Литье в кокиль

Бураков С.Л., Вейник А.И., Дубинин Н.П.

Машиностроение, 1980 г.

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 термические 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 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 эрозионио-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 е обычно больше 2ет, где ет — 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 упр.угой 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 интерес плоский кокиль, имеющий обрамление 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 температуры 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).