Стойкость в зависимости от физико-механических свойств материалов

При изготовлении отливок из любых сплавов на рабочей поверхности и стенках вкладышей пресс-форм возникают процессы (термическая усталость, необратимое формоизменение и износ), приводящие к выходу вкладышей из строя. Сопротивление материала пресс-форм указанным процессам определяют длительность их службы. Вышеуказанные процессы протекают одновременно. Скорость протекания этих процессов с повышением температуры контакта увеличивается. При каждом литейном цикле физико-механические свойства материалов деталей пресс-форм изменяются (от значений при Tф до их значений при Тк). В основном механические свойства при Тк определяют стойкость пресс-форм. Механические свойства и стойкость пресс-форм при литье под давлением детали ’’звездочка” во вкладыше и пресс- форме из стали ЗХ2В8Ф и сплава молибдена ЦСДМ приведены в табл. 64. Сплав молибдена при нормальной температуре был совершенно не пластичен, но при температуре контакта 800 °С прочностные и пластические свойства, а также стойкость его выше, чем у стали ЗХ2В8Ф, хотя при нормальной температуре сталь ЗХ2В8Ф имела прочность примерно в три раза выше молибдена.

Механические и физические свойства материалов при нормальной температуре практически не влияют на стойкость пресс-формы. В интервале температурного цикла они могут оказывать влияние на стойкость пресс-форм, но ввиду сложности расчетов это не учитывается в расчетных формулах.

Для сравнительных расчетов значения деформации за цикл ε0 и условные температурные напряжения σтн можно брать минимальные, но при расчете термостойкости острых углов (концентраторов напряжений), где имеет место поперечная и продольная деформации, максимальные.

Таблица 64. Стойкость материалов пресс-форм

Стойкость в зависимости от физико-механических свойств материалов

Для точных расчетов необходимо учитывать изменение коэффициентов Кт, Ксм и Ки, которые зависят от многих факторов и могут определять стойкость пресс-форм. Значения коэффициента Кт зависят от чистоты обработки рабочей поверхности пресс-форм и отливки, от чувствительности материала пресс-форм к концентраторам напряжений. Небольшие риски, надрезы и различные дефекты могут служить концентраторами напряжений и резко снижать термостойкость. Очень острые концентраторы могут снижать термостойкость при литье медных и железных сплавов до минимального значения (Kт близко к нулю). Обычно значение Кт меньше единицы, но при неответственном литье, когда допускается зачистка поверхности отливок наждачным кругом или другими средствами, Кт может быть и больше единицы.

Значения коэффициента Kсм зависят от удельного давления, возникающего в местах смятия, скорости потока жидкого металла в рабочей полости пресс-формы, жидкотекучести металла, ширины зазора перед началом работы и места его расположения и других факторов.

Указанные коэффициенты зависят от специфических условий работы литейного цеха, поэтому их необходимо устанавливать конструктором-технологом в каждом цехе путем анализа работы пресс-форм и прочих условий работы на данном предприятии.

Определяющим процессом при литье сплавов на основе алюминия, магния, меди и железа является термическая усталость, так как она служит причиной забракования большинства пресс-форм из-за появления заливов на поверхности отливок. Необратимое формоизменение проявляется чаще всего в виде появления облоя на отливках вследствие смятия пресс-форм. Этот вид дефекта имеет местный ограниченный характер, поэтому он удаляется различными способами. Но в некоторых случаях размеры облоя более 2-5 мм удаление его нерентабельно, так как требуется дополнительно устанавливать обрубочные пресса.

Износ пресс-форм является основной причиной выхода пресс-форм из строя при литье сплавов на основе цинка и имеет менее существенное значение при литье высокотемпературных сплавов на основе меди и железа, так как они выходят из строя по термостойкости и фор- мостойкости. При литье алюминиевых сплавов пресс-формы часто выходят из строя из-за местного износа вследствие налипания или приваривания.

Изменение стойкости пресс-форм в зависимости от основы сплавов, применяемых для изготовления отливок, по данным отечественных заводов и по данным отечественной и зарубежной технической литературы, приведено на рис.83: для сплавов на основе Pb, Sn, Zn, TПЛ до 500 °С, TК = 200-400 °С; для сплавов на основе Al, Мg, TПЛ = = 500-5- 800 °С, Tк = 400-600 °С; для сплавов на основе Сu TПЛ = 800-1200 °С, Тк=600-800 °С; для сплавов на основе Fe TПЛ = 1200-1600 °С,

Стойкость в зависимости от физико-механических свойств материалов

 

Стойкость в зависимости от физико-механических свойств материалов

Измерение механических свойств проводили на разрывной машине типа ’’инстрон” модель 1115. Образцы диаметром 10 мм и высотой 15 мм, изготовленные из литых заготовок опытной плавки 12 имели следующий химический состав, % (по массе): углерод-0,45; марганец- 0,4; кремний - 0,4; хром - 5; молибден - 1,2; ванадий - 1; алюминий - 0,5; цирконий - 0,3; бор - 0,01; сера - 0,02; фосфор - 0,02.

Образцы опытной стали подвергались термообработке по режимам согласно плану-матрице (табл.66).

В целях получения сопоставимых данных, в идентичных условиях испытаны и образцы проката марки 4Х5МФС, термическая обработка которых заключалась в нагреве до 850 °С, далее до 1000°С (выдержка соответственно 1,0 и 0,5 ч), охлаждении в масле и последующем отпуске при 620 °С с охлаждением на воздухе.

Исследуемый образец помещали в герметичную камеру машины ’’инстрон”, нагревали до температуры 700±10°С. Время нагрева образца выдерживали постоянным (0,5 ч). Затем образец сжимали со скоростью 2 мм/мин. Пластическую деформацию каждого образца доводили до величины 4 % и фиксировали на диаграмме. После снятия нагрузки производили охлаждение камеры с образцом до 100 °С и вскрытие ее. В ответственных случаях опыты, неоднократно дублировали.

Стойкость в зависимости от физико-механических свойств материалов

Результаты испытаний образцов обрабатывали, рассчитывая предел пропорциональности, предел текучести, напряжение при одном, двух, трех и четырех процентах пластической деформации образца в процессе сжатия (табл.67).

Расчет прочностных характеристик проводили по общеизвестной формуле:                σ=p/S0,

где р - нагрузка, приложенная к образцу; S0 - площадь поперечного сечения образца до испытаний, мм2.

Таблица 67. Механические свойства опытной стали

Стойкость в зависимости от физико-механических свойств материалов

 

Стойкость в зависимости от физико-механических свойств материалов

По результатам испытаний построено семейство кривых зависимости напряжений от пластических деформаций при температуре 700 °С (рис.85). Рассмотрение приведенных на рисунке зависимостей показывает, что семейство кривых можно разграничить на три группы: кривые первой группы после термообработки образцов по режимам №№1, 9, 19, 25 имеют высокие значения как упругих (σпц = 290- 580 МПа), так и прочностных характеристик (σт = 330-610 МПа). Наилучшую стабильность прочностных свойств обеспечивает режим № 1 (σт = 610МПа). При изменении деформации от 0,2 до 4% упрочнение стали До характеризуется изменением напряжения деформации от 610 до 730 МПа, что составляет всего 20% от предела текучести образца при сжатии.

Испытания образцов второй группы после режимов №№ 3, 7, 14, 16, 21 показывают более низкие значения упругих (от 2,6 до 2,8 раза) и прочностных (от 1,7 до 2,6 раза) свойств, чем первая группа.

Способность сталей этого семейства к упрочнению характеризуется изменением напряжений от 140 до 467 МПа при увеличении деформации от 0,2 до 4 % соответственно, что составляет более 300 % относительно величины предела текучести при сжатии.

Третья группа образцов имеет самые низкие значения прочностных характеристик (σт = 140-ь216 МПа), что в 2,5 раза меньше, чем у образцов первой группы кривых.

Сравнение упругих и прочностных свойств образцов опытной стали, обработанных по режимам первой группы, со свойствами проката из стали марки 4Х5МФС показывает, что свойства у лучшего образца из литой заготовки после термообработки по режиму 1 соответственно в 2,7 и 2,8 раза выше, чем у деформированной стали серийного производства.

Наибольшие величины прочностных и упругих свойств получены при температуре закалки образцов литой стали 900, 1050 °С. Получили значительно меньшие (в 3 раза) величины указанных свойств, чем в первом случае.

Закалка образцов от температур 1050 и 1100°С приводит к лучшим значениям свойств стали несколько большим, чем при 950- 1000°С, но тем не менее в 1,2 и 2 раза соответственно ниже, чем при 900 °С.

Таким образом, температура закалки 900 °С для достижения максимальной прочности (от) при допустимой деформации 4% является оптимальной.

Выявлено уменьшение упругих и прочностных свойств образцов стали с увеличением времени выдержки при закалке от 18 до 42 мин.

Причем максимальные значения указанных свойств отмечены при минимальном для эксперимента времени выдержки, равном 18 мин, а наименьшие значения указанных свойств получены при 30 мин выдержки.

При увеличении скорости закалки, изменение которой реализовали применением различных закалочных сред, происходит уменьшение упругих свойств и предела текучести.

Наибольшие значения этих свойств стали зафиксированы при охлаждении образцов на воздухе, наименьшие (три раза) - при охлаждении в растворе щелочи.

Рассматривая влияние среды нагрева при закалке на величину упругих и прочностных свойств стали, необходимо отметить, что наибольшие значения этих свойств получили при нагреве образцов в открытой атмосфере (в воздухе), а наименьшие - в сильно окислительной среде, реализованной нагревом образцов в контейнере с железной рудой. Уровень механических свойств стали после нагрева под закалку в слабо восстановительной среде (в контейнере с «угунной стружкой) занимает промежуточное положение.

С увеличением температуры отпуска от 300 до 500 °С наблюдается значительное (почти в три раза) уменьшение прочностных свойств образцов стали, далее с увеличением температур отпуска наблюдали некоторое увеличение свойств, но оно примерно в 1,5 раза меньше, чем при 300 oС.

Среда охлаждения при отпуске также влияет на свойства стали. Так, при охлаждении на воздухе получили максимальные значения свойств, а при охлаждении в печи, масле и воде отмечали, в целом, их значительное уменьшение (в три, раза) по сравнению с воздухом.

Таким образом, с целью достижения наивысших механических свойств новой стали получены следующие оптимальные режимы термообработки:

  1. Нагрев под закалку до 850 °С, выдержка 1 ч, далее нагрев до 900 °С (в атмосфере воздуха), затем выдержка 18 мин на каждые 10 мм сечение заготовки, охлаждение - на воздухе, отпуск при 300 °С, охлаждение на воздухе. (Рекомендуется для мелких заготовок).
  2. Нагрев под закалку до 850 °С, выдержка 1 ч, затем новый нагрев до 1050 °С (оба нагрева в атмосфере воздуха), далее выдержка 24 мин на каждые 10 мм сечения заготовки, охлаждение в эмульсии; отпуск при 600 °С, охлаждение с печью до температуры заготовки не выше 200 °С. (Рекомендуется для крупных заготовок).
  3. Нагрев под закалку до 850 °С, выдержка 1 ч, затем новый нагрев до 1100 °С (оба нагрева в атмосфере воздуха), далее выдержка 36 мин на каждые 10 мм сечения заготовки, охлаждение в масле; отпуск при 700 °С, охлаждение в эмульсии.

Смотрите также