Основные технологические меры по предотвращению

Горячих трещин в отливках

На стадии проектирования технологического процесса изготовления отливки обычно должны оцениваться особенности возникновения в ней горячих трещин. Наиболее подвержены горячим трещинам отливки со значительной разностенностью и сложные тонкостенные отливки с большим количеством стержней.. В первом случае необходимо принимать меры по выравниванию скоростей охлаждения стенок разной толщины. Так, в целях уменьшения различия в скоростях охлаждения тонких и более толстых стенок осуществляют подвод металла в тонкие стенки, что способствует замедлению их охлаждения. Но эта мера дает положительный эффект в отливках небольшой массы. С увеличением массы отливки усиливается локализация разогревающего действия струи металла, поступающего из питателя, и получается обратный эффект образуются горячие трещины в разогретых областях стенок отливки. Более продуктивное выравнивание охлаждения достигается искусственным захолаживанием массивных частей отливок. Для мелких отливок массой примерно до 100 кг вполне эффективны наружные монолитные холодильники с толщиной 0, 5—0, 6 от толщины захолаживаемой стенки.

Для отливок большой массы такие холодильники неэффективны. Они прогреваются до температуры стенки отливки раньше, чем она успеет затвердеть. В таких случаях необходимо использовать трубчатые холодильники с регулируемым теплоотводом какой-либо охлаждающей средой (например, воздухом), пропускаемой через их полость. Такие холодильники прокладываются в стенке формы на расстоянии от стенки отливки 20—60 мм. Слой формовочной смеси между холодильником и отливкой замедляет начальную стадию захолаживающего действия по сравнению с обычным наружным холодильником, где на этой стадии, наоборот, имеет место максимальный захолаживающий эффект. В процессе охлаждения отливки действие трубчатого холодильника может усиливаться и ослабляться за счет изменения количества охлаждающей среды, пропускаемой по трубе в единицу времени. Наиболее эффективно ускоряют охлаждение массивных стенок отливок внутренние холодильники, которые устанавливаются в количестве 2—3 % от массы захолаживаемой части отливки. В качестве таких холодильников обычно используют прутки прокатанной стали.

Для сложных тонкостенных отливок приобретает особенно большое значение исходная прочность стенок формы и стержней, которая должна быть возможно более низкой, так как при быстрозатвердевающих тонких стенках отливок прогрев стенок формы незначителен и поэтому не сопровождается заметным разупрочнением их. Уменьшение степени торможения усадки отливок в период прохождения ими интервала

хрупкости стали путем уменьшения прочности и увеличения податливости стенок формы и стержней является одним из универсальных средств устранения возможности возникновения горячих трещин в отливках любой конструкции. Сущность положительного воздействия таких средств состоит в уменьшении развивающейся в отливке упруго-пластической деформации растяжения.

Однако даже при этом в условиях значительной локализации и соответственно резкой концентрации деформаций горячие трещины все же могут возникать. В этой связи при всех обстоятельствах необходимо стремиться к уменьшению степени локализации, рассредоточению усадочных растягивающих деформаций в стенках отливок как с помощью выравнивания скоростей охлаждения, так и посредством соответствующих изменений в конструкции отливок. Иллюстрацией таких изменений может служить рис. 6.37, б, где измененный контур узла, показанный штриховыми линиями, обеспечивает увеличение протяженности зоны локализации упруго-пластической деформации m_отл, что ведет к уменьшению опасности образования горячих трещин.

Для снижения опасности появления горячих трещин необходимо заливку формы производить при возможно более низкой температуре металла, поскольку высокая температура заливки приводит к получению более крупнозернистого строения, при котором межкристаллитные прослойки легкоплавких фаз будут иметь большую толщину, что облегчает образование трещин. Кроме того, повышение температуры заливки вызывает усиление местного разогревающего действия питателей, приводящего к образованию около мест подвода металла, а иногда и в других местах, замедленно охлаждающихся зон с наибольшей вероятностью возникновения в них горячих трещин.

Такая роль питателей приводит к необходимости осуществлять подвод металла в форму по возможности рассредоточенно, т. е. через несколько питателей для снижения разогревающего действия каждого из них. Этим же объясняется положительное влияние на уменьшение горячих трещин подвода металла через щелевые питатели.

Обеспечение условий направленного затвердевания при надежной работе прибылей благоприятно сказывается на уменьшении опасности образования горячих трещин благодаря созданию возможностей «залечивания трещин». Вместе с тем сам факт установки прибыли приводит к увеличению термической емкости узла, на котором она размещена, усиливая таким образом неравномерность охлаждения, в результате чего часто возникают горячие трещины в непосредственной близости к прибыли.

Чаще всего такие ситуации возникают, когда размеры прибылей имеют чрезмерно большой запас: в целях увеличения надежности их работы увеличивают приведенную толщину либо высоту, а часто одновременно и то, и другое.

Целесообразно не прибегать к излишествам в размерах прибылей, а в определенных случаях вместо одной весьма массивной лучше устанавливать две менее массивные прибыли.

Существенно повысить трещиноустойчивость можно за счет модифицирования стали. Для этого применяют такие высокоактивные элементы, как бор, кальций, барий, магний, иттрий, церий, лантан, титан, цирконий, ванадий и др. Улучшение характеристик первичной структуры, уменьшение физической и химической неоднородности, перераспределение кристаллизующихся фаз и их количества при модифицировании способствуют повышению трещиноустойчивости. Характерным для зависимости трещиноустойчивости от количества вводимых модификаторов является вполне определенная величина добавки, при которой достигается высокая стойкость против горячеломкости (рис. 6.38). Кроме того, один и тот же модификатор по-разному влияет на трещиноустойчивость сталей различного структурного класса. Это обусловлено раз личным характером трещинообразования сталей. В сталях аустенитного класса трещины проходят по границам зерен, ферритного по границе и телу зерна, перлитного — по границам первичных аустенитных зерен, полуферритного по ферритной составляющей. Поэтому повышения трещиноустойчивости аустенитных и перлитных сталей можно добиться за счет очищения и укрепления границ зерен, ферритных кроме этого, и за счет улучшения свойств самого зерна, полуферритных за счет изменения характера расположения ферритной составляющей.

Положительное влияние оптимальных добавок модификаторов на трещиноустойчивость объясняется тем, что при модифицировании измельчается первичное зерно аустенита.

Это приводит к увеличению межзеренной поверхности и уменьшению удельной по граничной концентрации примесей. Благоприятное изменение морфологии не металлических фаз также улучшает трещиноустойчивость. На рис. 6.39 показано влияние модификаторов на кинетику процесса усадки стали 15Х1М1ФЛ. Титан уменьшает скорость усадки в начальный период, а церий и барий в более поздний. При модифицировании стали цирконием появляется даже предусадочное расширение.

Анализируя влияние модификаторов на усадку сталей, в целом можно отметить, что они замедляют процесс усадки, особенно в начальный период затвердевания отливок, и тем самым смягчают нарастание напряжений, что повышает трещиноустойчивость отливок.

Холодные трещины в отливках

И меры по их предотвращению

Как было показано выше, в результате разновременного охлаждения различных частей отливки возникают термические напряжения. Величина этих напряжений растет с понижением температуры, а пластичность стали падает. В результате, напряжения могут достичь значений, равных временному сопротивлению при растяжении (σ _в), и материал отливки разрушается, в отливке появляется трещина. Зарождение и распространение трещин облегчается наличием в структуре стали несплошности (газовые, усадочные дефекты) или неметаллических включений. Наиболее вероятный период образования холодных трещин — охлаждение отливок в интервале температур ниже 700°С. Поверхность таких трещин, как правило, гладкая, чистая, она проходит по телу кристаллов. В некоторых случаях, если трещина формировалась при повышенных температурах, ее поверхность может быть покрыта и тонкой оксидной пленкой.

Трещины в отливках представляют типичный литейный дефект. Даже если имеющиеся в отливке напряжения не привели к появлению трещин или короблению отливок, они могут оказать негативное влияние в дальнейшем. Например, при

эксплуатации литых деталей сохранившиеся в металле напряжения могут суммироваться с рабочими напряжениями, что приводит к разрушению детали или искажению ее размеров.

Вероятность возникновения холодных трещин зависит не только от уровня и кинетики развития литейных напряжений, но может значительно возрасти из-за некоторых особенностей состава стали. Так, известно охрупчивающее действие фосфора, образующего хрупкие фосфиды железа, однако это зависит еще и от содержания в стали углерода. С повышением содержания углерода и, как следствие, уменьшением в структуре металла свободного феррита увеличивается относительная концентрация в нем фосфора, облегчающая создание и выделение из раствора фосфидов, и возрастает опасность возникновения холодных трещин в отливках.

Нередко охрупчивание стали происходит вследствие повышения содержания в ней алюминия и азота, приводящего к выделению по границам первичных зерен мельчайших частиц нитрида алюминия А1N. Процесс выделения нитрида происходит в интервале температур 1000— 800 ^оС. Признаком возникновения такой аномалии является разрушение металла с образованием так называемого камневидного излома: разрушение происходит по границам зерен, а поверхность излома имеет обычно белый или блестяще-белый вид. При таком состоянии стали холодные трещины в отливках часто располагаются внутри сечения стенки отливки.

Для устранения хрупкости и опасности появления холодных трещин в таких случаях уменьшают долю присадки алюминия, которая обычно доводится до 0, 08—0, 1 %, и азота — до < 0, 01%. Однако производственный опыт показывает, что при таком содержании азота охрупчивание не наблюдается даже при окончательном раскислении стали алюминием добавкой его в количестве 0, 15%.

Трещины могут образовываться и при обрезке прибылей пламенными резаками. В этом случае трещина имеет вид надрыва и распространяется от поверхности реза в тело отливки на некоторую глубину. Такие трещины есть следствие развития термических напряжений в процессе резки. Для того чтобы трещины не поражали тело отливки, линию реза выбирают на таком расстоянии от поверхности отливки, при котором трещины остались бы в пределах остающегося корешка или остатка от прибыли. Остаток прибыли в дальнейшем удаляют механической обработкой отливки.

Основные меры, позволяющие снизить степень вероятности образования холодных трещин, следующие.

— Строгий контроль химического состава стали, поддержание на минимальном уровне концентрации газов, серы, фосфора и других сильно ликвирующих элементов.

— Тщательный подбор химического состава стали, обеспечивающего необходимый уровень эксплуатационных характеристик металла в отливке и повышающего трещиноустойчивость стали.

— Устройство плавных переходов от массивных частей отливки к тонким.

— Снижение интенсивности теплоотвода, обеспечивающего выравнивание температуры по сечению и различных сечений отливки в процессе ее затвердевания и охлаждения. Замедленное охлаждение способствует также более полному прохождению фазовых превращений, что снижает величину фазовых напряжений.

— Проведение термической обработки (отжига) отливок. В процессе отжига происходит постепенный переход упругих деформаций, определяющих величину основных напряжений, в пластические, т. е. осуществляется релаксация напряжений. Рекомендуемые режимы отжига см. в разделе 1.9.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Перечислите литейные свойства стали.

2. Жидкотекучесть и заполняемость литейной формы.

3. Виды жидкотекучести.

4. Методы определения жидкотекучести.

5. Усадка стали. Виды усадки.

6. Дефекты, вызываемые усадкой.

7. Объемная усадка. Параметры, определяющие величину объемной усадки.

8. Определение величины объемной усадки.

9. Линейная и литейная усадки.

10. До- и послеперлитная усадка стали.

11. Методы определения величины линейной и литейной усадки.

12. Литейные напряжения в стальных отливках. Виды напряжений.

13. Усадочные напряжения и причины их возникновения.

14. Термические напряжения и причины их возникновения.

15. Фазовые напряжения.

16. Дефекты в отливках, вызываемые напряжениями.

17. Условия образования дефектов.

18. Коробление отливок.

19. Горячие трещины. Причины их образования.

20. Основные технологические меры по предотвращению образования коробления, холодных и горячих трещин.

Глава 7

⇐ Предыдущая 21 22 23 24 252627 28 29 30 Следующая ⇒