Выбор чугуна и технологических вариантов литья

Важнейшие, эксплуатационные свойства корпусных деталей (жесткость, износостойкость и стойкость против коробления) проявляются обычно во взаимодействии сопряженных деталей и узлов. Они зависят от конструкции детали, качества чугуна, видов упрочнения и окончательной его обработки, качества изготовления и сборки станков, условий эксплуатации и др. факторов.

Поэтому мероприятия по повышению работоспособности деталей наиболее эффективны тогда, когда их проводят комплексно и на таких этапах (проектирования, изготовления или эксплуатации станков), вмешательство на которых может оказаться наиболее результативным.

Выбор технологических вариантов литья, включающий выбор химического состава чугуна, методов плавки, условий охлаждения отливки и др., очень влияет на работоспособность деталей. Однако изменение свойств чугуна не позволяет в одинаковой степени повышать жесткость, износостойкость и стойкость против коробления деталей. Соответственно различна и относительная эффективность металлургического вмешательства.

Возможности для повышения жесткости деталей путем изменения качества чугуна ограничены, поэтому металлургическое вмешательство целесообразно в случаях, когда известно, что от жесткости детали зависит баланс жесткости станка, а ее повышение конструктивными мероприятиями затруднено. Примером таких деталей служат поперечины карусельных станков.

Износостойкость деталей зависит от качества чугуна значительно больше. Даже случайные колебания микротвердости перлита, среднего расстояния между включениями графита, длины включений графита и твердости чугуна по Бринеллю в деталях, изготовляемых одним и тем же заводом, могут изменить скорость изнашивания в 1,5—3 раза.

В связи с зависимостью износостойкости от характеристик микроструктуры чугуна, улучшение последних следует считать одним из основных средств повышения износостойкости деталей станков. Для повышения износостойкости часто применяют чугун более высоких марок, чем необходимо для обеспечения достаточной жесткости и прочности деталей, поэтому при удовлетворении требований по износостойкости обычно удовлетворяются требования по жесткости и прочности корпусных деталей.

Стойкость против коробления деталей отливок из чугуна СЧ 21-40 и более высоких марок не зависит от качества чугуна. Поэтому основным средством повышения стойкости деталей против коробления является стабилизация их размеров термическими, деформационными и деформационно-термическими методами (см. главу VI).

Из приведенного можно сделать следующие выводы и рекомендации.

1. Когда износ корпусных деталей существенно влияет на работоспособность станка, технологический вариант получения отливок необходимо выбирать исходя из требований износостойкости, что обычно обеспечивает требуемые жесткость и прочность деталей и не сказывается отрицательно на стойкости против коробления.

Когда детали не работают на износ или их износ существенно не влияет на работоспособность станка, при выборе технологических вариантов получения отливок следует учитывать только требования по жесткости, прочности и плотности деталей.

Если к корпусным деталям предъявляют особенно высокие требования по жесткости, причем последние не могут быть удовлетворены конструктивными мероприятиями, то выбор металлургического варианта должен отвечать требованиям по жесткости и износостойкости одновременно. При этом условия прочности, как правило, выполняются автоматически. В случаях, когда применение чугуна с пластинчатым графитом не обеспечивает необходимой жесткости деталей, следует применять чугун с шаровидным графитом.

2. Высокая износостойкость деталей достигается мероприятиями, обеспечивающими получение соответствующих значений критериев износостойкости (микротвердости матрицы и среднего расстояния между включениями графита), а также соблюдением дополнительных требований (размер включений графита, твердость).

Микротвердость матрицы должна быть возможно более высокой. Микротвердость матрицы для деталей, не подвергаемых термической обработке, можно ориентировочно оценивать с учетом данных, полученных при эксплуатационных испытаниях станин станков мод. 1Е61М. В этом случае повышение микротвердости матрицы от 240 до 320 кгс/мм ² снизило скорость изнашивания деталей в 2 раза. Высокая микротвердость матрицы достигается при перлитной, сорбитной, тросистой, бейнитной и мартенситной структуре. Феррритная структура, как правило, не допускается.

Среднее расстояние между включениями графита должно быть не менее 70 мкм (табл. 9). Ориентировочно, с учетом результатов испытаний станин и нижних салазок горизонтально-расточных станков мод. 2А635 и 2Б635, можно принять, что уменьшение среднего расстояния между включениями графита от 70 до 35 мкм увеличивает скорость изнашивания направляющих в 2 раза. Ограничение нижнего предела допустимых значений а исключает опасность появления структур, характерных для повышенной скорости охлаждения, мелких включений графита, а также распределений включений графита: междендритных или в виде колоний. Наиболее распространенными при этом структурами являются структуры с включениями графита длиной более 125 мкм, распределенными изолированно или в виде колоний при малой степени изолированности.

Оптимальные значения критериев износостойкости (микротвердости матрицы и среднего расстояния между включениями графита) — необходимое, но не достаточное условие высокой износостойкости чугуна любых корпусных деталей. Для гарантированного обеспечения высокой износостойкости необходимо также соблюдение требований, обусловленных особенностями эксплуатации деталей. Последние зависят прежде всего от условий изнашивания направляющих и степени влияния износа сопряженных деталей на точность станка.

При всем многообразии условий изнашивания направляющих, в первом приближении, достаточен учет степени участия в изнашивании посторонних загрязнений (стружки обрабатываемых деталей, частиц окалины, песка и продуктов разрушения шлифовальных кругов).

При значительном количестве посторонних загрязнений включения графита длиной более 250 мкм увеличивают скорость изнашивания, поэтому длина включений графита на направляющих должна быть не более 250 мкм (верхняя граница диапазона Гд 7 по ГОСТ 3443—57). При ориентировочных подсчетах можно исходить из того, что увеличение размеров графита от 220—250 до 320—350 мкм сопровождается ростом скорости изнашивания деталей в 1,6 раза. Эта величина получена в результате усреднения результатов эксплуатационных испытаний станин станков мод. 1К62, 1А62, 1Е61М, 2А635, 2Б635 и салазок станков мод. 2А635 и 2Б635.

При незначительном количестве посторонних загрязнений скорость изнашивания деталей зависит от длины включений графита значительно слабее, поэтому не требуется жесткого ограничения размеров последних. Длина включений графита в этом случае может достигать 500 мкм (верхняя граница диапазона Гд8).

Как отмечалось ранее, твердые включения (свободный цементит, карбиды, фосфид, бориды и пр.) повышают износостойкость одной детали и увеличивают износ другой сопряженной с нею детали. Это явление наблюдается в случае, когда износ обусловлен главным образом взаимодействием сопряженных поверхностей, а посторонние загрязнения в нем почти не участвуют. Если износ обусловлен в основном взаимодействием твердых частиц загрязнений с поверхностями трения, то повышение износостойкости основной (неподвижной) детали за счет твердых структурных включений способствует уменьшению шероховатости поверхности, что снижает износ сопряженной детали.

Таким образом, при наличии на поверхности трения значительных количеств посторонних загрязнений твердые структурные включения в чугуне допустимы и, по-видимому, могут быть рекомендованы в количествах, при которых они не препятствуют нормальной обработке деталей. При незначительном количестве посторонних загрязнений в случаях, когда износ сопряженной детали значительно влияет на точность станка, твердые структурные составляющие недопустимы. Исключение составляют включения фосфидной эвтектики при содержании фосфора в чугуне в пределах норм, установленных техническими условиями.

3. Повышение твердости чугуна, достигаемое упрочнением матрицы путем рационального выбора химического состава, легирования и увеличения скорости охлаждения в период эвтектоидного превращения, увеличивает износостойкость. В то же время повышение твердости, обусловленное измельчением включений графита и уменьшением среднего расстояния между ними при увеличении скорости охлаждения сплава в период затвердевания и эвтектического превращения, сопровождается снижением износостойкости.

Поэтому твердость не может быть критерием, однозначно определяющим износостойкость чугуна. Однако на практике по ее величине можно судить о износостойкости чугуна в случаях, когда при литье деталей не применяют холодильников. При этом следует учитывать, что повышение твердости направляющих от НВ 160 до НВ 200 снижает скорость изнашивания в 2 раза. Высокая износостойкость деталей достигается при твердости направляющих НВ 200—240.

Значения характеристик, приведенных в табл. 9, и твердости чугуна по Бринеллю рекомендованы с учетом условий обеспечения высокой износостойкости деталей при эксплуатации.

Эффективность использования любых средств воздействия на чугун с целью повышения износостойкости деталей зависит только от того, в какой мере использование этих средств позволяет приблизиться к характеристикам чугуна, приведенным в табл. 9.

4. Для повышения твердости направляющих, предотвращения графитовой пористости, а также для выравнивания скорости охлаждения отливок на многих заводах широко применяют холодильники. Однако повышение твердости, достигаемое применением холодильников, может приводить к увеличению износа. Из этого не следует, что холодильники во всех случаях оказывают отрицательное влияние на долговечность деталей.

Холодильники измельчают включения графита и увеличивают неравномерность их распределения в структуре. В предельном случае в непосредственной близости от поверхности отливок образуются структуры с междендритным распределением включений графита, повышенным содержанием феррита и свободных карбидов. Микротвердость перлита при применении холодильников обычно несколько уменьшается.

Низкая износостойкость структур с междендритным графитом широко известна. Однако исследования, проведенные в ЭНИМСе, показали, что отрицательное влияние холодильников на износостойкость чугуна связано не только с возникновением этих структур, но и с увеличением количества включений графита, уменьшением расстояний между ними и вытекающим из этого ослаблением матрицы.

Различие в износостойкости чугуна, залитого с холодильниками и без них, резко проявляется вблизи поверхности отливок. По мере удаления от поверхности оно уменьшается, однако еще существует на глубине 50 мм и более. На долговечность деталей, изнашивающихся без участия значительного количества загрязнений, холодильники влияют отрицательно.

Увеличение количества загрязнений обусловливает повышение скорости изнашивания деталей при увеличении значений а и l _гр свыше определенной величины., Для предотвращения этого процесса следует ограничивать размеры включений графита.

Применение холодильников может быть оправдано при большой массе деталей и больших толщинах направляющих, когда размельчение чрезмерно крупных включений графита не может быть достигнуто регулированием химического состава, воздействием на жидкое состояние и другими металлургическими методами. Выбором типа холодильника, величины припуска на механическую обработку или другими мероприятиями должно быть обеспечено получение структур со значением а не менее 70 мкм. Последнее требование действительно и в случаях, когда холодильники применяют для предотвращения пористости и выравнивания скорости охлаждения отливок.