Анализ технологических мероприятий, направленных на предотвращение горячих трещин на стальных отливках

УДК 621.746.019

Вдовин К.Н., Феоктистов Н.А.

АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕРОПРИЯТИЙ, НАПРАВЛЕННЫХ НА ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ ГОРЯЧИХ ТРЕЩИН НА СТАЛЬНЫХ ОТЛИВКАХ

Аннтотация Рассмотрена методика оценки вероятности образования горячих трещин на стальных отливках при помощи предложенного показателя трещиноустойчивости. Проведена оценка вероятности образования горячих трещин на крупных стальных отливках, при условии заливки через разные варианты литниковых систем и при установке рёбер жёсткости на отливку.

Ключевые слова: крупная стальная отливка, тепловые поля, напряжения, кристаллизация, показатель трещино-устойчивости.

Наиболее распространённой проблемой, с которой сталкиваются специалисты литейных цехов при производстве крупных стальных отливок и которая снижает качество литых заготовок, являются горячие трещины.

Горячие трещины образуются в температурном интервале хрупкости, в котором сплав обладает минимальной пластичностью. Обычно механизм образования горячих трещин представляют следующим образом: при температурах отливки ниже температуры нулевой жидкотекучести образуется кристаллический скелет, сплав начинает давать усадку, теряя способность течь как жидкость и приобретая некоторую прочность. Возникающие при этом напряжения достигают предела прочности сплава при растяжении, вследствие чего происходит образование трещин в отливке [1].

Среди основных факторов, влияющих на образование напряжений в теле отливки, можно выделить следующие:

- податливость формы;

- температура заливки сплава;

- распределение тепловых полей в теле отливки.

На первые два фактора можно оказывать влияние путём технологических мероприятий, а именно: введение добавок в формовочную смесь для улучшения податливости, изготовление полых стержней, болванов; контроль температуры металла в ковше перед заливкой в форму.

На распределение тепловых полей в отливке оказывать влияние гораздо сложнее, но тем не менее возможно путём изготовления различных частей формы с разной теплоаккумулирующей способностью, увеличением интенсивности охлаждения за счёт установки холодильников, а также использованием различных конструкций литниковых систем.

Ещё одним технологическим мероприятием, позволяющим предотвратить образование горячих трещин на крупных отливках, является установка ребёр жесткости. Эти рёбра затвердевают быстрее, чем основная масса металла, тем самым компенсируют возникающие напряжения.

Для оценки склонности отливки к красноломкости, а также эффективности технологических мероприятий, направленных на предотвращение процесса трещинообразования, предложили применять показатель трещиноустойчивости, который в математической форме имеет вид

где пт - показатель трещиноустойчивости, МПа;

о"7"" - минимальный предел прочности при определённой температуре, МПа;

е - относительная суммарная деформация отливки.

Деформация отливки, вызванная усадочными процессами, в различных частях отливки будет идти неодинаково, в зависимости от температуры конкретного участка отливки. Суммарную деформацию отливки можно найти путём сложения величин деформаций отдельных участков с постоянной температурой в пределах рассматриваемого участка.

Для того чтобы найти относительную суммарную деформацию стенки отливки в момент времени т, соответствующий определённой средней температуре отливки, необходимо проинтегрировать произведение градиента температуры на коэффициент термического расширения, являющийся функцией от температуры на условном участке длиной х по всей длине отливки L. Таким образом, относительную суммарную деформацию рассчитывали по выражению

е= ^ДТ

где е - относительная суммарная деформация сечения стенки шлаковой чаши;

L - длина сечения отливки, мм;

ДТ - изменение температуры с момента начала кристаллизации отливки, °С;

а(;) - коэффициент термического расширения при средней температуре (;ср, °С) условного участка dх, 1/°С;

dx - длина условного участка, мм.

Изменение температуры с момента начала кристаллизации отливки можно рассчитать, как разницу

между температурой солидус применяемом стали и средней температурой условного участка в момент времени т.

ДТ Тсол - Тср по dx.

Распределение тепловых полей в теле отливки можно оценивать посредством компьютерного моделирования в специализированном программном обеспечении.

Рассмотрим практическое применение предложенного показателя на примере отливки «Шлаковая чаша» объёмом 16 м. Оценим склонность отливки к трещинообразованию при условии заливки через различные варианты литниковых система, а также при установке рёбер жесткости.

На первом этапе провели моделирование процессов заливки и кристаллизации отливки «Шлаковая чаша» в программном обеспечении LVM Flow.

Результаты моделирования по распределению тепловых полей в теле отливки при условии заливки через различные конструкции литниковых систем представлены в виде цветового кодирования на рис. 1.

В первом случае (рис. 1, а) отливка заливалась через сужающуюся литниковую систему с соотношением суммарных площадей питателей и литника XFnHX : FttX = 1,0 : 1,05; ^пит^лит [2]. При этом на теле отливки наблюдаются три ярко выраженные температурные зоны, наличие которых обусловлено условиями поступления металла в полость формы.

Во втором случае (рис. 1, б) для заливки формы применялась расширяющаяся литниковая система с соотношением суммарных площадей питателей и литника SFHHX : = 2,5: 1,0; ^пит^лит. Кроме того, питатели имели элептическую форму, расширяющуюся кверху, что способствовало снижению скорости истечения металла на выходе из питателей [3].

а б

Рис. 1. Распределение тепловых полей на теле отливки

«Шлаковая чаша»: а - заливка через сужающуюся литниковую систему; б - заливка через расширяющуюся литниковую систему

В третьем случае проводили моделирование процесса заливки и кристаллизации отливки «Шлаковая чаша» с установленными на неё ребрами жёстко-

сти. В качестве конструкции литниковой системы была выбрана расширяющаяся литниковая система с технологическими параметрами: 1^пит : Fл.х. = 2,5: 1,0; ^пит^лих, как в предыдущем случае.

Трёхмерная модель шлаковой чаши и распределение тепловых полей в начальный период кристаллизации отливки в форме представлены на рис. 2.

Рёбра жёсткости

Охладившиеся рёбра жёсткости

а б

Рис. 2. Трёхмерная модель отливки «Шлаковая чаша» (а) и распределение тепловых полей на её поверхности (б) в начальный момент кристаллизации

Для расчёта предложенного показателя трещи-ноустойчивости и оценки влияния технологический мероприятий (конструкции литниковой системы, рёбер жесткости) необходимо знать величины физико-механических свойств стали марки 25Л, из которой отливается «Шлаковая чаша», во всём интервале температур, а именно: предел прочности (МПа), коэффициент термического расширения (1/°С).

Эти исследования проведены, а результаты подробно изложены в источниках [4].

Результаты расчёта предложенного показателя трещиноустойчивости по методике, изложенной выше, представлены графически на рис. 3. Следует отметить, что предложенный показатель был рассчитан для трёх технологических вариантов изготовления отливки «Шлаковая чаша».

Из выражения (1) следует, что чем выше значение показателя трещиноустойчивости, тем меньше вероятность образования горячих трещин на теле отливки. Это обусловлено либо высоким значением предела прочности стали (оВ"т) в самом «горячем» участке стенки отливки - потенциальном участке возникновения трещин, либо низким значением относительной суммарной деформации, обусловленным более рациональным распределением температурных полей в теле отливки.

8,00

? 7,00

(J PS

о 6,00 a s

I £ ъ5-°°

3 g Г ".00

о & d 3,00

о. 1,00 р

0,00

1000 1100 1200 1300 1400 1500

Температура, ~С

Рис. 3. Результаты расчёта показателя трещиноустойчивости: 1 — заливка через сужающуюся литниковую систему; 2 — заливка через расширяющуюся литниковую систему; 3 — заливка через расширяющуюся литниковую систему

Из рис. 3 можно сделать выводы, что в случае заливки «Шлаковой чаши» через сужающуюся литниковую систему вероятность образования горячих трещин на отливке выше, чем в случае заливки через расширяющуюся. Так как именно в этом случае (заливка через сужающуюся литниковую систему) образуется три ярко выраженные температурные зоны (см. рис. 1, а).

В случае установки на отливке технологических ребёр жесткости вероятность образования трещин снижается практически в два раза.

Таким образом, предложенный показатель позволяет:

- оценивать влияние конструкции литниково-питающей системы на тепловое состояние отливки в период её кристаллизации, а следовательно, и деформационно-напряжённое состояние литой заготовки;

- оценивать вероятность образования горячих трещин на отливке при заливке её через тот или иной вариант конструкции литниковой системы;

- разрабатывать на стадии проектирования наиболее рациональную конструкцию литниково-питающей системы, снижающую вероятность образования горячих трещин на теле отливки;

- разрабатывать на стадии проектирования технологические мероприятия, позволяющие снизить вероятность образования горячих трещин на отливке в процессе кристаллизации в форме.

Список литературы

1. Константинов Л.С., Трухов А.П. Напряжения, деформации и трещины в отливках. М.: Машиностроение, 1981. 199 с.

2. Вдовин К.Н., Феоктистов НА. Моделирование процесса заливки и кристаллизации отливки «шлаковая чаша» // Литейщик России. 2012. № 3. С. 12-14.

3. Вдовин К.Н., Феоктистов НА. Моделирование процесса заливки и кристаллизации отливки «шлаковая чаша» (продолжение) // Литейщик России. 2012. № 7. С. 11-12.

4. Вдовин К.Н., Феоктистов Н.А., Пивоварова КГ. Исследование физических свойств углеродистой стали для крупных отливок // Сталь. 2014. № 4. С. 34- 36.

Сведения об авторах

Вдовин Константин Николаевич - д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой литейного производства и материаловедения ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». Тел.: (3519) 29-85-30. E-mail: Vdovin@magtu.ru

Феоктистов Николай Александрович - ассистент кафедры литейного производства и материаловедения ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». Тел.: 8(3519) 29-84-19. E-mail: koljan_87@mail.ru.

INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH

THE ANALYSIS OF TECHNOLOGICAL MEASURES AIMED AT PREVENT HOT CRACKS IN STEEL CASTINGS

Vdovin Konstantin Nikolaevich - D. Sc. (Eng.), Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University. E-mail: Vdo-vin@magtu.ru

Feoktistov Nikolai Aleksandrovich - Assistent, Nosov Magnitogorsk State Technical University. E-mail: koljan 87@mail.ru

Abstract. The method of estimating the probability of formation of hot cracks in steel castings using the proposed measure of trainerstation. The estimation of the probability of hot tre-men in large steel castings, provided the fill through different ways of Gating systems and installation of reinforcing ribs on the casting.

Keywords: large steel casting, thermal fields, voltage, crystallization, the rate of trainerstation.

References

1. Konstantinov P., Trunov A. Napryazheniya, deformatsii i treschinyi v otlivkah. [Stress, strain and cracks in the castings]. Moscow: Mashino-stroenie engineering, 1981, 199 p.

2. Vdovin K., Feoktistov N. Simulation of the filling process and crystallization casting slag bowl. Liteyschik Rossii. [Caster Russia]. 2012, no. 3, pp. 12 - 14.

3. Vdovin K., Feoktistov N. Simulation of the filling process and crystallization casting slag bowl (continued). Liteyschik Rossii. [Caster Russia]. 2012, no. 7, pp. 11-12.

4. Vdovin K., Feoktistov N., Pivovarova K.The Study of the physical properties of carbon steel for large castings. Stal. [Steel]. 2014, no. 4, pp. 34 - 36.

♦ ♦ ♦

УДК 621.742.4 Фирстов А.П.

КИНЕТИКА РЕАКЦИИ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ ЖИДКОГО СТЕКЛА КИСЛОТАМИ В ЩЕЛОЧНОЙ СРЕДЕ

Аннтотация Зависимость скорости от концентрации выражает основной постулат кинетики, а сложные реакции при расчете констант скоростей складывается из расчетов отдельных стадий реакций, по которым, в дальнейшем, судят о порядке реакции или ее отдельных стадий.

Ключевые слова: потенциометрия, кондуктометрия, жидкое стекло, порядок реакции, коагуляция.

Вопрос о порядке реакции коагуляции коллоидных золей интересует специалистов почти век. Мари-ан фон Смолан-Смолуховский в 1916-1918 годах в своих трудах [1, 2] разработал теорию быстрой коагуляции. М. Смолуховский предложил рассматривать процесс коагуляции как попарное слипание частиц, это, в свою очередь, причисляет процесс коагуляции к химической реакции второго порядка. Данное высказывание исходит из малой вероятности одновременного столкновения трех и более частиц.

В свою очередь Айлер Р. [3], изучая коагуляцию дигидроортосиликата натрия с кислотами, говорит о наличии реакции третьего порядка при рН < 2, а при рН > 2 - о наличии реакции второго порядка. Стрел-ко В.В. [4] также признавал возможность альтернативных вариантов механизма реакции полимеризации кремневых кислот.

Важным является установление протекания реакции коагуляции щелочных дигидроортосиликатов натрия и зависимость влияния модуля и концентрации исходных веществ на время отверждения продукта реакции. Данные исследования позволят прогнозировать нахождение необходимого времени потери подвижности системы.

В работе [5] был исследован потенциометриче-ским методом ряд жидких стекол с различным модулем М = от 1,8 до 3,0 и концентрацией от 58,3 до 166,25 кг/м3 (разбавление до плотностей 1050, 1150 и 1200 кг/м3) для нахождения времени потери подвижности системы. Эти исследования позволяют применить для определения порядка реакции «метод подбора уравнений».

Из работ авторов [3,6,7] установлено, что при нейтрализации жидкого стекла кислотами в щелочной среде присутствуют три области. Это буферная область, области медленной и быстрой коагуляции.

Существование трех областей при ходе потен-циометрического титрования не явно видно и границы их размыты (рис. 1).

Рис.1. Потенциометрическое титрование жидкого стекла с М = 2,0 концентрации С = 1,223 моль/л и содержанием SiO2=29,5%. Ыа20=15,03%

Картина реакции немного проясняется при простановке прямой зависимости времени отверждения системы от степени оттитрованности, полученной с помощью программы Statistica 6.0, с доверительным интервалом для уровня значимости а=0,05 (рис. 2).

Как видно из рис.2, прямые уравнения имеют: первый излом при значении 0,2 и 0,24 и второй излом при 0,05 и 0,07 для жидких стекол М=2,0 и М=3,0 соответственно, что соответствует времени три и девять часов (первый излом) и три и восемь с половиной минут (второй излом). Видно, что время значительно влияет на отверждение системы, поэтому имеет смысл к исходным данным добавить еще один фактор, это модуль жидкого стекла.

Добавление третьего фактора скорректировало уравнения, приведенные на графиках рис.2, и уравнение стало иметь следующий вид:

1,65 - 0,142х1 + 14.05х2 ,

где X! - модуль жидкого стекла; х2 - степень оттитрованности.