Производство отливок из чугуна
  3.5 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. 3.4. 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 3.4 – Влияние вибрационной обработки на химический состав и механические свойства чугунных отливок

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.

Результаты оценки влияния частоты виброобработки на величину жидкотекучести приведены на рис. 3.11.

Для всех частот виброобработки отливали сравнительную пробу (без воздействия), максимальное отклонение результатов составило не более 5 %. Как видно из приведенных данных в результате виброобработки жидкотекучесть чугуна может быть повышена в 1,5-1,8 раза.

Возможность повышения качества чугунных отливок исследована в условиях литейного цеха Донецкого металлургического завода при получении чугунных изложниц для слитков массой 5,6 тонн.

Влияние частоты виброобработки на жидкотекучесть чугуна

Рисунок 3.11 – Влияние частоты виброобработки на жидкотекучесть чугуна

С целью уточнения оптимальных режимов воздействия был выбран диапазон 23-56 Гц, который по предыдущим исследованиям может рассматриваться как наиболее перспективный. Виброобработку начинали через 100-200 с после окончания заливки. Оценку эффективности вибровоздействия осуществляли в ходе эксплуатации как опытных, так и полученных одновременно с ними сравнительных изложниц. Результаты этих исследований приведены ниже (табл. 3.5).

Таблица 3.5 – Влияние частоты виброобработки на среднюю стойкость изложниц

Влияние частоты виброобработки на среднюю стойкость изложниц

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.3.12.

Схема вибрационной обработки отливок корпусных деталей

Рисунок 3.12 – 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.3.13).

Виброобработка отливок при конвейерной схеме

Рисунок 3.13 – 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.

В проведенных исследованиях было принято, что для улучшения условий заливаемости формы виброобработку целесообразно осуществлять непосредственно с момента заливки. По существующей технологии брак при отливке по недоливам составляет 15-18% , а иногда достигает 35-45%. Проведенные на заводе исследования по повышению температуры чугуна на выпуске из вагранки позволили установить, что в этом случае наблюдается интенсивный отбел поверхности отливок, а также повышенная пористость внутренних объёмов. В целом процент отбраковки отливок при проведении такого мероприятия не уменьшился.

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.3.5.

Таблица 3.5 - Результаты металлографического анализа структуры чугуна из образцов опытных отливок

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.

О целесообразности естественного старения отливок существуют противоречивые мнения. Однако, судя по известным данным, область применения этого метода ограничена. В реальных условиях добиться заметного уменьшения напряжения в отливке после выбивки её из формы тяжело.

За 6 месяцев естественного старения внутренние напряжения снижаются примерно в полтора - два раза. Одновременно с естественным старением происходит старение рабочей поверхности отливки, что снижает её качество. Оптимальной является продолжительность естественного старения 1,5- 2,5 месяца.

Учитывая большую длительность метода естественного старения, на практике большой интерес представляет метод вибрационного старения.

Механизм вибростарения в локальных зонах объясняют следующим образом. Остаточные напряжения образуются в кристаллических телах как результат пластической деформации кристаллов. Для стабилизации напряженного состояния детали сообщается некоторый энергетический импульс (например, энергия колебаний при вибростарении). Возникающие при этом дополнительные напряжения суммируются с начальными остаточными, в результате чего в поликристаллическом материале происходят сдвиги кристаллической решетки, которые сопровождаются перераспределением напряжений.

Вибрационная обработка одновременно действует на напряжения первого, второго и третьего рода. Эффективность вибрационного старения определяется степенью пластической деформации металла, которая зависит от прикладываемой нагрузки при вибрации, определяемой значением и местом приложения вынуждающей силы, создаваемой вибровоздействием, а также геометрической формой детали.

Одной из наиболее исследованных областей применения вибрационного старения является вибростарение чугунных корпусных деталей. Как показали многочисленные исследования, для обеспечения полной стабилизации размеров большую роль играют анализ процессов, протекающих в металле отливок в процессе их вибрирования, и выбор правильного режима обработки.

Определение оптимальных режимов обработки в каждом конкретном случае сводится к отысканию такой схемы нагружения деталей при вибрации и таких параметров вибрации, при которых достаточно просто обеспечивается по возможности полная проработка всей детали циклическими напряжениями требуемой величины.

Детали массой до 1,5-2,0 тонн целесообразно обрабатывать на вибрационных установках, более тяжелые детали - путём непосредственного подведения к ним источников вибрации.

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. 3.7.

Таблица 3.7 - Сравнение характера и доли дефектов для опытных и обычных изложниц

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.

На наш взгляд, при промышленной реализации метода вряд ли может быть признано целесообразным крепление вибратора на каждой изложнице, так как при этом требуется использование дополнительного работника в течение 2,5-3,0 ч ежедневно. Значительно проще подвергать изложницы виброобработке при их отгрузке в сталеплавильный цех, расположив вибратор непосредственно на железнодорожной платформе. Одновременно на платформе может быть расположено 6 - 10 изложниц, что обеспечивает значительное повышение производительности виброустановки.

  3.5 Применение низкочастотной виброобработки для повышения качества чугунных отливок
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ