Материаловедение. Технология конструкционных материалов

         Сера –  вредная примесь, снижает механические  и литейные свойства чугуна и повышает склонность к образованию трещин.

         Учитывая  химический состав, механические, технологические  и физические свойства можно отметить, что СЧ 15 содержит большее количество углерода и кремния,  следовательно, прочность СЧ 15 меньше, чем СЧ 18 и СЧ 20, но жидкотекучесть СЧ 15 выше, чем СЧ 18 и СЧ20. Кроме того, СЧ 15 имеет выше пластичность при сжатии и ударную вязкость. Однако, при более низкой твердости серый ферритный  чугун СЧ 15 обладает более низкой износостойкостью, чем СЧ 18 и СЧ 20.

         Серый чугун СЧ 18 и СЧ 20 имеют  одинаковую твердость, предел  прочности при кручении и пластичность  при вибрации. Но СЧ 18 имеет хорошие   механические   свойства   при   высокой   пластичности  при  сжатии  (φ = 35%) и   достаточно высокой усталостной прочности (σ-1 = 70 МПа, σ-1С = 90 МПа, τ-1 = 80 МПа и σ-1u = 66МПа). Серые чугуны СЧ 18 и СЧ 20 имеют одинаковую износостойкость, но СЧ 20 более хрупкий, чем СЧ 18 и СЧ 15, его ударная вязкость KCU = 40 Дж/ .

         Демпфирующая способность у СЧ 15 и СЧ 18 одинаковая и выше чем у СЧ 20.

         Для картера  распределительных шестерен, испытывающего  при работе статические нагрузки, целесообразно рекомендовать серый чугун СЧ 18, который обладает хорошим комплексом прочностных и технологических свойств, обеспечивающих надежность и долговечность детали. Отливка из СЧ 18 имеет низкую стоимость, способна выдерживать значительные статические нагрузки. Серый чугун СЧ 18 имеет хорошие литейные свойства и обрабатываемость резанием. Отливка картера шестерен из СЧ 18 не склонна к короблению и трещинообразованию. Наличие в структуре этого чугуна свободного углерода в виде пластинчатого графита придает ему хорошие эксплуатационные качества[7].

       

          1.3 Обоснование технологии термической обработки  первичной         заготовки и детали

         Первичная заготовка картера шестерен получается методом литья в песчаную форму. После охлаждения отливку выбивают из опок, осуществляют очистку, обрубку и зачистку отливок.

         Очистка отливок дробью основана на абразивном и скалывающем действии потока дроби на поверхностный слой отливки, покрытой коркой пригара и окислов.

         Обрубка  отливки проводится воздушно-дуговой  резкой (наиболее широко применяется чугунных отливок).

         Зачистка отливок производится шлифовальными кругами (абразивная обработка), металлическими (зачистка трением) и металлическими с подводом электрического тока (электроконтактная зачистка)[6].

         В отливке в процессе затвердевания  и последующего охлаждения возникают напряжения, которые классифицируются как механические, температурные, фазовые. Причем некоторые из них являются временными, другие остаточные. Возникающие напряжения являются причиной образования горячих и холодных трещин и искривления отливок.

         Механические напряжения возникают  в отливках вследствие препятствий ее усадке со стороны формы или стержня.

         Термические напряжения возникают  при неравномерном распределении температур в отливке, что определяется геометрической формой отливки[6].

         Фазовые напряжения и деформации образуются в отливке, если сплав претерпевает структурные или фазовые превращения. В чугуне — при перлитном превращении, при котором объем остывающего сплава увеличивается. Кроме того, в сером чугуне из-за разного коэффициента термического расширения графита и металлической основы при охлаждении возникают структурные напряжения[10].

         Величина остаточных напряжений  зависит от конфигурации отливки,  технологии ее заливки и условий  охлаждения. С увеличением прочности увеличивается величина остаточных напряжений.

         Значительно снизить остаточные  напряжения, стабилизировать размеры и повысить прочность отливок можно только отжигом при 500...600°С. Остальные методы стабилизации размеров (силовое нагружение, вылеживание, отжиг при 200°С) на прочность практически не влияют[6].

         Отжиг при  500...600°С производится  в печах и состоит в нагреве  отливок до заданной температуры, выдержке при этой температуре и охлаждении с печью. Стабилизация размеров достигается в основном за счет резкого снижения остаточных напряжений, имеющихся в отливке.

         Скорость нагрева выбирается  максимально возможной и ограничивается только опасностью разрушения отливок σт, складывающихся из имеющихся  в  отливках σост. Обычно нагрев происходит со скоростью от 50 до 150 °С/час.

         Температура отжига назначается максимально допустимой из условия, чтобы после отжига отсутствовало снижение твердости металла.

         Время выдержки при t отжига должно составить 2...4 часа. Как меньшее, так и большее время выдержки ухудшает процесс стабилизации размеров отливок. Время выдержки отсчитывается от момента прогрева наиболее массивных участков отливки до заданной температуры. Продолжительность прогрева зависит от многих факторов (типа печи, конфигурации отливок, их расположения в печи) и определяется экспериментально.

         Охлаждение  до 350°С должно производится медленно, чтобы в отливках не возникали новые напряжения. Скорость охлаждения в интервале 600...350°С рекомендуется 30...60°С/час. В интервале 350...200°С охлаждение должно быть 30°С/час, чтобы уменьшить коробление отливок. Ниже 200°С охлаждение любое.

         На рисунке 1.1 показан график отжига картера шестерен из СЧ 18; на рисунке 1.2 – схема микроструктуры СЧ 18 после отжига.

 

         Рисунок 1.1 – График отжига отливки картера шестерен из СЧ 18

         Структурные превращения при  отжиге в СЧ 18:

Ф + П + Гпл                           Ф + П + Гпл                           Ф + П + Гпл

 

                            Ф + П + Гпл                             Ф + П + Гпл

 

В отливках из СЧ 18 могут  быть различные дефекты: усадочные, поверхностные, включения, разрывы сплошности металла, приливы, искажение формы и размеров, несоответствие свойств, структуры и состава.

        Усадочные дефекты — концентрированные раковины, макро- и микропористость,   утяжины   —   являются     следствием      изменения    размеров,

 

Рисунок 1.2 – Схема микроструктуры Ф + П + Гпл

        

а значит и объема, то есть так называемая усадка металла  в процессе затвердевания.

         К поверхностным дефектам относятся  нагар (слой формовочного материала на поверхности), складчатость, сетевидная пористость (вытянутые раковины с гладкими стенками).

         К включениям относятся шлаковые  включения — неметаллические включения, наличие в отливках частиц чугуна, отличающихся от основного металла, черные пятна — неметаллические включения, преимущественно на горизонтальных плоскостях и верхних частях отливки[6].

         К разрывам сплошности металла  относятся, горячие, холодные, термические трещины из-за разницы в температурах различных частей отливки при быстром охлаждении после выбивки.

         К приливам относятся залив,  подутость, обвал, подрыв, обжим,  задир.

         Искажение формы и размеров  происходит при недоливе. Коробление (искажение) из-за возникновения в отливке значительных напряжений при охлаждении.

         Перекос из-за неточной сборки  модельного комплекса.

         Отбел — образование структуры белого чугуна из-за повышенного содержания C и Si[6].

 

         1.4 Выбор оборудования и  технологической оснастки  для проведения термической обработки.

         Для выбивки отливки из опок и стержней из отливок применяется установка, состоящая из четырех или шести решеток модели 428С, устанавливаемых на общей фундаментной раме.

         Очистка отливок дробью основана  на абразивном и скалывающем  действии потока дроби на поверхностный слой отливки, покрытой корочкой пригара и окалины. Применяют дробеструйную очистку. Для дробеструйной очистки применяются дробеструйные аппараты модели 234М, в которых дробь с помощью сжатого воздуха направляется на очищенную отливку со скоростью до 20...80 м/с[6].

         При дробеструйной очистке дробь  на очищенную отливку подается  с помощью дробеметного аппарата (модели 2М 392), имеющего вращающееся рабочее колесо с лопатками, на которые дробь попадает с помощью распределительного колеса.

         Обрубка отливок производится  с помощью воздушно-дуговой резки  или пневматическими рубильными  молотками.

         Зачистка отливок проводится на шлифовальных кругах.

         После  зачистки   отливка   поступает   в  печь     толкательного  типа   ст 3. –  6.48.4/7 — электропечь сопротивления  непрерывного действия с максимальной температурой 750°С[11].

         Картеры загружаются на поддоны, которые передвигаются внутри печи посредством толкателя, действующего от электродвигателя, гидравлического или пневматического механизма. Толкатели печей приводятся в действие кнопочным управлением у загрузочного конца печи через определенный интервал времени, который рассчитывается из общего времени пребывания деталей в печи[12].

         Для загрузки и выгрузки печей  и для перемещения обрабатываемых  деталей по технологическому циклу применяется в термических цехах различные подъемно-транспортные средства — ручные и электрические тали и поворотные консольные краны.

         Температуру в печах (свыше  500°С) измеряют термоэлектрическим  способом. Этот способ основан на явлении возникновения электродвижущей силы в месте соединения двух проводников из различных металлов или сплавов, составляющих термопару. Величина электродвижущей силы зависит от материала термоэлектродов, от температуры горячего спая термопары (рабочий конец) и холодного спая — свободных концов термопары, которые присоединяются к милливольтметру. Термопара и милливольтметр составляют прибор — пирометр. В печи для отжига — термопара хромель-копелевая ТХК-040Т (до 600°С)[12].

         Обеспечение высокого качества  отливок требует строгой системы  контроля как исходных материалов и всего технологического процесса, так и получаемых отливок. Контроль качества термически обработанных деталей осуществляется как во время изготовления детали, так и после окончания всех операций. Контролируется качество структур, твердость, механические свойства по образцам или по выборочным деталям. Твердость определяется сопротивлением испытуемого образца вдавливанию в него закаленного стального шарика на приборе Бринелля. Металлографический контроль проводят методом макро- (анализ структуры излома невооруженным глазом: трещины, газовые пузыри, ликвацию и т. п.) или микроанализа (анализ структуры с помощью оптического или электронного микроскопа)[11].

         Разработаны косвенные методы  определения механических свойств  и микроструктуры, основанные на  применении ультразвука и электромагнитных колебаний.

         Поверхностные дефекты на чугунных  отливках наиболее удобно выявлять капиллярными методами. Сущность метода заключается в заполнении мелких невидимых невооруженным глазом дефектов, окрашенными или люминесцирующими жидкостями с последующим удалением этих жидкостей с поверхности детали и нанесением проявительного слоя специальной краски или порошка, который экстрагирует оставшуюся в полости дефекта жидкость и вызывает контрастное выкрашивание поверхности[6].

         Внутренние дефекты в отливке выявляются либо методами проникающей радиации, либо акустическими методами[6].

 

 

1.5 Охрана труда  в термических цехах

Оборудование термических  цехов должно располагаться в  соответствии с общим направлением основного грузопотока. Расстояние между оборудованием и стенами цеха должно быть не менее 1 м.

В таблице 1.4 приводятся допустимые расстояния между различными видами оборудования. Такие виды оборудования, при работе с которыми происходят вредные выделения (дробеструйные аппараты, травильные установки, установки для приготовления твердого карбюризатора, а также опасные в пожарном отношении установки), должны быть установлены в помещениях, изолированных от печных пролетов [13].

Таблица 1.4 – Рекомендуемое расстояние между видами оборудования

Наименование оборудования

Расстояние, м

Крупное оборудование: толкательные и конвейерные печи Крупные камерные печи с  выдвижным подом, с шарами и т. п. (для обработки штампов, литья, поковок и т. д.) Некрупное универсальное  печное оборудование для термообработки изделий в инструментально-термических цехах и отделениях Высокочастотные установки  при размещении их в потоке механической обработки Закалочные ванны малые Закалочные ванны для  охлаждения крупных деталей

3,0   1,5–3,0     1,0–1,5   1,5 1,0 (от печей) 1,5–2,5 (от печей)

Системы отопления и  вентиляции должны обеспечивать в производственных помещениях температуру согласно данным таблицы 1.5.

Вентиляция в термических  цехах и отделениях должна обеспечиваться: естественным проветриванием помещений, устройством общих приточно-вытяжных систем; устройством отсосов непосредственно в местах установки оборудования и на местах, где выделяются вредные пары, газы и пыль [13].