CC BY
35
УДК 621.747
ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ ТРЕЩИН В ЛИТЫХ ЗАГОТОВКАХ ЗА СЧЕТ УЧЕТА ДИЛАТАЦИИ В ПРОЦЕССЕ ИХ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
М.А. Иванов, В.И. Швецов
Работа посвящена изучению механизма образования трещин в крупных стальных отливках в период их изготовления и термической обработки. Приведены данные по реальной промышленной отливке, а также технологические режимы, позволяющие предотвратить образование трещин при её изготовлении и термической обработке.
Ключевые слова: трещины, литье, заготовка, дилатация, термическая обработка.
Общепринято, что одной из причин образования трещин в крупных стальных отливках является неравномерность деформаций в отдельных участках в пределах одной отливки [1-3]. Однако в отливках нередко встречаются трещины, образующиеся по другому механизму в периоды их термической обработки. Брак таких изделий обходится производству в десятки раз дороже вследствие дополнительных затрат на выполненный объем механической обработки, а также на возможные штрафные санкции и аварийные ситуации.
Типичная ситуация сложилась в производстве крупного металлургического литья, когда заготовки бандажей диаметром 800 мм и высотой от 410 до 710 мм начали отливать центробежным способом с вертикальной осью вращения металлической формы. На начало договора скорость вращения формы при заливке ее расплавом и последующем его затвердевании регулировали от 230 до 270 об/мин в течение двух часов, затем снижали до 200 об/мин и заканчивали при 175 об/мин. Общее время заливки и затвердевания сплава при вращении формы не превышало четырех часов. Температуру металла при заливке корректировали в зависимости от содержания углерода в стали, которое колебалось от 1,4 до 1,9 %. Извлекали отливки из формы при температурах 850-900 °С на свободной поверхности и загружали их в колодцы, разогретые до 710-750 °С. Выдерживали при этих температурах 8-10 часов, после этого печь выключали и охлаждали отливку до 100 °С.
Несмотря на привлекательность принятого технологического процесса и смягчающие режимы охлаждения, качество отливок оказалось низким. Высокая дефектность и брак ставили под сомнение рентабельность производства. Из залитых 176 отливок годных оказалось 132 шт. или 75 %, из них 32 % были подвергнуты ремонту по трещинам, из оставшихся 43 шт. или 24,4 % - окончательный брак: 25 шт. или 58% по трещинам, 11 шт. или 25,2% по усадочным раковинам, остальные 7 шт. по недоливу, шлаковым раковинам, по уходу металла и по засору. Из этих цифр ясно, что технология была не отработана. Кроме того, усложнял про-
изводство трудноудаляемый пригар на торцовых поверхностях, вплоть до проникновения металла в зазоры между кирпичами, которые используются для футеровки поддона и крышки. Все это указывало на высокое давление, обусловленное скоростью вращения формы при формировании отливки.
Стремление к уменьшению разностенности и предотвращению усадочных раковин в отливках привело к обоснованию повышенных скоростей вращения формы в начале освоения технологии с 260 об/мин на стадии ее заливки для бандажа высотой 410 мм и 320 об/мин для бандажа с высотой 710 мм. Расчетные значения коэффициента гравитации (К) составляли, соответственно, 30,2 и 45,78. При этом расчетная разностенность не превышала 13,8 мм, что вполне удовлетворяло механиков по объему механической обработки заготовок бандажей.
Для сглаживания негативных явлений (высокой разностенности и недостаточного питания отливок) при снижении режимов вращения изложниц применили заливку электропечного шлака после заполнения изложниц расчетной массой металла, что способствовало улучшению питания и стабилизации коэффициента разностенности, который укладывался в пределы допустимых значений 27,88 для бандажей с Н = 410 мм и 37,95 для Н = 710 мм. Кроме этого, в связи с большими колебаниями содержаний углерода, который связан с температурами ликвидус и солидус, а также с началом линейной усадки и выделения карбидов, провоцирующих образование трещин, были нормированы температуры металла при заливке.
Принятый режим вращения изложниц на центробежной машине с учетом результатов анализа после заливки их металлом приведен в таблице.
Как видно из таблицы, повышенное давление за счет вращения было перенесено на второй час после заливки формы сплавом, когда толщина затвердевшего слоя по расчетам составляет 200-250 мм. Дополнительная нагрузка не вызывает разрушений в отливке.
После всех перечисленных технологических корректив оставались радиальные трещины, кото-
Высота бандажа, мм Скорость вращения изложницы, об/мин
Заливка 1-й час после заливки 2-й час после заливки 3-й час после заливки 4-й час после заливки
410 200 200 230 200 0
565 230 230 270 200 175
710 230 230 270 200 175
рые выявлялись после сфероидизирующего отжига (отпуска) в нагретых колодцах. Анализ режимов нагрева и охлаждения в колодцах и связанных с этим явлениях дилатации показал, что начальный режим охлаждения в колодцах вызывает растягивающие напряжения в поверхностном слое отливок и может быть причиной образования радиальных трещин. Это хорошо просматривается по графикам температурных кривых и дилатации (линейной усадки) (рис. 1). В стремлении уменьшить скорость охлаждения в период отпуска и совместить его со сфероидизирующим отжигом, температуру в колодце перед посадкой отливок в них подняли до 730 °С, а температура отливки в это время со стороны свободной поверхности выдерживалась в пределах 800-900 °С и по ней осуществлялся контроль температурного режима. Расчетами и измерениями температур поверхностей отливок и атмосферы колодцев было установлено, что при действующем режиме охлаждения отливок в формах наружный поверхностный слой имеет температуру 650-700 °С, а внутренний (свободный) 860-900 °С. Такое состояние отливки в процессе отпуска приводит к повышению напряжений за счет снижения температуры внутренних слоев отливок и повышения наружных.
На рис. 1, а показан действующий режим охлаждения внутреннего (1) и наружного (2) слоев. Цифрами с одним штрихом обозначается действующий режим, с двумя штрихами - предложенный вариант. С соответствующим обозначением показаны расчетные результаты дилатации на рис. 1, б. Линейную усадку, в том числе коэффициенты усадки, определили экспериментально. На основе проведенных исследований температуру в печах
перед посадкой отливок снизили до 550 °С с последующей выдержкой в течение 10 часов, после чего печь выключается и отливка охлаждается до 100 °С, а дальнейшее охлаждение осуществляется вне печи до температуры окружающей среды. При таком режиме отпуска обеспечивается смягчение напряженного состояния отливки, что видно по рис. 1, а и б, где кривая дилатации, обозначенная 2’’ показывает минимальную температурную деформацию. По такому режиму обработали более 20 отливок. Случаев образования радиальных трещин не выявлено.
Таким образом, трещины в бандажах высотой 410 и 710 мм с диаметром 800 мм удалось полностью предотвратить за счет оптимизации скорости вращения изложницы (формы) и отработанной температуры посадки отливок в термические колодцы для отпуска после извлечения их из форм.
Литература
1. Василевский, П. Ф. Технология стального литья / П. Ф. Василевский. - М.: Машиностроение, -1974. - 408 с.
2. Развитие теории трещиноустойчивости отливок / М.А. Иванов, В.И. Швецов, Е.Л. Волосато-ва, Д.В. Изотов // Вест. Юж.-Урал. гос. ун-та. Сер. «Металлургия». - 2011. - Вып. 17. - № 36 (253). -С. 48-50.
3. Иванов, М.А. Условия образования и предотвращения трещин в отливках из стали / М.А. Иванов, В.И. Швецов, Е.Л. Волосатова // Наука ЮУрГУ: материалы 63-й науч. конф. Секции техн. наук: в 2 т. - Челябинск: Издат. центр ЮУрГУ, 2011. - Т. 2. - С. 123-127.
56
Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия»
Иванов М.А., Швецов В.И.
Предотвращение трещин в литых заготовках за счет учета дилатации в процессе их термической обработки
Иванов Михаил Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры оборудования и технологии сварочного производства, Южно-Уральский государственный университет. 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 76. Тел.: (351)2679221. E-mail: IvanovM@yandex.ru.
Швецов Владимир Иванович, кандидат технических наук, доцент кафедры металлургии и литейного производства, Южно-Уральский государственный университет. 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 76. Тел.: (351)2679096. E-mail: kul@lit.susu.ac.ru.
Bulletin of the South Ural State University
Series "Metallurgy” ______________2013, vol. 13, no. 2, pp. 55-57
PREVENTION OF CRACKS IN THE CASTINGS BY TAKING INTO ACCOUNT DILATATION DURING HEAT TREATMENT
M.A. Ivanov, South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation, IvanovM@yandex. ru,
V.I. Shvetsov, South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation, kul@lit. susu. ac. ru
The work is devoted to the study of the mechanism of cracking in large steel castings during their manufacture and heat treatment. Data on a real industrial casting are presented and technological modes permitting to prevent crack formation during its manufacture and heat treatment are proposed.
Keywords: cracks, molding, preparation, dilatation, heat treatment.
References
1. Vasilevskiy P.F. Tekhnologiya stal'nogo lit'ya [Technology Of Steel Castings]. Moscow, Mashinostroenie, 1974. 408 p.
2. Ivanov M.A., Shvetsov V.I., Volosatova E.L., Izotov D.V. Advancing the Theory of Crack Resistance of Castings [Razvitie teorii treshchinoustoychivosti otlivok]. Bulletin of the South Ural State University. Series “Metallurgy”, 2011, no. 36, issue 17, pp. 48-50.
3. Ivanov M.A., Shvetsov V.I., Volosatova E.L. Conditions of Formation and Prevention of Cracks in the Castings of Steel [Usloviya obrazovaniya i predotvrashcheniya treshchin v otlivkakh iz stall]. Nauka YuUrGU: Materialy 63-y nauchnoy konferentsii. Sektsii tekhnicheskikh nauk [Science in the South Ural State University: Materials of the 63th Scientific Conference. Sections of Engineering]. Vol. 2. Chelyabinsk, SUSU Publ., 2011, pp. 123-127.
Поступила в редакцию 5 сентября 2013 г.
