Справочник по чугунному литью

Гиршович Н.Г. ред.

Машиностроение, 1978 г.

Плотность жидкого чугуна в определенной степени отражает его строение. Измерение протности различных по составу и строению чугунов, произведенное параллельно с измерением а, показало наличие связи между этими величинами. Обычно максимуму на политермах соответствует минимум у. Такой ход кривых (рис. 1.14) сохраняется до очень высоких температур (порядка 1800° С) и свидетельствует об определенном соответствии между объемными и поверхностными свойствами жидкого чугуна. Плотность чугунов при Сэ, одинаковом по значению, но разном по составу, измеренная при равных температурах, может существенно различаться. По усредненным данным можно считать, что повышение температуры на 100° С соответствует уменьшению 7 на 0,15 г/см3. Вместе с тем следует подчеркнуть, что показатели у являются строго индивидуальными чрезвычайно чувствительными характеристиками расплава, на которые влияет жидкое состояние чугуна, в том числе наличие в нем газов и неметаллических включений .

3. ГАЗЫ В ЧУГУНЕ

Газами в металлах и сплавах принято называть такие содержащиеся в них элементы или химические соединения, которые в свободном состоянии и нормальных условиях являются газообразными. В значительном числе случаев они или представляются твердыми неметаллическими фазами, или входят в состав металлических фаз, или образуют растворы и газовые раковины (поры, «пузыри»). Из простых газов в чугуне чаще всего встречаются N, Н, О, из сложных — различные их соединения: СО, СО2, СnНm и т. д. В зависимости от формы состояния в чугуне ГАЗЫ могут быть причиной образования газовых раковин, газовой пористости и эндогенных твердых неметаллических включений. В зависимости от формы состояния, концентрации и состава газов влияние их может быть положительным или отрицательным [16]. При образовании твердых растворов влияние газов на свойства металла связано с размерами их атомов. Радиусы атомов Н, О, N соответственно равны 0,46; 0,68 и 0,71 А. Наименьший радиус атома Н обусловливает его чрезвычайно высокую диффузионную подвижность. Растворимость газов в жидком чугуне, как правило, выше, чем в твердом, и с повышением температуры увеличивается; но общее их содержание, с учетом газов, связанных в виде соединений и не находящихся в растворе, при повышении температуры может уменьшаться.

Содержание газообразных элементов в металлах обычно выражают в массовых долях (%), см3/100 г или в миллионных долях (одна миллионная доля соответствует 0,0001%) ***. Современная аналитическая аппаратура характеризуется надежной чувствительностью: содержание Н- определяется с точностью 0,0001%, N и 0—0,001%.

Газы в чугуне могут оказывать значительное влияние на его физические свойства как в жидком, так и в твердом состоянии.

Методы определения микро- и макроструктуры чугуна

Приготовление шлифов для металлографического анализа чугуна состоит в обработке на абразивном камне, грубой шлифовке, тонкой шлифовке и полировке. Обработка на абразивном камне зернистостью 45—60 мкм проводится для выравнивания поверхности образцов. Грубая шлифовка производится последовательно на трех шлифовальных шкурках: № 100—150, № 150—200 и № 280—320. После этого производится тонкая шлифовка последовательно на мелкозернистых шкурках: № 40, № 28 и № 20 или на алмазных пастах: АС .28/20, АС 20/14 и АС *10/7.

Для шлифовки образцов применяют водоупорные шкурки различной зернистости, прикрепленные к вращающемуся диску. Хорошие результаты получаются при обработке на дисках с частотой вращения 700—800 об/мин. Шлифовка производится всегда только в одном направлении. При переходе с одной бумаги или алмазной пасты на другую нужно поворачивать образец на 90° (перпендикулярно предыдущему направлению) и шлифовать до полного исчезновения рисок, полученных на предыдущей операции шлифования.

Полировку производят на специальном полировальном станке, диск которого обтянут сукном или электропромышленным войлоком (фетром), при частоте вращения 400—600 об/мин. Полируют на водной суспензии окислов Al, Fe или Сг до полного исчезновения рисок. Во избежание образования «хвостов» на графите шлиф в последние минуты полировки вращают вокруг оси.

При подготовке шлифов с хрупкими включениями или соединениями, разлагающимися в воде (например, оксисульфиды Mg в ВЧШГ), полировка производится на алмазной пасте АС 3/2 или АС 2/1, нанесенной на сукно; шлифы протираются смесью спирта с бензином (2 : 1).

Выявление микроструктуры чугуна производится прежде всего рассмотрением шлифа под микроскопом в нетравленном состоянии. Изучение нетравленного образца позволяет определить наличие графита и его форму, наличие пор и неметаллических включений. Дальнейшее изучение структуры проводится на «травленом» образце. Основными способами выявления микроструктуры чугуна являются: химическое травление растворами; электрохимическое травление с помощью электротока (электролитическое травление); тепловое травление (окрашивание структуры при нагреве в атмосфере воздуха); ионное травление (ионная бомбардировка металла в вакууме); магнитная металлография.

Химическое травление, используемое для выявления общей структуры чугуна, обычно производится 4—5%-ным спиртовым (чаще всего этиловым) раствором азотной кислоты (ниталем) и 4—5%-ным спиртовым раствором пикриновой кислоты. Раствор пикриновой кислоты можно рекомендовать как менее агрессивный реактив, при котором поверхность шлифа окисляется меньше, а некоторые фазы (мартенсит, троостит, бейнит) окрашиваются в различные цвета. Реактив обеспечивает стойкий рисунок структуры, а также выявляет ликвационную неоднородность некоторых элементов (например, Р). Время травления от 5 до 20 с. Для выявления распределения Si в СЧ и ВЧШГ рекомендуется горячий щелочной раствор пикрата натрия [35]. Он интенсивно окрашивает обогащенный кремнистый Фе, причем кинетика окисления и толщина, а следовательно, и цвет образующейся пленки окислов зависят от концентрации Si в твердом растворе. Необходимым условием ясного выявления химической неоднородности Si методом травления является однофазная структура,матрицы (рис. 1.29, а). Реактив дает возможность отличить в структуре Ц и Фе, так как окрашивает Ц в темный цвет, в то время как Фе в течение длительного времени не окрашивается. В тройной фосфидной эвтектике реактив окрашивает фосфид и Ц в разные цвета (фосфид окрашивается раньше в темно-коричневый цвет, а Ц— позже в более светлые тона). В легированном чугуне по интенсивности окраски можно также отличить Ц от легированного карбида.

1. МОДИФИЦИРОВАНИЕ

Модифицирование является одним из наиболее эффективных методов воздействия иа кристаллизацию с целью получения благоприятной структуры графита и матрицы, а следовательно, и высоких свойств отливок и применяется поэтому для всех чугунов повышенных марок [28]. Применяемые модификаторы можно классифицировать как графитизирующие, стабилизирующие и сфероидизирующие (глобуляризирующие). Механизм действия модификаторов весьма разнообразен и заключается либо в образовании поверхностной пленки на вынужденных зародышах (модифицирование I рода), что уменьшает скорость их роста, увеличивает переохлаждение ДГ и количество зародышей и измельчает, а также .изменяет форму растущего графита, либо в образовании дополнительных вынужденных зародышей (модифицирование II рода), что увеличивает их количеств» и измельчает графит, несмотря на уменьшение ДГ, а значит, и увеличение их критического размера, либо в образовании карбидов, легко распадающихся во время или после затвердевания (так называемый «карбидный эффект» или «самоотжиг»), что ведет к образованию шаровидного графита (ШГ). Количество современных модификаторов очень велико; например, одних только графитизирующих присадок насчитывается около 150 [23], причем наиболее эффективные из них являются комплексными (даже применяемый ферросилиций по существу тоже является комплексным модификатором, так как, кроме кремния, содержит еще и некоторое количество алюминия и кальция). То же можно сказать и о сфероидизирующих модификаторах. Однако не все составляющие сложных модификаторов являются по существу модифицирующими; некоторые из них только повышают эффективность модифицирующего воздействия других составляющих путем раскисления, десульфурации, дегазации и иных процессов или являются просто, легирующими элементами. Различить их возможно по влиянию при присадке элемента к чугуну, чистому по примесям, или по «живучести», т. е. длительности действия после их присадки [6]. Модифицирующее действие обычно полностью исчезает в течение 10—25 мин. Сохранение этого действия присадок важно, особенно при крупном литье, где длительность транспортировки, заливки и затвердевания металла сравнительно велики, и живучести модификатора может не хватить. В таких случаях применяются разные меры, в том числе и модифицирование непосредственно в форме. Поэтому при выборе модификаторов следует принимать во внимание не только прямую их эффективность, но и живучесть, а также, конечно, их дефицитность и стоимость.

Качество поверхности отливок

Качество литой поверхности характеризуется наличием инородного слоя (пригара, окислов), ее профилем и различными поверхностными дефектами (ужиминами, спаями, приливами, и др.). Комплексной оценки качества поверхности не имеется. Так, для оценки пригара может быть использована балльная система, где баллы соответствуют определенному методу его удаления:

Пригар может быть определен также работой, затрачиваемой на очистку от него. При оценке микропрофиля следует учитывать, что литые поверхности в отличие от механически обработанных не имеют чередующихся с определенной закономерностью примерно одинаковых впадин и выступов, а характеризуются хаотическим их расположением, разнообразной формой и размерами. Такой характер литой поверхности, связанный с природой ее формирования, в значительной степени зависит от процессов взаимодействия между формой и отливкой.

Качество поверхности отливок без пригара и окислов или после их удаления оценивается по высоте выступов и впадин профиля, которые измеряются и выражаются в линейных единицах. Методы измерения неровностей литой поверхности могут быть подразделены на три группы: а) непосредственные измерения (оптическими приборами, приборами, основанными на методе ощупывания, методами стереоснимков с последующим планиметрированием, микрофотографированием); б) косвенные Методы измерения (по воздухопроницаемости, по емкости); в) методы сравнения с эталонами или со стереоснимками. Первая группа измерений наиболее точная, но трудоемкая, вторая — менее трудоемка, но требует доработки для увеличения точности, третья — позволяет быстро оценить качество поверхности и, несмотря на приближенную оценку, может быть рекомендована для заводской практики. Для чугунного литья параметры шероховатости эталонов могут изменяться от 10 (заливка в металлические формы мелких деталей) до 600 мкм (крупные детали, отливаемые в песчано-глинистые формы).

Борьба за улучшение качества поверхности должна вестись в направлении устранения пригара и получения ровной гладкой поверхности. Качество поверхности отливок, получающихся при различных способах литья, характеризуется данными, приведенными в табл. IV. 10.

4. РАЗРАБОТКА МОДЕЛЬНО-ОПОЧНОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОСНАСТКИ

Общие положения по разработке и зксплуатации средств технологического оснащения литейного производства

Технологической оснасткой литейного производства называют совокупность приспособлений и инструмента, необходимых для получения отливок и регламентированных ГОСТ 14.310—73, обязательным при разработке как стандартных, так и нестандартных средств технологического оснащения. При этом стандартными являются средства технологического оснащения, установленные государственными и отраслевыми стандартами, а также стандартами предприятия, а нестандартными — все остальные. Стандарты предприятия разрабатывают для дополнения государственных и отраслевых стандартов или для унификации средств технологического оснащения, имеющих распространение на данном предприятии. Разработка средств технологического оснащения должна осуществляться специализированными конструкторскими подразделениями или, при необходимости, под их руководством цеховыми специализированными частями конструкторских подразделений.

В соответствии с ГОСТ 14.301—73 технологическая оснастка, кроме основных единиц (литейные модели, стержневые ящики и т. п.), включает инструменты и средства, выбор которых должен производиться с учетом типа производства, его структуры, вида изделия, программы его выпуска, характера намеченной технологии, возможности группирования операций, максимального применения имеющейся стандартной оснастки и, согласно ГОСТ 14.305—73, должен основываться на анализе затрат на реализацию технологического процесса в установленный промежуток времени при заданном количестве изделий. Анализ затрат включает: сравнение вариантов оснастки, отвечающих одинаковым требованиям и обеспечивающих решение одинаковых задач в конкретных производственных условиях; выбор вариантов, основывающихся на использовании разной информации (технических требований к изделию, количества и сроков изготовления изделий, технических возможностей технологической оснастки, затрат на изготовление технологической оснастки и ее эксплуатацию); учет требований техники безопасности и промышленной санитарии.

ФИНИШНЫЕ операции ПО обработке ЧУГУННЫХ ОТЛИВОК

1. ВЫБИВКА, ОЧИСТКА, ОБРУБКА И ЗАЧИСТКА ОТЛИВОК

Выбивку отливок из опок и частично стержней из отливок производят различными выбивающими установками с эксцентриковыми, инерционными и инерционно-ударными решетками (табл. VIII.1). Установки для выбивки крупных форм (табл. VIII.2) представляют собой блок, состоящий из четырех, шести и восьми серийно выпускаемых решеток моделей 428С и 429, устанавливаемых на общей фундаментной раме. В автоматических и комплексно-механизированных формовочных линиях выбивающие устройства встраиваются в поток и делятся на провальные инерционные проходные (табл. VIII.3) и провальные проходные с выдавливанием форм пуансоном *.

Для выбивки стержней и удаления «шубы» при крупном и среднем литье наибольшее применение получили гидравлические камеры. Струя воды под давлением 100—200 кгс/см2 [(10-20) 10^6 Па] и выше с помощью струйного аппарата направляется на стержень, разрезает его на части и вымывает. Основные преимущества гидрокамер: универсальность; простота обслуживания; улучшение условий труда и повышение производительности по сравнению с выбивкой стержней пневмоинструментом. Недостатки гидрокамер: низкие производительность и коэффициент полезного времени работы (30—60%) вследствие больших затрат времени на вспомогательные операции; нестабильная работа основных узлов и недостаточный коэффициент унификации. производительность гидрокамер составляет 3—12 т/ч. Объемный расход воды высокого давления на 1 т отливок колеблется от 4 до 25 м3/ч и определяется прочностью стержней в отливке. Наибольшее распространение получили гидрокамеры периодического действия тупиковые с самоходной тележкой (табл. VIII.4).