Файл: Технология металлов и других конструкционных материалов учеб. пособие.pdf

Зональная ликвация в противоположность дендритной увели­ чивается при медленном охлаждении отливки, когда создаются условия для перемещения различных фаз под действием разницы

влияют и другие факторы. Среди них следует отметить способность металлов и сплавов поглощать газы (Нг, N2, 0 2 и др.), попадающие из шихтовых материалов, окружающей среды, материала формы и т. д. Растворимость газов в расплавленном металле зависит от температуры, понижаясь с ее уменьшением.

Рассмотренные выше литейные свойства сплавов и их влияние на механические свойства отливок необходимо учитывать при про­ ектировании литых деталей. Принимая во внимание жидкотеку­ честь отдельных сплавов, нельзя устанавливать, например, толщину стенок детали меньше некоторых предельных значений. Так, при литье в песчаные формы рекомендуются следующие минимальные толщины стенок (в мм): для медных сплавов — 2; для ковкого чу­ гуна — 2,5; для серого чугуна и алюминиевых сплавов — 3; для стальных отливок — 5. Чем тоньше стенки и сложнее конфигурация отливки, тем выше должна быть температура заливки для обеспе­ чения заполнения формы.

Ввиду того что затвердевание и охлаждение металлов в форме сопровождаются усадкой, модели необходимо изготовлять больщих размеров, чем получаемые отливки. Для деталей, предназначенных для механической обработки, модели изготовляются, кроме того, с припуском на механическую обработку, т. е. с учетом слоя ме­ талла, который будет снят на станках в процессе механической об­ работки.

Наиболее радикальной мерой предотвращения усадочных рако­ вин является устройство прибылей на тепловых узлах отливок. Не устраняя самого процесса усадки, прибыль питает основную часть отливки, уводя тем самым усадочную раковину за пределы отлив­ ки. Не рассматривая подробно способы расчета прибылей, укажем только, что давление газов в замкнутой усадочной раковине в обычной прибыли меньше атмосферного. Но эффект питания отлив­ ки со стороны прибыли будет выше при повышении давления газов в полости усадочной раковины, образующейся в прибыли. С этой целью применяют прибыли, действующие под атмосферным, газо­ вым и повышенным воздушным давлением. Схематическое изобра­ жение этих прибылей показано на рис. 73.

В прибылях, действующих под газовым давлением, устанавли­ вается специальный патрон с газообразующим зарядом (мел и мел с термитом). Стерженек должен прогреться и начинать выделять газ только -«осле образования на прибыли сплошной твердой кор­ ки металлов.

128

Усадочные дефекты получаются в тепловых узлах, т. е. в наи­ более массивных местах отливок, которые затвердевают последни­ ми. Более тонкие места, затвердевающие быстрее, получаются здо­ ровыми, так как подпитываются жидким металлом из более мас­ сивных тепловых узлов.

Для получения отливок без усадочных раковин и пористости применяют принцип направленного затвердевания. При этом крис­ таллизация металла происходит снизу вверх, начиная от располо­ женных внизу тонких сечений до верхних, наиболее толстых.

Чертеж отливки в этом случае проверяют методом вписанных ок­ ружностей (т. е. окружность, вписанная в любое сечение отливки, должна свободно проходить по всем вышерасположенный сече­ ниям). При такой конструкции отливки каждая нижележащая часть питается жидким металлом от вышерасположенной части, выпол­ няющей роль прибыли.

На рис. 74 показано неправильное (а) и правильное (б) кон­ структивное решение теплового узла, характерного для многих от­ ливок. Решение б обеспечивает разрядку теплового узла, так как выравнивает толщину сечения. Трудоемкость же изготовления стержня в том и другом случае практически одинакова.

Отливки, сочетающие в себе толстые и тонкие части, не техно­ логичны также вследствие возникновения в них при охлаждении литейных напряжений. Чем более неравномерна по сечению отлив­ ка, гем больше возникающие в ней напряжения. При этом послед­ ние имеют место как в пластичном, так и в упругом состоянии от­ ливки. Если напряжения достигают значительных величин, то они приводят к образованию трещин или короблению отливок.

Для уменьшения напряжений и опасности образования трещин отливка должна иметь равномерную толщину стенок, что обеспечи­ вает более равномерное охлаждение. Принцип одновременного за­ твердевания при охлаждении применяется обычно для малых и средних тонкостенных отливок из чугуна и бронзы, сечения которых

имеют одинаковую толщину. Однако одного этого условия недоста­ точно. Даже при равномерных по толщине, но сопрягающихся под острым углом стенках получается сочетание теплового узла (а сле­ довательно, концентрация усадочных дефектов) и слабины из-за различной ориентации кристаллов (рис. 75, а). При возникновении напряжений из-за затрудненной усадки в месте стыка образуются трещины. Одностороннее округление в месте сопряжения двух сте­ нок уменьшает опасность образования трещин (рис. 75, б). Однако

термический узел останется, что вызовет образование усадочной рыхлоты, или раковины, являю­ щейся концентратором напряже­ ний. Только двустороннее округ­ ление значительно улучшит усло­ вия кристаллизации (рис. 75, в).

В ответственных тонкостен­ ных отливках, в особенности ра­ ботающих под давлением, следует

делать еще более плавные переходы. При необходимости сопряже­ ния тонких и толстых стенок следует делать плавные переходы толщин.

При производстве отливок из сплавов с повышенной усадкой для устранения трещин и рыхлот в стыке ребер со стенкой иногда предусматриваются дополнительные тонкие ребра, которые назы­ ваются литейными или усадочными. Они выполняются обычно не по модели, а прорезкой узких щелей в форме. Литейные ребра имеют меньшую толщину, чем стенки отливки, они затвердевают в первую очередь и воспринимают значительную часть возникаю­ щих напряжений, предохраняя отливку от горячих трещин.

Для выравнивания скорости охлаждения отливки с неодинако­ вой толщиной сечений применяют специальные вставки в форму — так называемые холодильники (металлические или из высокотепло­ проводной смеси). Холодильники ускоряют охлаждение наиболее массивных мест отливки, что снижает опасность возникновения трещин из-за термических напряжений.

§ II. Производство отливок из серого чугуна

Классификация чугунов. Серый чугун — наиболее распростра­ ненный металл в машиностроении. Широкое применение его объ­ ясняется сравнительно низкой себестоимостью и благоприятным сочетанием литейных и механических свойств.

Отливки из серого чугуна в зависимости от химического соста­ ва и физико-механических свойств можно условно разделить на следующие основные группы, малой и средней прочности — ддя из­ готовления стоек, крышек, суппортов, оснований, тонкостенных от­ ливок, деталей для небольших рабочих давлений, подшипников и др.; повышенной и высокой прочности — для изготовления ответ­ ственных машиностроительных отливок: цилиндров, шестерен, ста­

130

нин, маховиков, блоков цилиндров, корпусов насосов, колонн ради­ ально-сверлильных станков, муфт, коленчатых валов и др.

Механические свойства серого чугуна зависят от прочности ме­ таллической массы и в очень большой степени от величины и фор­ мы графитовых включений. Чугуны малой и средней прочности имеют пластинчатую форму графита, чугуны повышенной прочно­ сти— мелкое завихренное строение графита и чугуны высокой прочности — шаровую форму графита.

6

соединения Fe3C или в виде твердого раствора углерода в железе). Графит обычно располагается в виде пластинок. В зависимости от состояния углерода в отливке различают следующие структурные группы серого чугуна (рис. 76).

Ферритный чугун (рис. 76, а), в котором весь углерод содер­ жится в виде графита. Чугуны этого класса обладают понижен­ ными механическими свойствам^ легко обрабатываются.

Феррито-перлитный чугун (рис. 76, б), содержащий менее O',83% связанного углерода. Основная металлическая масса состоит из феррита и перлита, на фоне которых включены пластинки гра­ фита. Он имеет лучшие механические свойства, но тверже и труд­ нее обрабатываете^.

Перлитный чугун (рис. 7&,.в) со структурой перлит -Г графит (углерода в связанном состоянии около 0,83%). Чугун обладает наилучшими механическими показателями и удовлетворительно обрабатывается.

Влияние различных элементов и скорости охлаждения на ми­ кроструктуру чугуна. В обычных серых чугунах, кроме железа и

углерода, имеются кремний, марганец, фосфор и сера. В специаль­ ных чугунах, помимо вышеприведенных элементов, присутствуют хром, никель, молибден, титан, медь и др. Каждый элемент оказы­ вает определенное влияние на характер кристаллизации металла и на его микроструктуру.

Углерод в обычно применяемых для машиностроения отливках из серого чугуна содержится в пределах 3,2—3,8%. Нижние преде­ лы принимаются для толстостенных, верхние — для тонкостенных отливок. С увеличением содержании углерода увеличивается и ко-

Рнс. 77. Структурные диаграммы чугуна

личество свободно выделяющегося графита. При этом размеры каждого включения также растут.

Чем меньше й завихреннее графитовые пластинки, тем больше их рассредоточение в металлической массе, тем прочнее чугун. Со­ средоточение большого числа пластинок на небольшой площади приводит к рыхлости чугуна.

Увеличение количества свободного углерода способствует луч­ шему воспроизведению тонкого рельефа формы. Это объясняется тем, что выделение графита происходит в начале процесса затверде­ вания, вследствие чего чугун увеличивается в объеме и лучше за­ полняет форму.

Прочность серых чугунов обусловливается структурными со­ ставляющими. Она будет максимальной при перлитной основе и минимальной при ферритной.

Кремний способствует разложению цементита и выделению графита. Таким образом, изменяя содержание кремния в чугуне, можно регулировать соотношение между связанным углеродом и графитом. По своему действию на микроструктуру чугуна кремний во многом сходен с углеродом. Поэтому в реальных отливках, где обязательно присутствуют углерод и кремний, лучше рассматри­ вать совместное влияние этих элементов на характер кристаллиза­ ции чугуна.

На рис. 77, а приведена структурная диаграмма чугуна, отра­ жающая связь между микроструктурой и содержанием углерода

132