечению отливки и между отдельными частями отливки.

Методов точного аналитического расчета остаточных напряжений в  отливках сложной конфигурации не существует, поэтому их величину в отливках в большинстве случаев определяют экспериментально.

Наиболее распространённым методом снижения литейных напряжений является термическая обработка. Используется нагрев отливок до высоких температур, при которых исчезают упругие и появляются пластические деформации из-за заметного увеличения пластичности с повышением температуры. Это позволяет в значительной степени снизить остаточные напряжения.

Если при последующем  охлаждении все части отливки  при переходе из области преобладающих  пластических в область преобладающих  упругих деформаций не будут иметь  градиента температур, в отливке  вновь не возникает напряжений.

Для определения рациональных режимов вибровоздействия для снятия литейных напряжений в условиях Донецкого металлургического завода выполнены исследования на партии изложниц в количестве 350 штук. Оценивали тип и количество возникающих дефектов отливки, результаты исследований представлены в табл. 5.

Таблица 5 - Сравнение характера и доли дефектов для опытных и обычных изложниц

В целом стойкость изложниц, подвергнутых виброобработке, возросла на 10 – 12 %.

В дальнейшем, с целью  определения наиболее рациональной схемы повышения стойкости изложниц за счет виброобработки, были проведены эксперименты, в ходе которых часть изложниц подвергали виброобработке как при затвердевании, так и после выбивки, очистки и обрубки.

Для анализа результатов  экспериментов отбирали лишь изложницы  с химическим составом, близким к  средним значениям, рекомендованным  в технологической инструкции литейного  цеха Донецкого металлургического  завода. Приведены средние значения стойкости (в скобках указано  количество изложниц):

• сравнительные изложницы (34) - 71,4 налива
• изложницы с виброобработкой после:
• выбивки и обрубки (29) - 78,2 налива
• изложницы с виброобработкой в процессе затвердевания (27) - 83,3 налива
• изложницы с виброобработкой и в процессе затвердевания и после выбивки и обрубки (21) - 85,9 налива.

Несмотря на эффективность  методов виброобработки изложниц, опробованных в условиях литейного цеха ДМЗ, следует отметить и некоторые затруднения, возникшие при реализации процесса вибровоздействия.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При наличии  в машинах большого количества литых  деталей качество, надежность и эксплуатационные характеристики машин в значительной степени зависят от качества и  эксплуатационных характеристик отливок, а в отдельных случаях полностью  определяются ими. В связи с этим улучшение качества продукции машиностроения прямо зависит от повышения качества отливок, особенно из чугуна, доля которых  составляет от 15 (в автомобилях) до 700/0 (в станках и кузнечно-прессовом  оборудовании). При этом технология изготовления чугунных отливок не требует  дорогостоящих материалов и оборудования, поэтому себестоимость их значительно  ниже стальных отливок и тем более  отливок из цветных сплавов.