» » Дегазация и удаление неметаллических включений вибрацией чугуна в ковше и форме как метод повышения качества отливок
25.12.2014

Использование вибрации при изготовлении отливок позволяет уменьшить газонасыщенность расплава, улучшить структуру металла, снизить межкристаллическую пористость, резко измельчить его кристаллическое строение и удалить более крупные частицы неметаллических включений, возникших «по вине» металла и формы.
Многие вопросы, связанные с последовательной вибрацией ковша и формы, влияние толщины стенок отливок при вибрации, влияние технологии изготовления форм и другие факторы изучены еще недостаточно. Нуждается также в решении вопрос о конструировании надежной вибрационной машины.
Исследования проводились на виброустановке (рис. 1), которая представляет собой чугунный стол 1, установленный на сборной раме 2. Стол на раме фиксируется при помощи четырех колонок 3, запрессованных в раму. На колонках установлены четыре пружины 4 нижние и четыре верхние 5, которые стягиваются гайками 6. Можно менять натяжение пружин и регулировать величину амплитуды колебания стола.
Внутри стола в горизонтальной плоскости расположены два вала 7, на которых жестко закреплены по два возмущающих груза 8 со смещенными центрами тяжести.
Дегазация и удаление неметаллических включений вибрацией чугуна в ковше и форме как метод повышения качества отливок

Валы вращаются от электродвигателя 9 с помощью шкивов 10, 11, клиноремней 12 и шестеренчатой пары, которая расположена в коробке 13. Назначение шестеренчатой пары — передать вращение от одного вала к другому в обратном направлении. При противоположном вращении валов возмущающие грузы в горизонтальной плоскости становятся друг против друга и инерционные силы, возникающие от вращения, уничтожают одна другую. Поэтому стол в горизонтальной плоскости не колеблется. Когда же возмущающие грузы повернутся на 90° и станут в вертикальной плоскости, тогда максимальная суммарная инерционная сила действует на стол и вызывает его колебание на колонках относительно рамы. Электродвигатель 9 установлен на плите 14, которая дает возможность производить натяжение ремней.
Для исследований использовался чугун следующего химического состава (в %): 3,2—3,45 С, 1,46—1,81 Si, 0,55—0,70 Mn, 0,18—0,29 Р, 0,09—0,12 S. Пределы прочности чугуна при отливке в сухую форму следующие: на растяжение σр= 12—14 кг/мм2; на изгиб σu=26—30 кг/мм2; на сжатие σсж= 55—60 кг/мм2.
Чугун из вагранки с шамотной футеровкой поступал в барабанный ковш емкостью 1 т. Чугун для деталей и образцов на механические испытания заливался в формы, установленные на столе вибростанка. Формы для крупных деталей заливались из барабанного ковша, для мелких деталей и образцов — из ручного чайникового ковша емкостью 60 кг. После заливки включалась вибромашина и производилось вибрирование в течение необходимого времени. Затем форма снималась с вибромашины и охлаждалась в спокойном состоянии до температуры выбивки.
Bce опыты производились при одном и том же составе формовочной смеси. Плотность набивки сырой формы 60—70 единиц.
Зависимость механических свойств и плотности отливок с различной толщиной стенок в сухих формах от времени вибрации приведена на рис. 2.
Из представленных данных видно, что эффект вибрации значительно улучшает качество отливок. Так, при вибрации форм в течение 2,0—2,5 мин предел прочности на изгиб увеличивается по отношению к исходному чугуну на 50—60%; предел прочности на растяжение — на 30—35%.
При дальнейшем увеличении времени вибрации улучшения механических свойств не наблюдается.
Дегазация и удаление неметаллических включений вибрацией чугуна в ковше и форме как метод повышения качества отливок

Наряду с улучшением механических свойств повышается плотность металла, причем особенно это заметно на отливках с меньшей толщиной .стенок. Если при толщине образца 60 мм плотность равна 7,21 г/см3 (при вибрации 2—2,5 мин), то с уменьшением толщины образцов до 10 мм плотность составляет уже 7,38 г/см3.
В случае сырых форм эффект вибрации влияет на механические свойства отливок в меньшей степени, чем при вибрации сухих форм, так как чугун, отлитый в сырую форму, обладает более высокими механическими свойствами.
Вибрация чугуна во всех случаях измельчает пластинки графита, доводя его до псевдопластинчатого (рис. 3).
Характер микроструктуры образцов, отлитых с вибрацией в сырые формы, почти такой же, как у образцов, отлитых в сухие формы, только графит несколько мельче.
Дегазация и удаление неметаллических включений вибрацией чугуна в ковше и форме как метод повышения качества отливок

Обработка вибрацией в течение 2—2,5 мин металла в ковше при после дующей заливке сухих форм дает увеличение прочности при изгибе на 50—55%, а предела прочности на растяжение — на 25—30%.
С уменьшением толщины стенок отливки увеличивается плотность. Так, при толщинах 60, 40, 20 и 10 мм плотность соответственно достигает 7,21; 7,27; 7,29 и 7,32 г/м3, достигая максимального значения при времени вибрации 2—2,5 мин.
Вибрация металла в ковше меньше измельчает графит, чем вибрация металла в форме.
Наиболее заметное влияние на улучшение всех показателей качества отливок дает совместная комбинированная вибрация сухой формы и ковша. Зависимость механических свойств и плотности отливок при их различных толщинах от времени вибрации ковша и сухой формы приведена на рис. 4.
Дегазация и удаление неметаллических включений вибрацией чугуна в ковше и форме как метод повышения качества отливок

Из графика (рис. 4) следует, что предел прочности на изгиб увеличился на 80—85%, а предел прочности на растяжение — на 70—75% (время вибрации 2—2,5 мин).
Особенно резко сказывается влияние совместной вибрации формы и ковша на плотность при малой толщине стенки отливки. Так, для образцов толщиной 10 мм плотность возросла до 7,55 г/см3. При более толстых стенках отливок влияние этого вида вибрации сказывается в такой же степени, как вибрация формы и вибрация чугуна в ковше.
Увеличение температуры заливки в исследованном интервале температур (1275—1350°) положительно сказывается на увеличении плотности отливок и улучшении механических свойств.
Из данных, представленных на графике (рис.5), следует, что при совместной вибрации чугуна в ковше и в форме максимальное значение механических свойств и плотности отливок получается при 1000—1100 колебаниях в минуту.
Анализ микроструктуры показывает, что при этой же частоте вибраций наблюдается самое благоприятное распределение графита.
При изменении амплитуды колебаний от 0,8 до 2,2 мм значительные изменений механических свойств и плотности чугуна не наблюдается. Можно отметить тенденцию к некоторому увеличению механических свойств чугуна при амплитудах колебаний 1,8 и 2,2 мм. При этих амплитудах получаются стабильные результаты механических испытаний.
Однако с увеличением амплитуды колебаний увеличивается вероятность разрушения сырых форм, особенно при недостаточном уплотнении формовочной смеси (ниже 60—70 единиц).
Горизонтальное положение плоских деталей снижает эффект вибрации, так как всплывшие неметаллические включения находятся в верхней части отливки, создавая неплотности и рыхлость в последних. Плотность образцов толщиной 40 —60 мм достигает всего лишь величины 7,05 —7,1 г/см3. Наилучшие результаты дает вертикальное расположение отливки с прибылью в верхней части: всплывшие неметаллические частицы уходят в прибыль. Отливки по всей массе получаются достаточно плотными, а плотность образцов толщиной 40—60 мм при этом же режиме вибрации находилась в пределах 7,2—7,3 г/см3.
Ликвация химических элементов по высоте отливок при вибрации незначительна. Так, при определении распределения серы в отливках при вибрации оказалось, что разность между химическим составом образцов длиною l=300 мм в верхней и нижней частях составляла 5—10%.
На основании результатов исследований на Минском станкостроительном заводе им. Кирова освоено и внедрено 25 наименований сложных станочных деталей (крышки, корпусы золотников, поршни, приставки к насосам и др.), работающих под высоким давлением.
Отливки без виброобработки имели общий литейный брак после обдирки на станках: НГ713-1211—70%; 7А5110—5112—56%; У7-458-101—50%; после применения вибрации брак соответственно снизился до 3,0—0,3%. Значительное количество деталей отлито из чугуна, модифицированного ФЦМ-5 + силикокальций, с вибрацией и без вибрации.
Механические свойства отливок из модифицированного чугуна, обработанных вибрацией, увеличивались незначительно: примерно на 2—4 кг/мм2 для сухих и сырых песчаных форм по отношению к чугуну, модифицированному, но не обработанному вибрацией, а деталей, отлитых в кокиль, — ужена 8—10 кг/мм2. Из анализа макроструктуры следует, что все детали, отлитые с вибрацией, не имеют пористости, раковин и видимых невооруженным глазом неметаллических включений. Чугун получается плотный, и при гидроиспытаниях отсутствует не только течь, но даже потение, тогда как детали без виброобработки имеют почти все перечисленные дефекты. Эффект виброобработки модифицированного чугуна сводится к ликвидации брака по «черным пятнам» даже при наибольшем количестве магния в лигатуре.
Отливки с виброзаливкой не имели брака по «черным пятнам» в отличие от отливок, полученных при той же технологии, но не прошедших обработку вибрацией.
Определение плотности образцов диаметром 30 мм и образцов, вырезанных из отливок исходного чугуна, модифицированного с вибрацией и модифицированного без вибрации, показало, что модифицированный чугун с вибрацией имеет самую большую плотность 7,5—7,7 г/см3.