Влияние механической обработки отливок и особенностей эксплуатации

Все рассмотренные методы по основным факторам, обеспечивающим стабилизацию изделий, можно объединить в три группы.

Методы, обеспечивающие стабилизацию в основном за счет значительного снижения начальной величины остаточных напряжений в отливках, — низкотемпературный отжиг при 500—600° С При этом происходит некоторое упрочнение материала в случае медленного охлаждения отливки.

Методы, обеспечивающие стабилизацию за счет повышения стойкости материала литой детали против коробления (его упрочнения) наряду с небольшим снижением первоначальных остаточных напряжений, — вибрационное старение, отжиг до 200—300° С, естественное старение.

Методы, обеспечивающие стабилизацию в основном за счет упрочнения материала литой детали, а также существенного снижения остаточных напряжений, — метод термоударов, старение методом статической перегрузки.

Следует остановиться дополнительно на следующем.

После старения с помощью любого метода остаточные напряжения в чугунных деталях полностью не устраняются. Так как коробление прекращается после достижения равновесия между степенью упрочнения металла и величиной сохранившихся остаточных напряжений, то любое воздействие на деталь, нарушающее это равновесие, вызовет коробление. Например, в результате механической обработки отливок после старения происходит перераспределение сохранившихся в детали остаточных напряжений и увеличение их на отдельных участках. Перераспределение остаточных напряжений тем меньше, чем меньше относительный объем удаляемого металла. Из-за этого стараются предварительную механическую обработку (до старения) производить с максимально возможным удалением припусков на обработку со всех обрабатываемых поверхностей. Это относится в равной степени ко всем методам старения. Однако следует отметить, что детали, состаренные методами 1 и 2-й группы, будут более чувствительны к операциям окончательной механической обработки.

Для 1-й группы это объясняется низкой релаксационной стойкостью материала отливок после отжига, который определенное время чувствителен к любой перегрузке над уровнем оставшихся в нем напряжений. Для второй группы решающим фактором является высокий уровень оставшихся напряжений, особенно если напряжения после механической обработки в ряде мест отливки поднялись выше предельных напряжений, возникавших в процессе старения.

Нижнюю границу припуска, оставляемого на механическую обработку после старения, должны определять особенности операций механической обработки и величина коробления деталей в процессе старения. Измерения станочных деталей массой 10—1500 кг показали, что их коробление при отжиге (при правильной укладке) не превышает 0,4—0,6 мм. Коробление при вибрационном старении даже столов шлифовальных станков массой 150 кг, размерами 2000 X 305 X 108 мм в случае закрепления на вибростенде за 2 конца составляет 0,3 мм; коробление подобной детали при старении статической перегрузкой с необходимым коэффициентом 0,7—0,8 мм; для более жестких деталей не превышает 0,2 мм.

Величина коробления в процессе старения при термоударах находится между значениями коробления при отжиге и вибростарении. Следовательно, припуск на окончательную обработку 2 мм компенсирует возможное коробление деталей в процессе старения.

Применение каждого способа ограничивается конструкцией деталей, величиной остаточных напряжений и эксплуатационных нагрузок, требуемой точностью, поэтому часто приходится использовать комбинированное старение, при котором могут быть реализованы преимущества различных способов. В случае, когда в отливках большие исходные остаточные напряжения, используют комбинацию — отжиг при 500—600° С и любой метод старения 2 и 3-й групп. Причем, чем выше нагрузки, испытываемые деталью при эксплуатации, тем предпочтительнее в качестве второго старения методы, где искусственно создаются значительные перегрузки: вибрация, статическая перегрузка, термоудары. Выбор этих методов в данном случае может определяться конструкцией детали.

При невозможности обеспечить необходимый коэффициент перегрузки вибрационным старением, статической перегрузкой, методом термоударов, применяют комбинацию указанных методов с естественным старением. В этих случаях используется естественное старение малой продолжительности.

Однако нецелесообразна комбинация, при которой первое старение осуществляется методом 2 или 3-й группы, а второе — методом 1-й группы, так как упрочнение металла, являющееся основной причиной стабилизации в методах 2 и 3-й группы, снимается при последующем отжиге.

Иногда выбор метода или комбинации зависит от других соображений. Например, использование естественного старения, статической перегрузки или вибрации для деталей, которые нагреваются в процессе эксплуатации или окончательной отделки (тепловая сушка после окраски и др.) даже до небольших температур (50—150° С), может изменить начальную их форму в результате термопластического последействия в чугуне. В этом случае, если рабочие температуры не превышают 100—110° С, после старения перечисленными методами необходим нагрев деталей в течение 1—2 ч перед окончательной механической обработкой до эксплуатационных температур [. С повышением рабочей температуры до 200—230° С опасность релаксации уже стабилизированных при старении остаточных напряжений увеличивается. Нейтрализовать в некоторой степени этот эффект можно только значительным снижением общего уровня напряжений в детали. В этом случае целесообразно делать предварительный отжиг при 500—600° С для снятия остаточных напряжений.

Для деталей, работающих при температурах выше 300—330° С, нецелесообразно использовать методы старения, где стабилизация деталей зависит от упрочнения материала. В этом случае может быть использован только отжиг.

Особый подход требуется также к деталям, подвергающимся поверхностной закалке. В процессе закалки дополнительно возникают два вида напряжений: термические, вызванные неравномерностью распределения температуры по сечению изделия, и структурные, вызванные фазовыми превращениями в сплаве. В результате происходит взаимодействие полей напряжений, возникающих при литье и при закалке.

В итоге поверхностно закаленное изделие можно рассматривать как сложнонапряженную систему, состоящую из нескольких характерных слоев.

Первый слой — закаленная зона чаще всего с сжимающими напряжениями. Второй слой — промежуточный, между закаленной зоной и основной массой изделия, как правило, с растягивающими напряжениями.

Третий слой — основная масса изделия с полем напряжений, возникающим в процессе литья и последующей механической обработки: оно деформируется в результате наложения закалочных напряжений тем заметнее, чем меньше жесткость детали.

Эта система в результате релаксации напряжений претерпевает необратимые изменения — происходит коробление детали.

Кроме того, структура закаленного чугуна является нестабильной. Мартенсит закалки переходит в мартенсит отпуска. Остаточный аустенит

также частично переходит в мартенсит отпуска. Оба процесса сопровождаются изменением удельного объема фаз и в обычных условиях продолжаются чрезвычайно долго (2—3 года).

Рис. 198. Изменение максимально-допустимой температуры закаленного изделия от скорости нагрева

Следовательно, стабилизировать изделие с закаленным слоем — это значит стабилизировать структуру закаленного слоя и суммарные остаточные напряжения в детали.

Естественно, что низкотемпературный отжиг при 500—600° С после закалки использовать нельзя. Методы стабилизации без повышения температуры (вибрация, статическая перегрузка и т. д.), как показывают результаты экспериментов, не позволяют полностью стабилизировать структуру закаленного слоя.

Надежным способом стабилизации структуры является отпуск при 200° С Необходимая выдержка 4—10 ч. Для ускорения процесса можно использовать прием кратковременного нагрева детали (закаленного слоя) до более высоких температур. Время обработки при этом сокращается до нескольких минут. Однако необходимо тщательно следить за температурой нагрева, чтобы не снизить твердость закаленного слоя.

На рис. 198 приведено изменение предельно допустимой температуры закаленного слоя от скорости его прогрева.

Для крупносерийного поточного производства представляет интерес технология электроотпуска, выполняемого дополнительным индуктором, перемещающимся вслед за закалочным.

И, наконец, для ряда деталей после отпуска можно использовать дополнительно такие методы, как вибрация и статическая перегрузка. Подходы к выбору деталей и режимов обработки аналогичны сформулированным выше.

С целью уменьшения опасности разрушения деталей при закалке, склонных к образованию высоких остаточных напряжений при литье, отжиг этих деталей при 500—600° С следует проводить до операции закалки.