СОСТАВНОЙ КОКИЛЬ ДЛЯ КРУПНОТОННАЖНЫХ ЧУГУННЫХ ОТЛИВОК

Предлагаемый составной кокиль (литейная форма) используется в литейном производстве и предназначен для отливки крупногабаритных корпусов, имеющих форму полого снабженного днищем цилиндра, например, из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом [1, 2]. Такие отливки необходимы в производстве толстостенных корпусов транспортно-упаковочных контейнеров, предназначенных для безопасного хранения отработавших ядерных отходов атомных энергетических установок [3].
Известен кокиль по патенту RU 2296808 [6] из чугуна, который имеет игольчатую структуру и содержт углерод, кремний, марганец, алюминий, бор, молибден, ванадий, хром, магний, железо. Однако для материала известного кокиля не регламентирована как прочность, так и относительное удлинение при растяжении, что необходимо для материала кокилей в виде толстостенных цилиндрических оболочек. Кроме того, чугуны с игольчатой структурой трудно поддаются механической обработке, требуют дорогостоящих легирующих добавок [7, стр.170]. Их применение в качестве материала литейных форм экономически нецелесообразно.
Известны литые заготовки литейных форм из серого чугуна, которые, согласно стандарту [4], должны изготовляться с применением чугуна марок не ниже СЧ18 с пониженным содержанием серы. Однако в случае крупнотоннажных отливок, имеющих форму полого цилиндра, стенки кокиля для обеспечения прочности при термическом и механическом воздействиях в процессе заполнения кокиля расплавом чугуна, должны иметь большую толщину. Объясняется это тем, что с увеличением толщины стенки чугунного кокиля временное сопротивление при растяжении чугуна существенно уменьшается. Например, для чугуна марки СЧ20 временное сопротивление при растяжении уменьшается с 270 МПа при толщине стенки 4 мм до 120 МПа при толщине стенки 150 мм. Для крупнотоннажных отливок требуется еще большая толщина стенки кокиля, что ведет к дальнейшему уменьшению временного сопротивления чугуна при растяжении.
Очевидно, появляется противоречие («замкнутый круг»). Нагрузки на кокиль требуют увеличения толщины его стенок. Однако, с увеличением толщины стенки уменьшается временное сопротивление при растяжении. Чтобы компенсировать уменьшение временного сопротивления материала, необходимо увеличивать толщину стенки.
В этой связи появляются проблемы технической сложности и экономической целесообразности изготовления кокилей из серого чугуна для крупнотоннажных отливок, имеющих форму полого цилиндра.
Известны литые заготовки кокилей из высокопрочного чугуна, которые, согласно стандарту [4], должны изготовляться с применением чугуна марок не ниже ВЧ50. Преимуществом высокопрочного чугуна по сравнению с серым чугуном является существенно меньшее влияние толщины стенки кокиля на временное сопротивление при растяжении. Однако и в этом случае появляется противоречие, причины появления которого связаны с термическими деформациями, напряжениями и с формой отливки.
Действительно, из механики деформируемого тела известно, что ограничения на термической деформации внутренней поверхности кокиля препятствуют менее нагретые участки и менее нагретые слои стенки кокиля [5, с.209]. Материал цилиндрического кокиля в менее нагретых слоях оказывается растянутым.
При этом для обеспечения надежности кокиля важен не только предел кратковременной прочности материала. Ключевую роль играет такая характеристика материала, как относительное удлинение при разрыве. Прочность кокиля будет обеспечена, если относительные термические деформации материала будут меньше, чем относительное удлинение при разрыве.
Противоречие заключается в том, что с увеличением кратковременной прочности высокопрочного чугуна при растяжении уменьшается относительное удлинение при разрыве. Например [2], для чугуна ВЧ40 кратковременная прочность при растяжении равна 400 МПа, относительное удлинение при разрыве 15%; соответственно, для чугуна ВЧ50 эти характеристики равны 500 МПа и 7%; для чугуна ВЧ60, соответственно, 600 МПа и 3%; для чугуна ВЧ70, соответственно, 700 МПа и 2%.
Эти характеристики прочности и удлинения, определенные в нормальных условиях: температура воздуха 20°C, атмосферное давление 760 мм ртутного столба, относительная влажность 60%. С увеличением температуры прочность чугуна уменьшается, что учитывается в расчетах. Прочность чугуна, как материала секций предлагаемого кокиля, в диапазоне температур от 0°C до 50°C определяется кратковременной прочностью при растяжении. Данная характеристика в указанном диапазоне температур остается почти постоянной (в пределах погрешностей эксперимента). С увеличением температуры в процессе заливки расплава чугуна в кокиль температура материала кокиля может достигать 800°C, что приводит к уменьшению его прочности. Данное уменьшение прочности учитывается в расчетах на тепловое воздействие.
Цилиндрический кокиль имеет поперечное сечение в форме замкнутого кольца, что ограничивает деформации материала кокиля как внутренних, так и внешних слоев стенки кокиля. Если при заливке изменение температуры приведет к появлению в стенке кокиля деформаций, превышающих 3% для ВЧ60 или 2% для ВЧ70, то произойдет его разрушение. Таким образом, применение чугуна марок не ниже ВЧ50 в качестве материала цилиндрических кокилей для крупнотоннажных отливок может оказаться недопустимым.
Наиболее близким аналогом предлагаемого технического решения является литейная форма для изготовления толстостенных отливок из чугуна с шаровидным графитом по патенту RU 2440214, состоящая из внешнего бокового кокиля, верхней перекрывающей и нижней опорной полуформ и центрального стержня, образующих полость для отливки, литниково-питающую систему и заливочную чашу, в которой модифицирование производят одновременно смесью микрокристаллических лигатур, состоящей из сплавов Si-Mg, Si-Ba и Si-РЗМ в соотношении 1:1:(0,5-1,0), при этом в литейной форме имеется охлаждаемый центральный стержнь и заливочная чаша, снабженная питателями, перекрываемыми стопорными устройствами, и вмещающая весь необходимый для заливки в форму жидкий чугун, а заливку чугуна в полость литейной формы производят одновременно через все питатели после гомогенизирующей выдержки в заливочной чаше в течение 15 мин.
Однако в данном техническом решении не гарантируется надежность функционирования литейной формы в процессе заливки расплава чугуна, поскольку материал литейной формы не отвечает необходимому для крупнотоннажных отливок условию достаточно высокой кратковременной прочности при растяжении и достаточного относительного удлинения при разрыве.
Технический результат в предлагаемом техническом решении состоит в повышении надежности функционирования составного кокиля для крупнотоннажных чугунных отливок в процессе заливки.
Данный технический результат достигается за счет того, что в составном кокиле для крупнотоннажных чугунных отливок, секции составного кокиля выполнены из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, имеющего кратковременную прочность при растяжении не менее 350 МПа и относительное удлинение при разрыве не менее 12% в диапазоне температур от 0°C до 50°C.
Техническая реализация секции предлагаемого кокиля показана на фиг.1. На фиг.2 показано поперечное сечение кокиля и фланец с отверстиями под болты. На фиг.3 показан кокиль, подготовленный к использованию по его функциональному назначению. На фиг.4 показана извлеченная из кокиля отливка корпуса транспортно-упаковочного контейнера массой 90 т, полученная с применением предлагаемого технического решения как результат его функционирования.
Кокиль включает в себя две или более выполненных в виде колец секций 1 и 2. Внутренняя поверхность секций 1 и 2 покрыта защитной обмазкой (на фиг.1 и фиг 2 не показана). Каждая секция кокиля имеет два фланца (верхний и нижний) с отверстиями под болты. Болты имеют диаметр, например, 30 мм. Секции соединены друг с другом фланцевыми соединениями 3 на болтах. Нижняя секция 1 опирается на металлическую плиту (поддон) 4. Нижний фланец секции 1 имеет соединение 5 с поддоном 4 посредством шпилек, снабженных резьбой под такие же гайки, что и в указанном выше фланцевом соединении 3. Внутри составного кокиля смонтирован буферный стержень 6. Между внешней поверхностью буферного стержня 6 и внутренней поверхностью секций 1 и 2 кокиля имеется пространство, заполняемое в процессе отливки расплавом чугуна. Размеры этого пространства определяются требуемой толщиной стенок и днища контейнера, который имеет форму указанного выше полого снабженного днищем цилиндра, например, из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Расплав чугуна поступает в указанное пространство из литниковой системы 7, а в литниковую систему - из питающей ванны 8. Секции составного кокиля выполнены из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, кратковременная прочность которого при растяжении не меньше 350 МПа и относительное удлинение при разрыве не меньше 12% в диапазоне температур от 0°C до 50°C.
Функционирование предлагаемого устройства. При литье в составной кокиль расплав чугуна непосредственно контактирует с защитным покрытием внутренней поверхности составного кокиля. Передача тепла от расплава чугуна в материал стенок кокиля приводит к повышению его температуры. Изменение температуры приведет в разогретом кокиле к уменьшению модуля упругости материала, к появлению пластических деформаций и к их перераспределению в стенках секций 1 и 2. Перераспределение деформаций и связанных с ними механических напряжений возможно только при достаточно большом значении относительного удлинения материала при разрыве (не меньше 12% для толстостенных цилиндрических кокилей и прочности материала не меньше 350 МПа). Для хрупких (и близких к ним) материалов такое перераспределение невозможно, поскольку при растяжении прочность таких материалов недостаточна и они разрушаются при малых значениях относительной деформации.
Вместе с тем, перераспределение деформаций и связанных с ними напряжений (внутренних сил) приводит к повышению надежности функционирования кокиля. Объясняется этот эффект тем, что за счет перераспределения деформаций напряжения в наиболее нагруженных зонах будут расти медленнее, чем в менее нагруженных зонах. Тем самым достигается более равномерное распределение напряжений по толщине стенки и более эффективное использование прочностных свойств всего объема материала (а не только его сжатых зон), что обеспечит, соответственно, надежность и прочность секций 1 и 2 (фиг.1) составного кокиля в процессе его функционирования при высокотемпературном воздействии при заполнении расплавом чугуна.
Поскольку масса составного кокиля в сборе равна примерно 90 т, то технически и технологически сложно его изготовление без разделения на секции. В целях упрощения процесса изготовления кокиль выполнен составным, состоящим из указанных выше секций с фланцами.
Технический эффект, полученный за счет отличительных особенностей предлагаемого кокиля, подтвержден результатами его практического использования на ЗАО «Петрозаводскмаш» при отливке корпусов транспортно-упаковочных контейнеров для хранения отработавшего ядерного топлива атомных энергетических установок.
Библиография
1. ГОСТ 17819-84. Оснастка технологическая литейного производства. Термины и определения.
2. ГОСТ 7293-85. Чугун с шаровидным графитом для отливок.
3. ГОСТ 52761-2007. Транспортные упаковочные комплекты для радиоактивных материалов. Виды и порядок проведения испытаний, правила приемки.
4. ГОСТ 16262-70*. Формы металлические (кокили). Технические требования.
5. С.Л. Бураков, А.И. Вейник, Н.П. Дубинин и др. Литье в кокиль. Под ред. А.И. Вейника. М.: Машиностроение. 1980. 415 с.
6. Патент RU 2296808, МПК С22С 37/10 (2006.01). Чугун для кокилей. Опубликовано: 10.04.2007.
7. Вульф A.M. Резание металлов. М., 1963. М.: Машиностроение, 1963. 428 с.
8. Патент RU 2440214, МПК B22D 27/20. Способ изготовления толстостенных отливок из чугуна с шаровидным графитом. Опубликовано: 20.01.2012