автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Разработка технологии изготовления отливок в формах с легкоизвлекаемыми металлическими стержнями

Челябинский государственный технический университет

РАЗРАБОТКА ТЕХНа'ЮШМЗГОГОЗЛШЯ ОТЛИВОК В ФОВШ' С ЛЕГКОИЗВЛЕКАШДЛИ 1ЛЕГАЛЛИЧВСККШ СТЕРЖНЯМИ

Специальность 05.16.04 - Литейное производство'

Автор е'ф в р а т диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

КОЖЕВНИКОВ Юрий Андреевич

Челябинск, 1090

Работа выполнена на .кафедра,литейного производства Челябинского государственного технического университета.-

Научный руководитель- .. доктор технических наук, ■

профессор В.М. АЛЕКСАНДРОВ

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

и.о. профессора P.A. СЭДСНЖО,

кандидат технических наук, доцент Л.С. ВСИКСВНЧЕР

Ведущее предприятие,«Челябинский металлургический комбинат.

Защита состоится "«2 У" АУ/ IS90 г. в / 5" час, ^^млн. на заседании специализированного совета К.053.13.06 Челябинского государственного технического университета.

Ваш отзыв в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью, просим направлять пр адресу: 454080, г. Челябинск, пр. Ленина,76, ЧГГУ, Ученый Совет университета, тел. 39-2I-23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЧГГУ.

Автореферат разослан " X/ 1990 г.

Ученый секретарь специализированного совета К.053.13.Q6, ' ■ кандидат технических наук, доцент

Б.Э. Клецкни

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА PAEOT'tl

- • Астуальнссть^проблега. Е металлургической промышленности, ыаляшостроеккя и автомобилестроения значительно "возросла потребность в крупных и средних отливках с внутренними полостдаз. не имеющими подкутрекний, аз различных сплавов.

В настоящее время для получения таких отливок пшроко используются разовые песчано-глинистые формы. Этот способ характеризует простота и надежность, однако в среднем на одну тонну годных отливок тратится 3-3 т формовочной смеси, 100-300 кг шлаков, 1000-1800 м3 газа., что приводят" к тянелейшей экологической ситуации в литейных цехах и к использовании тяжелого низкоквалифицированного ручного труда. Особенно остро эти вопросы стоят при изготовлении сталоразливочншс излоаниц.

Получение отливок этого типа в металлических формах, не нашло до настоящего времени*"ищрокого применения, а использование металлических стершей, особенно для крупных отливок, дальше единичных экспериментов не поило, что объясняется рядом трудностей. Основным препятствиями для использования металлических стержней яеляются большие усилия при извлечении, обусловленные обжатием его отливкой зо время "усадки, и образов&няе : в них горячих трещин из-за затрудненной усадки. Имевшиеся в литературе данные по этому вопросу относятся зачастую к конкретному тилу отливок л не учитывают•общих закономерностей процесса тзм-перзтурнс-деформацаонного взаимодействия между отливкой и ме- -таллическим. стержнем. "

Учитывая постоянно возрастшцуй потребность в сталераали-вочних изложницах л. аналогичных им огливках, проведение работ по использованию для их получения постоянных фор! с иеталличэс-кигли стержнями является'весьма агсгуалъной.

Работа выполнена в соответствия с координационным следом НИР АК СССР на KSI-I&85, 1Э8о-1У9С годы по решению проблему 2.25.1.5 (процессы литья), задает я 02.01.ОХ и 02.01.02.

£ель_работы. Изучение процзссов, тгроязкЕйчда прл тиятера-турно -деформацг.ончсм взаимодействии отлявки с металлический стержнем, я расраоотха технологии изготовления отливок в фориах с легкоизвлекаелглии металлическими стержнями.

Для достижения указанной цели в работе бнли посггазлена aieдующие задачи:

- разработать теоретические принципы получения оишвок' в формах с металлическими легкойзвлекаемыми сгерлшями;

- изучить дилатометрические характеристики наиболее распространенных литейных сплавов, а также сплавов для лэгкоизвлека-емых стержней;

- исследовать термическуо стойкость разработанных стержневых сплавов; ■.■■..

- экспериментально проверить и изучить теоретические принципы получения отливок в формах с легкойзвлекаемыми металлическими стержнями;

- разработать и освоить в производстве технологический процесс получения чугунных отливок в формах с легкоизвлекаемыми металлическими стеркнями.

Научная новизна. Аналитическим путем выведены критерии легкого извлечения и условия формирования зазора между отливкой и стержнем в зависимости от различных технологических параметров. Получены критериальные уравнения для расчета температур максимального прогрева, а также интервала температур при принудительном охлаадении стерхня, обеспечивэвдих свободное извлече-ниэ стеркня из отливки.

На основе теоретического анализа температурно-деформацион-наго взаимодействия отливки со стержнем разработаны теоретические принципы предупрекдения горячих трещин в отливках, получаемых е формах с. металлическими стершими. Исходя из этих принципов и уравнения теплового баланса, получены формулы для расчета, критической массы стержня, гарантирующей получение отливок бэз трещин, с учетом таких технологических факторов как температура заливки сплава и начальная температура стерзня.

.Установлено влияние температуры'нагрева и химического состава чугуна-на величину предусадочного расширения. Экспериментально подтверждено влияние величины предусадочного расширения на коэффициент локализации деформаций.

Определены требования,- которы:.! должен удовлетворять сплав ' для изготовления стержней. Дана количественная оценка термостойкости стераневых сплавов. Термодинамическими расчетами обосновано и экспериментально подтверждено положительное влияние на термостойкость легирование стержневой стали хромок и молибденом.' Произведен выбор стгди для изготовления стергкей, отвечающей разработанным требованиям.

Прай2Ичэская_цещость .работы. Ка основании проведенных исследований разработан алгоритм расчета конструкции легкоизвле-каемого стерзсня. Определена составы стержневых сплавов как для отливок из чугуна и стали, так и для отливок из алюминиевых сплавов.

Разработана технология изготовления отливок а формах с легкоизвлекаемими металлическими стержнями.

Реализация_работы. Разработанная технология изготовления излояииц з формах с легкоизвлекаемими стеранями прошла опытно-промышленные испытания ка Челябинском металлургическом комбината, ожидаемый экономический эффект составит 73,8 тыс.руб. Экономический эффект от внедрения техпроцесса изготовления огливки тормозного барабана з кокиль с легкоизвлекаемкм стержнем составил 29 тыс.руб.

Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и. обсуждены на ХШ научно-технйческсй конференции литейщиков Западного Урала, Пер;ль, 1а84; Уральской научно-технической, конференции "Новые металло- и трудосберегающие технологические процессы в литейном производстве", Челябинск, 1934; .зональной конференции "Современное оборудование £ технология плавки, внепочной обработки и 'заливки чугуна", Пенза, 1У85; яаучно-техх&чеекой конференции "Производство литых заготовок повышенной точности и малой трудоемкости",-'. Свердловск,' 1936; научно-техническом совещании ."Повышение производительности труда, экономии 'материальных я энергетических ресурсов в литейном производстве",. Барнаул, 1985; межреспубликанском научно-практическом семинаре жтейпда-•'••• ков "Современные технологические процессы получения высококачественных. отливок, повышение стойкости литейной оснастки и режу-.. гцего инструмента? Чебоксары, 1У37; .научно-технической коыфереэ-ции "Прогрессивные технологии производства литых заготовок", Челябинск, и38; региональном научко-техническом совещании "Повышение эффективности литейного производства", Омск, 1Э8з.

• Публикация^ По теме диссертации опубликовано 13 статей и получено 2 авторских свидетельства СССР.

Структура и объем саботы^ Диссертация состоят из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы, зкхвчаицам 172 наименования, и- 3 приложений; содержит 130 страниц мяшнопйс-ногс текста, 35 тгблгц, 53 рисунка.

Основные^ полонения_, представляемые_к_запите.

1. Теоретические принципы получения отливок в формах с легкоизвлекаемыми металлическими стержнями.

2. Результаты исследования дилатометрических характеристик различных сплавов и выбор на их основе сплавов для стержней.

3. Результаты исследований термической к термо-химической стойкости стержневых сплавов и выбор на этой основе сплавов для изготовления стершей.

4. Установленные закономерности влияния технологических факторов на трещиноустойчивость отливок. Разработанный с учетом этого алгоритм расчета конструкции легконзвлекаемых стержней.

Ь. Технологию изготовления отливок в формах с легкоизвле-каемыми металлическими стержнями.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

При анализе способов, позволяющих облегчить удаление ыетал-.аических стержней, аЕ~оры большинства работ основное внимание уделяли, особенно в случае изготовления крупных отливок, удале--кию стержня сразу после образования в отливке тонкой корочки, способной сохранить приданную ей форму и выдержать гидростатическое давление оставшегося кидкого металла. Вместе с тем не учитывались общие закономерности температурно-дефорлацконного взаимодействия отливки и стержня, что не позволило также достаточно полно раскрыть влияние стержня на процесс трещинообразо-'в&ния в отливке. ¡¿то было вызвано тем, что используемые до настоящего времени стергни, должны были иметь минимальное расашре- . нле и, соответствен!», усадку-.

Изучение температурно-деформациокного взаимодействия отливки и стертом в период кристаллизации и охлаждения отливки, по- . • звалило разработать теоретические принципы легкого извлечения стержней из отливок, а такие аналитически решить условия получения отливок без трещин.

Р8зраЗотка_тео£етлческйХ_п£ИЩКпов_по^

Формах с легкой звлекаемши металлическими стеркняш

Очевидно, что стержень легко извлечется из отливки при на. жчля между ниш зазора, йсла стержень имеет идеально гладкую поверхность., то для обеспечения легкого извлечения его достаточно сколь угодно малого зазора. Наличие же на поверхности

стержня каких-либо выступов с высотой 2 . например, шероховатости после механической обработки,, может затруднить его извлечение, так как выступы на поверхности стержня могут не выйти полностью из образующихся в отливке впадин. Из анализа условий легкого извлечения стержня было получено уравнение для расчета критериальной величины зазора (Ь 3*).

- г - ссзЗ, (1)

где £ - угол литейного уклона стертая, град.

Зазор между отливкой и стержнем может образоваться в том случае, если стержень в процессе охлаждения уменьшит свои размеры больше, чем отливка. В простейшем случае, когда в материале отливки и стеряня в период их совместного охлаждения, отсутствуют какие-либо фазовые превращения, величину зазора можно определить из следующего выражения

где в. л, о(,2 - температурные коэффициенты линейной усадки (ТКЛУ), соответственно, материала отливки и стеряня, 1/К; А Т«,А1'1 - температурные интервалы охлаждения, соответственно, отливки и стержня, К; - размер от поверхности контакта отливки со стержнем до ах геометрической оси, м. Анализ этого выражения показал, что для того, чтобы обеспечить получение 1» 3 > 0 необходимо соблюдать следующее условие:

оС*.-ЛТх-С , (3)

Это неравенство может быть "обеспечено за счет сохранения соотношений,- которые характеризуют два вида формирования зазора

I " (приЛ Тг -лт,) 14)

Ыг 1 .

или .

> Т (при <>х ^ сСч) . (5)

Наличие аМатериале отливки фазового превращения (например, у чугуна) необходимо учитывать при расчете зазора

^•¿л-Ат^е-^лтРъ + б^е-'^-АтМ'г.

где й Т'Г .4 Т,4, - температурные интервалы охлаждения отливки, • соответственно, -в Т~ ис£- областях', К; £ ^ - относительное изменение размеров отливки при; фазовом превращении, ед.

Дальнейший анализ'условий формирования зазора между отливкой и стержнем показал, что на его величину влияет.величина литейного уклона стержня, а также каким оор»з'ом стержень установлен в форме (уклоном вверх лла наоборот). С учетом.этих условий выражения (2) и (3) приобрели следующий вид:

Ц n-tg.fi)-£ я (7)

Ь* "(вСг -АЪ-ЖбФ n-tf.fi)-4, (8)

где п = Н/£, Н - высота отливки (стержня), м.

При всех прочих равных условиях зазор между отливкой и стерхшем увеличивается, когда его перемещение, вследствие усадки, происходит в сторону большего размера и уменьшается при обратном направлении усадки.

Из выражений (7) и (8) с учетом (I) были получены уравнения для расчета критической температуры максимального прогрева стержня (9) и (Ю) при его совместном охлаждении с отливкой е критического температурного интервала (II) стериня при его принудительном охлаждений

Ттэх.2 -^г^г—Т7 * т6.2 ^ ./ть-, - Те.-/),. С9) ¿г&СИпгрЯ) оС»

¿А

- £ч * ■( Тк.п.4 - Те.1 Я ,

А7* _т Сп)

оСг

где 1тах.г- температура максимального прогрева стержня. К; Тш Якал - температуры, соответствующие началу и концу фазо-■ бого превращения з материале отливки, К. Таким образом, для достижения легкого извлечения стертая необходимо обеспечить на практике, чтобы фактические значения Ттох!. и Л Тг были не меньше рассчитанных критериальных значений Т««* и ЛТ х.

При анализе условий получения отливок без трешин, использовала наиболее признанную в настоящее время теорию трещикооб-разования в.отливках. Согласно этой теории для предупреждения трещин в отливках коэффициент локализации деформации гп (Т) должен быть всегда ниже запаса технологической прочности и. (Т), т.е.

т(Ъ)<и(т,} ~ f/^j > (I2)

где S"S (Т ) - предел прочности сплава при температуре Т;

S " СТ ) - напряжения, возникающие в отливке при охлаждении до температуры Т, в условиях полного торможения усадки.

Коэффициент локализации деформации можно представить как

ггг,,) ,

m ( ТJ =.-=- t ( тз)

âcaCT,)

где â СТО - полная деформация отливки;

8еg СТО - деформация отливки, равная свободной усадке, которая служит мерой деформационной способности материала <?"СТ<), так как при 8 (T-t) = £ " (Ti)^., mCT ) = L и, следовательно, меньше U- СТ) = sf > ' Для дальнейшего выяснения услогий, обеспечивающих получение отливок без трещин, бьмГ-прев еден теоретический анализ возможных схем-температурной деформации стержня и отливки з период их совместного охлаждения. При этом для удобства в качестве анализируемого параметра была принята деформация.?. На рис. I приведены возможные температурно-деформационные схемы отливка и стержня. Продолжительность охлаждения- отливки условно разделили на три периода: первый - от 0 до Zo, второй - от Го до Ттлда и третий - от ?т<хх до Tg , где' "Со ,Т/пазе и Tg - моменты времени,. которые соответствуют температурам нулевой етдкотекучестя сплава отливки, максимального прогрева стержня и выбивки стэря-ня. Из рисунка видно, что при охлаждении сплава'отливки txr температуры заливки (Т3) по температуры'нулевой жидкотекучести СТ0) ее размеры на поверхности контакта совпадают с размерами стержня Скривые 3 и 4 до т. 0). 3 этом температурном интервале трещины ке образуются, так sait еще сохраняется достаточная подвижность сплава. Охла&дение сплава ниже температуры нулевой ждтотекучес-ти вызывает естественную температурную деформация стли^-сг Сусад-ку или расширение).

В зависимости от величины усгдки и прздусг¿очного расиирс-ния отлибки I *„„.„.) вогмояны четыре наиболее характерные схемы качественного изменения ее фактической деф-ормалж.

При отсутствии предусадочнсго расширения сплава оглкзж ( ¿'пр.р. - 0'. температура нулезс.& жидкотекучести Т0 совпадет с температурой начала.усадки . Теоретически ее усадка дол-

■ жна протекать по кривой 3 (рис. I), однако "абсолютная" неподатливость стерши ¿ызнвает деформацию отливки до его размеров (кривая 4). Вынужденная деформация отливки в этом случае приобретает значение,превышающее свободную усадку на величину расширения стерхня

Из выражения (13), с учетом сказанного, видно, что при- использовании неразъемных металлических стержней степень локализации деформации всегда больше 1.Этим объясняется низкая-трещиноустсйчивость отливок из сплавов, не имеющих предусадочного расширения.

Зсли материал отливки имеет заметное предусадочное расл/рсние, изменение величины фактической деформации отливки необходимо рассматривать в два этапа: первый -включает деформацию в период протекай^ предусадочного расширения, второй - деформацию в период линейной усадки отливки.

На первом этапе ("^ - Гс ) (от температуры качала деформации (Т0) До температуры начала линейной усадки, которая здесь совпадает с температурой солидус (Тс). деформация складывается из расширения стержня за вычетом прецусадочкого расширения отливки

Рис. I

пр. р.

то есть

Ь(Фе^т) - ёпе.р.ст).

•Из (13) и (14) следует, что на этом этапе

' тГт)= £¿(7) С V . (15^

£0£Т)

3 зависимости от величины пседусадочного. расширения возможны три схемы деформации отливки и стержня.

На втором этапе (Тс- '¡-таге), при охлатдении отливки ниже температуры начала линейной усадки, относительная деформация отливки увеличивается на величину, равную относительной линейной усадке <?/ч(Т).

£г(Т) - г.пр.р СТ) + ел.ч { 7/ , (13)

гп (Т) = ГУ - е»Р.к> С7? 4 £4.1 СТ.1 ,17)

€*( Г)

Б зависимости от значений (Т),2 Пр.р.(Т) и =?лт(Т), возможно две схемы. Зсли (Т) + Т) 7 £ пр.рЛ?' > что соответствует схемам б и в, вероятность трещимообразеваиия зависит от конкретного соотношения указанного неравенства, так как/??*.!) может быть и меньше и больше и (?).

Если (Т) + ?л.1('[) < с. цр.р.(Т). то в этом случае гп{Т) < 0 и вероятность образования трещин в отллвкз отсутствует".

Таким образом, видно, что на характер деформации отливки существенное влияние оказывает природа заливаемого сплаЕа л свойства стержня.

Вместе с тем из анализа выражений (13-17) хорошо просматривается общая закономерность,"заключающаяся в следующем, Ясли стержень прогревается до максимальной температуры, ("тахл) раньше, чем-отливка достигает температуры кача.па. деформации (Т0), что соответствует на схемах т. О, то зеть Тггом < , трещины в последней образоваться не могут.' Величина вынужденной деформация "отливки в этом случае равна 0 во всем интервале охлаждения отливки.

Ддя обеспечения полученных условий'необходимо использовать стер^ьи с определенной массой, которая позволит им прогреваться по- заданному режиму. На основе уравнения теплового баланса с учетом разработанных условий получения отливок без трещин были получены уравнения для расчета критического соотношения масс отливки и стержня. _

В результате теоретического анализа темпернтурно-деформационного взаимодействия отливки и стертая были получены уравне-

кия, которые позволяют рассчитать конструкцию легкоизвлекаемых металлических стержней и выбрать оптимальные технологические параметры, обеспечивающие получение качественных обливок.

Ксследовшше_дал^^метротес^_хараете_ристик сплавов

Теоретический анализ показал, какую значимость имеет пред-усадочное расширение сплавов для повышения трещиноустойчивости отливок. Для выявления влияния химического состава чугунов на величину предусадочного распшрения по известной методике были исследованы чугуны с содержанием углерода в пределах 3,8...4,15^, степень эвтектичности которых равнялась 1,013...1,177. Было установлено, что величина предусадочного расширения у исследованных чугунов меняется в пределах 0,106...О,203* или в 1,9 раза. Причем эти зависимости имеют экстремальный характер с минимумом при содержании углерода в пределах 3,9...4,15$ или при5$г= 1,05.

Изучение влияния на величину предусадочного расширения модифицирования чугуна алюминием показало, что с увеличением введенного алюминия до 1% предусадочное расширение увеличивается с 0,21% до 0,315! и имеет максимальное значение, а затем происходит его резкое снижение, а при 2% введенного алюминия оно равно 0,09*.

По специально разработанной методике было изучено влияние температуры нагрева жидкого чугуна на величину предусадочного расширения. Установлено, что предусадочное расширение уменьшается с повышением температуры расплава и составляет минимум вблизи температур 1700°0.

Для выбора сплава, из которого можно изготавливать легко-извлекаемые стержни, были исследованы температурные коэффициенты расширения к у.садки различных сталей и алюминиевых сплавов, которые изучались на дилатометре ЖВ-5А. Установлено, что стали, имеющие аустенитную структуру, ■ обладает наиболее высокими коэффициентами линейной усадки и расширения. Наиболее простыми по своему: составу являются низкоуглеродистые стали, легированные марганцем (>15£) и никелем (>3,9$), кроме того,эти стали сбт ладавт наиболее высокими значениями коэффициентов усадки,' сред- ' няй__величина' которых' равняется 20,87-КГ®...20,95•10"° 1/°С в температурном интервале 900--200°С.

В качестве стержневых сплавов для изготовления отливок из алюминиевых сплавов, исследовали сплав первичного алюминия с марганцем АМл, который обладает высокой коррозионной стойкостью.

пластичностью, хорошей свариваемостью и довольно высокой прочностью. Кроме того, сплавы этой группы обладают поеышзнной температурой плавления. Анализ результатов показал, что наиоолеэ оптимальным является введение марганца в алюминий в пределах • Именно в этих пределах сплавы обладают максимальными значениями средних .коэффициентов расширения и усадки 24.72-iO-^ 1/'°С и 25,65-IO"ö 1/°С. Использование этих сплавов в качестве стержневых обеспечивает получение легкого извлечения стерянзй из отливок.

Исследование термической стойкости стержневых сплавал

Анализ дилатометрических характеристик позволил выбрать стали для изготовления стержней. С целью выбора сплава с наибольшей термостойкостью были проведены испытания по специально разработанной методике. Образцы, выполненные в гиде полого цилиндра с прорезью по образующей, помещали в предварительно нагретую до I700+5G°C печь Таммана. После выдержки в течение зО с, образец опускали в емкость с проточной водой. За характеристику термостойкости была принята величина относительной размерной стойкости материала, которая выражалась отношением изменения длины наружной дуги зазора к первоначальной длине внешней окружности образца.

Для сравнения термостойкости стержневых сталей с углеродистыми, последние были п стланы при содержании в них углерода в пределах 0, СЗ... 0,45/1.

Как показали испытания, лучшей относительной стойкостью обладают образцы из углерода стой стали с содержанием. С = С,08%. Ота сталь была зкбрача в качестве эталонной при испытаниях стержневых сталей. Установлено, что относительной размерной стойкостью, сравнимой со стойкостью низкоуглередкетых сталей обладают стали следукжего'химического состава: 13...I4t Mn; 5...7/»Ni; 0,3...0,5,2 5i ; L. 0,15.5 С. При опнтно-промышлекнах испытаниях стержней, изготовленных, из такой стали C0,07i С; I4,3o;&№n ;7,65^ № ; 1,06.« Si ; 0,003/2 S; 0,012/2 Р) на них была обнаружена сетка трещин после седьиой заливки. После девяти галкьок из стержня и литой пробы были вырезаны темплеты для проведения химического и металлографического анализа. Исследования качественного химического состава в зонах термических трещин з стержне и з дефектных зонах пробы проводили на рентгеноструктурногл мккроанализаторэ . . РЭМ-ГООУ. Установлено, что зоны'трещин в стержнях и дефектов-, • '• найденных з пробе, насыщены оксидат/л таких' элементов,какА€ ,

71 , Са.вI . Из этого предположили; что концентрация оксидов этих элементов приводит к образованию литейных, дефектов типа плен и пор, которые являются концентраторами напряжений и способствуют зарождению термических трещин.

Кро;ле того, было выявлено'резкое падение концентрации Мп е N1 в металле стержня с рабочей стороны. ¡'Металлографический анализ выявил измененный структурный слой со стороны рабочей поверхности, состоящий пз перлита с редкими участками аустени-та, пористой границы из оксидов и области с вытравленными границам зерен аустенита, вдоль которых проявился перлит.

Термодинамические расчетами изменения потенциала Гиббса (¿Сг ) определена вероятность и направление протекания реакций в системах Ме-СО при стандартном давл.ении в интервале температур 723-Ю23°С. Показано, что при данных температурах возможно образование карбонилов Мп и Л'/. Установлено, что вероятность взаимодействия Сг с СО с образованием оксидов значительно выше чем у остальных реакций. Экспериментально подтверждено положительное влияние дополнительного легирования стержневой стали хромом и молибденом.

Экспериментальная проверка разработанных принципов использования легкоизвлекаемых стершей

На отливках из различных сплавов (сталь, чугун, М2) экспериментально подтверждены теоретически разработанные принципы легкого извлечения. Показано, что если расчетные значения пли Л Т 2 были меньше практических Т^хгили Д Тг, происходило свободное извлечение стержней из отливок.

Подтверждено положительное влияние модифицирования чугуна алюминием на трещиноусгойчпвость отливки. Установлено оптимальное, количество вводимого- алюминия - 0,5-1,Ой.

Практически, на.отливках в виде полого цилиндра из чугуна ■доменной плавки показана связь критического соотношения масс отливки и стержня (Мр/М^) с технологическими параметрами процесса и свойствами' сплава- Из -рис. 2 видно, .что величина Ь^/Ыг," (сплошная основная-линия) значительно зависит от температуры предварительного"нагрева стержня к изменяется при увеличении температуры с 50°С до 200°С более чем на единицу. Сглаживание влияния температуры жидкого чугуна объясняется связью ' этого параметра с величиной предусадочного расширения, которая умень-

(130 ,

СЧ—;

Т"—

120 12$ 130 135 7-10"°С

о - отливка без трещин; е - отливка с трещинами; ЮО- начальная температура стчржня, сС.

Рис. 2

:'0 извлечения и получения отливок без

аается с повьшением температуры жидкого чугуна.

Практически показано, что ни один из 16-ти опытов (приведены на рис. 2 точками, где в скобках указана температура предварительного нагрева стержня) не 'опроверг теоретически рассчитанных значений. Все отливки с М^Д^ большими, чем М]/!^ были получены без трещин.

Исходя из практически подтвержденного теоретического анализа, разработан алгоритм ■расчета конструкции лег-коиэвлекаемых металлических стершей, удовлетворяющих условиям легко-трещин.

Огатно-п^ом^млекные испыташш -и' осво_£ние_технологии изготовления отливок в формах о легкоизвлекаемыми . стержнями в производстве

Ка основе проведенных исследований разработана тзхнслогия изготовления изложпц для литых электродов в формах о легкоиз-злекаемьм металлическими стержнями. Оптимальным выбрэн вариант, при котором форма подсушивается от нагреваемого стергля в течение 5-6 часов, вмесю 17 часов по существующей технологии. Нагрев стертая осуществляется горелкой сверху с перепадом температур, что позьслясг получить охсончательний равномерный прогрев его по всей высоте.

Изучено влияние химического состава -чугуна заливаемых изложниц на трещнноус! ойчивость. Установлено", что чу гунн с содержанием углерода в пределах 3,73...3,75,2 имеот трещкнсустойчн-

вооть значительно выше, чем у аналогичных чугунов с содеркани-емугл.зрода 3,31...3,93^.

Сравнение температурных ркадров отливок и стержней, полученных в формах с предварительной сушкой и без нее показало, что в последнем случае скорость кристаллизации выше. Если крис-таллизапии нкжш.х сечений отлчвск в сбонх случаях заканчивалась к 22 шн, то верхние части закристаллизовались, соответственно, через 38 мин и 28 мин в сухой и в сырой формах.

Изучено влияние на треацшоустойчивость вида используем'ой противопригарной краски. Установлено, что использование однослойного коксографитоБого покрытия резко снижает трещиноустой-чибость отливок.

Сравнительные испытания изложниц,полученных по традиционной и разрабогачной технологиям,показали, что они имели примерно равную стойкость (15-17 наливов). При атом прсасходит существенное сокращение более чем в 2,5 раза расхода газа и сжатого воздуха, отпадает необходимость таких операций как гидровыбивка стержня и ручная зачистка внутренней поверхности изложниц.

основные вывода

1. Проведенный теоретический анализ температурно-усадочных изменений, протекающих ъ отливке и стержне, показал, что зазор медду ними образуется при выполнении одного из даух условий

^ I при Д Т4 <11,

<5С Ч

или.

у I при сСг У/ сС < .

¿Г,

,9егкоо извлечете стержня обеспечивается при выполнении, аналитически полученных критериальных условий, з которых учтено 'злеяниз'литейного уклона, а также наличие на поверхности стержня выступов я впадин.

2. Кз анализа Теипературнр-дефор.;шдионного эзаимодействия . отливки со стержнем получена общач для всех сплавов закономерность, аакллчшцаяся в следующем. Если стержень прогревается

до максимальной температуры раньше, чем отливка достигает температуры начала деформация (усадки), трещины з последней образоваться не уогут. Наличие в материале отливки предусадочного расширения позволяет сместить момент максимального црогрега сгзржня, относительно температуры начала деформаций (усадки) з

сторону меньших температур. Получены математические выражения, позволяющие рассчитать критериальное соотношение масс отливки к стержня с учетом всех технологических параметров процесса, обеспечивающие получение отливок без трещин.

3. Установлено, что величина предусадочного расширения чугунсв с ¿втектичностью 1,019...1,117 (С = 3,8%...4,45/2) зависит от химического состава и изменяется в пределах 0,106^... 0,203% пли в 1,9 раза. Эта Зависимость имеет экстремальный характер минимум которой приходится на « 1,05 (С ** 42). На величину предусадочного расширения передельного чугуна влияет алюминий. С введением алюминия в пределах до 1% величина предусадочного расширения изменяется ст 0,212 до 0,31/?. При дальнейшем увеличении алюминия предусадочноэ расширение уменьшается и при 2ь*Л& достигает значения, равного 0,0$.

4. Разработана методика для исследования влияния температуры нагрева чугуна на величину его предусадочного расширения. Установлено, что она уменьшается с повышением температуры расплава. Так повышение температуры литейного чугуна с 1260°0 до 1700°С вызывает уменьшение предусадочного расширения с С,45# до 0,05^, а передельного чугуна с 1320°С до 1700°С - с 0,27,6 до 0,02*.

5. Разработана методика для определения относительной размерной устойчивости образцов из различных сталей при термоцик-лировании. Установлено, что стали с. содержанием С в 0,15,2; Мп =-. = 13...14Х;МС = 5...7/2 приближаются по стойкости к кизкоуглеро-•дисткм сталям, широко используемым в качестве материала для кокилей. • .'....

а. Установлено, что зоны литых дефектов в стержневой стала (0,07а С; 14,33/2Мп; 7,65*Ш ;. 1,04$ выявленных до эксплуатации, и термических трещин, обнаруженных после эксплуатации, насыщены оксидами А'& ,74 , Са и 51 . Определено, что при эксплуатации стержня из данной стали со стороны рабочей поверхности возникает измененный структурный слой, который имеет отличные от- исходных структур хишческий состав и физические характеристики. Наиболее эффективной мерой предотвращения данного дефекта является дополнительное легирование.стержневой стали хромом и молибденом, а также использование промежуточного защитного слоя краскл,не содержащей в своем составе углерод. *

7. Экспериментально на отливках из различных сплавов под- . тверздены теоретически разработанные принципы и критерии лег-

кого извлечения стержней'при естественном'и принудительном их охлаждении.

8. На различных пробах подтверждена связь'между величиной предусадочного расширения, и степенью локализации деформаций. Определено оптимальное количество алюминия (0,5...1,0/2), используемого в качестве модификатора. Установлено, что модифицирование чугуна алюминием повышает трзшиноустойчивость отливки за счет повышения величины предусадочного расширения и увеличения теплоты, выделяемой ири кристаллизации, что вызвано увеличением свободного графита б чугуне.

9. lía основе'теоретических и экспериментальных исследований разработан алгоритм расчета конструкции легкойэвлекаемнх металлических стержней с учетом технологических ларамет ров, задаваемых в зависимости от конкретных условий производства.

10. Комплексом опытно-промышленных испытаний показано, что разработанная технология позволяет получать качественные отливки различного типоразмера из чугуна, стали и алюминиевых сплавов. Технология принята к освоению на Челябинском металлургическом комбинате. Ожидаемый экономический эффект составит 73.8 тыс.руб. Технология изготовления отливки тормозного барабане в кокиль с дегкоизвлекаемым стержнем передана Канябадомскому заводу "Автозапчасть". Экономический аффект - 29,05 тыс.руб..

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

I. Кожевников Е.А., Каркарин A.id. Исследование влияния металлического стержня на образование горячих трешин/УЗопросы теории и технологии литейннх процессов: Темат. сб.научн.тр./Под ред. В.М.Александрова. - Челябинск: ЧШ, 1983. - С. 94-97.

. 2. Кожевников Ю.А., Швецов В.И. Использование металлических стержней для получения полых отливок из различных сплавов// Современные мет оды производства'отливок, способствующие экономии материалов...: Тез.докл.научно-техн.конференции. - Пермь: ИЛИ, 1984. - С. 70-71. .

3. Кожевников I/.А., Швецов В.й. Исследование возможности предотвращения трещинообразования в стальных отливках при использовании металлического стержнл//Новыз металло- и трудосберегающие технологические процессы в литейном производстве: Тез, докл.паучно-техн,семинара. - Челябинск: ЧПИ, 1934. - С. 32-33.

4. йоговский З.А., Кожевников Ю.А., Швецов З.И. Методика

•Г?

определения термостойкости материалов для изготовления кокилей*/ Новые металло- а трудосберегающие технологические процессы а литейном производстве: Тез.яокл.научно-техняч.семинара. - Челябинск: ЧПИ, 1У84. - С. 34-35.

5. Александров В.У., Швецов В.И., Кожевников Ю.А., Чернявский К.Я. Снижение металлоемкости чугунных отливок при использования легкоизвлекаемых металлических стержней// Современное оборудование и технология плавки, внепечной обработки и зиливки чугуна: Тез.докл.научно-техн.конференции. - Пенза, 1985.-С.48-4Э.

6. Кожевников Ю.А., Александров В.М., швецов З.И., Ахмед-зянов И.Р. Получение чугунных отливок а металлических формах// Производство литых заготовок повышенной точности и малой трудоемкости: Тез.докл.научно-техн.конференции. - Свердловск, 1956.-С.59-60.

7. Кожевников к).А., Швецов В.И., Александров З.М., Снит-ко Е.К., Сапрыкин И.й. Способы легкого извлечения металлических стержней из ашишиевнх отливок// Повышение производительности труда, экономия материальных и энергетических ресурсов в литейном производстве:. Тез.докл.научно-техн.совещания. - Барнаул, 1У86. - С. III-II2.

3. Дробях'Г.А., Кожевников Ю.А., Шъецов В.И., -йоговокий Б.А. Определение термостойкости материалов для кокилей// Современныз технологические процессы получения высококачественных отливок...: Тез.докл.межреспубликанского научко-практич.семанара. - Чебоксары, 1У87. - С. 54-55. . ' ■

9. Швецов.В.И., Александров В.1.1., Кожевников ij.A. .Получение отлиеок с легкоизвлекаемыми стержнями-. М., 1987. Деп. во ВНЖГЭМР, № 514, ОД 87. - 7 с.

. 10.' Иоговский В.А., Швецов .В.И., Дробях Г.А., Кожевников Ю.А.,. Каркярин A.M. Двухстороннее кокилир'оэание крупных стальных отли-,. БОк//Лрогрессивныс технологии производства литых заготовок: Тез. докл.нау^но-техн конф.-Челябинск, 1у83. - С. 5у-60.

11. Швецов В.И.. Кожевников iu.A., Потысьев B.ri.,. Леыукова И.А. Экономичзс;с1 целесообразная стоимость легкоизвлекаемых металлических стержней// Экономия металла при конструирования и производстве отливок: Межзуз. сб.яаучн.тр. - Пенза: ДЛИ, 1'аВо.-Вып. 2. - С. 35-37.

12. Кожевников iu.A., Швецов З.И.", Сапрыкин И.й'., Александров B.i'., Швабауор З.Л. Злиянке прсдусздочного расширения ла трешиноустойчавость чугун?ых отлизок//Повышение эгофечхиг.носта

литейного производства: Тез.докл.научно-технич.конференции. -Омск, - С. 31.

13. Кожевников Ю.А., Швецов В.И., Александров В.М. Повышение тревдноустойчивости отливок при использовании металлических стераней//ЛитеЙное производство. - 19ЭО.- И 3. - С. 10-12.

14. A.c. 1447552 СССР, ЖИ В 22 27/04. Способ изготовления изложниц/ Ю.А,Кожевников, В.К.Швецоз, В.Ц.Александров и др. ССССР)//Открытия. Изобретения. - 1683. - tf 43.

15. A.c. I437I4I СССР. МКИ В 22 27/06. Прибыль/В.И.Швецов, А.!/..Каркарин,..., Ю.А.Кожевников и др. (СССР)//Открытия.Изобретения. - I9S8. - Я 12. ' .