Дефекти виливків
Короблення
Коробленням називають спотворення геометрії виливки в результаті дії напруги, що виникають при охолодженні виливки у формі.
При затвердінні виливки у вигляді Т-подібного бруса в початковий період з більшою швидкістю охолоджується частина меншого перерізу, викликаючи викривлення випуклістю у бік масивної частини. Потім, коли швидкість охолодження масивної частини стане більшою, ніж частини малого перерізу, виливок почне викривлятися у зворотний бік. Оскільки вигин при цьому більше за величиною, виливок деформується так, що утворюється увігнутість з боку масивної частини. Незважаючи на те, що в ребрі бруса, що має менший переріз, діють стискаючі напруги, внаслідок вигину на його зовнішній кромці виникнуть напруги, що розтягують. Ця напруга може призвести до утворення тріщин.
Опір форми зменшує прогин відливки.
Значний вплив на величину короблення виливків надають фазові перетворення (наприклад, виділення графіту при кристалізації чавуну), що супроводжуються збільшенням обсягу. В результаті напрямок остаточного прогину виливків із сірого чавуну зменшується. Кількість та розміри включень графіту збільшуються з підвищенням у чавуні вмісту вуглецю та кремнію. Одночасно зменшується викривлення виливків.
У будь-якій затверділій і повністю остиглий виливок внутрішні напруги врівноважені. При цьому шари деталі або пружно розтягнуті, або стиснуті. В процесі механічної обробки з виливки видаляють шари металу, в яких були залишкові напруги. Рівновага залишкових напруг у виливку порушується, починається їх перерозподіл до настання нової рівноваги. В результаті відбувається жолоблення виливки.
Таким чином, у процесі обробки деталь вигнуте так, щоверхня оброблена її грань стане увігнутою, а необроблена — опуклою. При подальшій обробці верхньої площини деталь ще більше вигнутий, оскільки система завжди прагне рівноваги. При цьому на обробленій поверхні переважають стискаючі напруги. Загальний рівень напруги безперервно знижується. Цей процес триває до закінчення механічної обробки деталі. Зменшення припусків на механічну обробку може сприяти зменшенню величини жолоблення.
Способи зменшення короблення виливків. Моделі великогабаритних виливків, схильних до викривлення при охолодженні, виготовляють із зігнутими стінками. При цьому прогин стінок моделі виконують у напрямку, протилежному напрямку прогину виливки та рівним йому за величиною. Під час охолодження у формі виливка згинається і до кінця охолодження виявляється прямою. Іноді значно збільшують припуски на механічну обробку, щоб компенсувати жолоблення. Однак ці прийоми не призводять до зменшення у виливках залишкових напруг. Тому в процесі механічної обробки після зняття шарів металу і при експлуатації такі виливки можуть покоробитися.
Найбільш ефективні заходи, спрямовані на вирівнювання швидкості охолодження всіх ділянок виливків у формі, що забезпечує не тільки зменшення жолоблення виливків, а й зниження залишкових напруг. Регулювання швидкості охолодження виливків досягається, головним чином, установкою у формі металевих холодильників. Холодильники, забезпечуючи спочатку швидше охолодження масивних стінок виливки, досить швидко прогріваються і фактично перетворюються на утеплювачі, різко зменшуючи подальшу швидкість охолодження. При цьому швидкість охолодження товстостінної частини виливка стає меншою, ніж тонкостінної. Тому приВиробництво великих виливків застосовується примусове охолодження холодильників стисненим повітрям або водою. Зі збільшенням товщини піщаного набивання між холодильниками і виливком їхня захолоджувальна дія зменшується.
Для автоматичного контролю та регулювання процесу охолодження виливків створено спеціальне оснащення та апаратура. Апаратура складається з двох блоків: блоку автоматики, призначеного для автоматичного запису показань термопар, встановлених в елементах виливки, для реєстрації різниці показань цих термопар і для подачі команди виконавчим механізмам, та блоку виконавчих механізмів, що здійснюють регульоване охолодження елементів виливки сумішшю води та повітря. Застосування подібних систем дозволяє значно скоротити шлюб по тріщинах, зменшити залишкову напругу і короблення виливків.
Для зменшення залишкових напруг, обумовлених механічним опором окремих ділянок форми та стрижнів, необхідно прагнути до збільшення їхньої податливості.
Велике значення мають заходи, спрямовані на зниження рівня залишкової напруги в готових виливках. До таких заходів відноситься стабілізація виливків, після якої зміна залишкових напруг у виливку припиняється. При цьому короблення виливків може припинятися, незважаючи на збереження в них значних залишкових напруг. Процес стабілізації залишкових напруг у чавунних виливках називають старінням.
Природне старіння полягає у тривалому вилежуванні виливків на свіжому повітрі. При цьому внутрішні напруження в них знижуються лише на 3—12%, після чого стабілізуються. Однак короблення таких виливків практично припиняється. Механізм цього явища пояснюється так. Структура всіх промислових металів неоднорідна.Наприклад, графіт у чавуні є місцем концентрації напруг, у якому напруги значно перевищують середню величину. Досягаючи межі плинності металевої основи чавуну, напруги викликають її пластичну деформацію і з часом знижуються, наближаючись до середнього рівня. При цьому відбувається місцеве зміцнення металевої основи та підвищення її опірності пластичному деформуванню. В результаті середні значення напруги в чавунних виливках дещо знижуються, а зміцнення металевої основи чавуну ускладнює пластичні деформації і знижує схильність виливки до жолоблення.
Обов'язковою умовою процесу природного старіння є вилежування виливків на відкритому повітрі, де внаслідок коливань температури в них виникають додаткові температурні напруги, що сприяють зміцненню металевої основи.
Оскільки після природного старіння у виливках є значна залишкова напруга, то внаслідок їх перерозподілу при подальшій механічній обробці процес короблення відновлюється. Тому рекомендується спочатку піддавати чавунні виливки чорнової механічної обробки, а потім витримувати їх на повітрі 6-12 місяців. Після цього виливки слід піддавати напівчистовій обробці і знову витримувати 3-6 місяців повітря.
Найчастіше, однак, застосовують штучне старіння виливків. Найбільш поширеним видом штучного старіння виливків є низькотемпературний відпал.
У виливках складної конфігурації навіть після низькотемпературного відпалу можуть зберегтися значні залишкові напруги. У процесі механічної обробки, можливо, їх перерозподіл та відновлення короблення виливків. Тому низькотемпературний відпал найкраще проводити після майже повноїмеханічної обробки, залишаючи мінімальний припуск на остаточне доведення деталі.
Стабілізація чавунних виливків відбувається також в результаті статичного навантаження, при якому досягається пластична деформація металу при включенні графіту та зміцнення металу.
Для стабілізації при статичному навантаженні необхідно, щоб знак залишкових напруг збігався зі знаком напруг, що знову створюються. Оскільки для виливків складної конфігурації часто неможливо точно визначити величини і знаки залишкових напруг, то в кожній ділянці виливки поперемінно створюють додаткові напруги, що розтягують і стискають. При збігу знака додаткових напруг із залишковими відбувається стабілізація та зниження величини залишкової напруги за рахунок пластичної деформації. При розбіжності знаків додаткових і залишкових напруг відбувається тимчасове зменшення сумарних напруг в ділянці виливки, що навантажується. Найбільш доцільно навантаження виливків трьох-п'ятикратним вигином або скручуванням.
На відміну від статичного навантаження стабілізація виливків при вібраційному навантаженні здійснюється багаторазовим повторенням короткочасних навантажень.
Основна перевага методу вібраційного старіння, так само як і статичного навантаження, - усунення пластичних деформацій та жолоблення від дії тимчасових навантажень при транспортуванні та експлуатації деталі.
Слід зазначити, що всі методи старіння шляхом перевантаження можуть бути використані тільки для виливків з порівняно невеликою залишковою напругою. Виливки зі значною залишковою напругою рекомендується піддавати низькотемпературному відпалу, з метою зниження вихідної напруги, а потім вібраційному старінню.