Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования... 8
1.1. Анализ номенклатуры мелющих тел 8
1.2. Состав, структура и области применения чугунов 11
1.2.1. Классификация чугунов 11
1.2.2. Структура чугуна 15
1.3: Методы штамповки кристаллизующегося металла 18
1.4. Механизм образования дефектов структуры при первичной кристаллизации металлов 25і
1.4 1. У садка металлов и сплавов 25
1.4.2. Влияние механизма затвердевания на возникновение рассеянных усадочных микрораковин 28
1.4.3: Пути повышения сплошности заготовок 33
1.4.3.1. Увеличение скорости затвердевания 35
1.4.3.2. Нарушение условий кристаллизации 43
1.4.3.3 Уменьшение газосодержания изделий 47
1.4.3:4. Повышение давления на расплав в процессе кристаллизации 55
1.4.3.5. Изменение условий графитизации чугуна 58
1.5: Задачи исследования 64
2. Моделирование тепловых процессов при штамповке кристаллизующегося металла 65
2.1. Математическая модель процесса затвердевания расплава 65
2.2. Модель тепловых процессов в системе «расплав твердая корка штамп» 66
2.3. Допущения при анализе математической модели переноса тепла при затвердевании поковки 72
2.4 Модель процесса затвердевания расплава с учетом конвективных процессов на границе раздела жидкой и твердой фаз 76
3. Оценка влияния технологических параметров на штамповку кристаллизующегося металла 81
3.1. Температура заливаемого металла 81
3.2. Температура инструмента 85
3.3. Математическая модель распространения тепла в системе «поковка - штамп» 93
3.4. Давление на металл в процессе кристаллизации 99
3.5. Продолжительность кристаллизации под давлением 110
3.5.1. Время охлаждения перегретого расплава 111
3.5.2. Время затвердевания поковки 120
4: Экспериментальные исследования структуры и основных механических характеристик поковок шаров; полученных штамповкой кристаллизующегося чугуна 132
4.1. Экспериментальная штамповка шаров 132
4.2. Исследование структуры материала поковок 142
4.3. Экспериментальное определение механических характеристик 151
4.3.1. Твердость поковок 151
4.3.2. Плотность металла поковок 155
43.3. Прочностные характеристики 157
4.4. Рекомендации по промышленной реализации технологии; штамповки мелющих шаров из кристаллизующегося под давлением чугуна 160
5. Численный экспериментпо оценке влияния дефекта на эксплуатационные характеристики шаров 164
5.1. Силовые параметры соударения шаров 164
5.2. Моделирование напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов 171
5.3. Параметры допустимого дефекта структуры 177
Общие выводы 184
Список использованной литературы 186
Приложение 196
- Состав, структура и области применения чугунов
- Модель тепловых процессов в системе «расплав твердая корка штамп»
- Математическая модель распространения тепла в системе «поковка - штамп»
- Экспериментальное определение механических характеристик
Введение к работе
Актуальность работы. Используемые в шаровых мельницах мелющие тела могут иметь различную форму и изготавливаться из разных материалов. Номенклатура мелющих тел, используемых в настоящее время при размоле руд, угля, клинкера и других материалов, регламентирована государственными стандартами и техническими условиями заводов-изготовителей. В качестве материалов при производстве мелющих тел используется серый чугун, а при повышенных требованиях к изделиям -сталь. Наибольшим распространением пользуются мелющие тела в виде шаров, имеющих относительно простую форму и изготавливаемых из чугуна, как наиболее дешевого материала.
Технологическим процессом изготовления чугунных мелющих тел является, в основном, литье в песчаные формы или металлические кокили. Благодаря работам Гиршовича Н.Г., Спасского А.Г., Сергеева П.С., Не-хендзи Ю.А., Баландина Г.Ф., Вейника А.И. и других отечественных и зарубежных авторов создана тепловая теория литейных процессов, теория формирования кристаллического строения отливок, что позволило разработать и с успехом использовать в производстве множество технологических процессов изготовления отливок из различных материалов, в том числе и процессов литья под давлением. Однако эти процессы не лишены недостатков. Отливки могут иметь в своей структуре пороки в виде сосредоточенных усадочных раковин и микропор, образуемых литейными газами при кристаллизации. Необходимость массивной литниковой системы не позволяет изготавливать мелющие тела с высоким коэффициентом использования металла, который не превышает 0,40 0,55. С другой стороны, наличие литейных пороков существенно снижает механические характеристики мелющих тел, что негативно влияет на сроки их службы.
РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ і БИБЛИОТЕКА \
БЛ пиісьл і
Рациональное использование металла во многом определяется применением в машиностроении альтернативных методов получения заготовок, в частности, жидкой штамповки или штамповки кристаллизующегося металла.
Фундаментальные и прикладные исследования, проведенные в работах Пляцкого В.М., Полухина П.И., Деордиева Н.Т., Батышева А.И., Лип-чина Т.Н., Новрузова Г.Ф., Гришина Л.Г., Кирдеева Ю.П., Ракогона А.И. и других ученых, позволили внедрить в производство процессы штамповки кристаллизующегося металла. Точная дозировка расплава позволяет упразднить литниковую систему, минимизировать припуски на механическую обработку при изготовлении поковок, тем самым повысить коэффициент использования металла до 0,93. Приложение внешнего давления в период кристаллизации поковки полностью устраняет газовую пористость, подавляет реакцию графитизации чугуна, повышает механические характеристики и твердость штампуемых поковок, а также существенно увеличивает скорость кристаллизации, что благоприятно сказывается на стойкости рабочих деталей штампов.
Однако влияние основных технологических параметров штамповки кристаллизующегося металла на свойства получаемых поковок изучены не в полной мере, так как процессы, связанные с фазовыми превращениями при кристаллизации, являются сложными и нестабильными, напрямую связанными с изменяющимися условиями теплообмена поковки с рабочими деталями штампа. В связи с этим разработка и исследование процессов штамповки кристаллизующегося металла является актуальной научной проблемой.
Цель работы. Изготовление штамповкой кристаллизующегося металла мелющих шаров из чугуна, обладающих повышенными механическими и эксплуатационными характеристиками.
Методы исследований. Тепловые поля поковки исследовались методами классической теории теплообмена. В качестве метода численных экспериментов применялся метод конечных элементов. Методами теории упругости и ударных систем исследованы эксплуатационные характеристики мелющих тел. Анализ экспериментальных данных осуществлялся с помощью методов математической статистики.
Разработанные теоретические положения подтверждены экспериментом и успешным использованием в производстве эффективного технологического процесса.
Научная новизна состоит:
в разработанной математической модели теплообмена, учитывающей влияние переходных процессов на границе жидкой и твердой фаз;
в экспериментально установленной взаимосвязи внешнего давления с условиями возникновения дефектов при штамповке кристаллизующегося чугуна.
Практическая значимость состоит в разработке рекомендаций по выбору основных технологических параметров штамповки кристаллизующегося чугуна при изготовлении мелющих шаров.
Апробация работы. Основные положения и наиболее интересные результаты работы доложены и обсуждены на II Международной конференции «Механика пластического формоизменения. Технологии и оборудование ОМД» (г. Тула, ТулГУ, 2004 г.), на Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии НМТ-2004» (г. Москва, МЛТИ, 2004 г.), на Седьмой районной научно-практической конференции учащихся, студентов и молодых ученых (г. Егорьевск, 2004 г.), на 49-й Международной научно-технической конференции «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров» (г. Москва, МГТУ МАМИ, 2005 г.), на VIII Международной научно-практической конференции «Наука и образование -2005» (г. Белгород, 2005 г.), на Международном научно-техническом семинаре «Конкурентоспособность машиностроительной продукции и производств» (г. Москва, МГТУ «Станкин», 2005 г.), на Международной научно-технической конференции «Новые методы и средства исследования процессов и машин обработки давлением» (Украина, г. Краматорск, ДГМА, 2005 г.), на Всероссийской научно-технической конференции «Теплофизика технологических процессов» (г. Рыбинск, РГАТА им. П.А.Соловьева, 2005 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 11 печатных работах.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 199 страницах машинописного текста, содержит 103 рисунка, 24 таблицы, список использованной литературы из 108 наименований.
Состав, структура и области применения чугунов
Чугуны — широко применяемый материал для литых деталей, используемых при относительно невысоких напряжениях и малых динамических нагрузках. К преимуществам чугуна можно отнести высокие литейные свойства и небольшая стоимость, по сравнению со сталью. Температуры плавления чугунов значительно ниже, чем у стали на 573 — 673К (300 - 400С), что облегчает процесс литья. Ликвация в чугунах, также меньше, чем у стали. Кроме того, чугуны, в структуре которых при затвердевании образуется графит (фаза с большим удельным объемом, чем у металлической основы), имеют низкий коэффициент усадки.
Чугуны с графитом, как мягкой и хрупкой составляющей, хорошо обрабатываются резанием с образованием ломкой стружки и получают более чистую поверхность, чем стали (кроме автоматных). Чугуны имеют повышенное содержание углерода (2,2-4 %). и. кремния (0,8-2 %) -элементов, способствующих графитизации. Однако в марках чугуна химический состав не указывается, так как этот признак не характеризует в достаточной степени их свойства. Структура и свойства чугунов зависят главным образом от условий получения отливки: температуры жидкого металла, введения модификаторов и особенно значительно от условий охлаждения при литье. Поэтому при одинаковом химическом составе чугун может иметь сильно отличающиеся структуру и свойства, например, белый и серый чугуны.
Механические свойства чугуна, определяющие область его применения, в значительно большей степени характеризуются его структурой: формой и размерами выделения графита; строением металлической основы. По этому признаку различают чугуны, приведенные в табл. 1.3 [10].
Серый чугун в своей структуре содержит графит пластинчатой формы (рис. 1.3) [10]. Отливки из этого чугуна получают в земляных и металлических (чугунных) формах — кокилях. С увеличением толщины отливки и, следовательно, с замедлением охлаждения и при повышенном содержании кремния образуется больше графита и его пластинки крупнее, а в металлической основе возрастает количество феррита. У отливок меньших размеров и при пониженном содержании кремния или, соответственно, при более высоком содержании марганца, количество графита уменьшается, а металлическая основа становится феррито-перлитной и перлитной, что повышает прочность. Однако их механические свойства, особенно пластичность, ниже, чем у других чугунов с графитом (табл. 1.3). Серые чугуны используют для деталей менее ответственного назначения и при отсутствии ударных нагрузок.
Ковкий чугун имеет в структуре графит хлопьевидной формы (рис. 1.4) [ 10] и в связи с этим более высокие механические свойства, прежде всего пластичность.
Чугуны с более высокими свойствами выплавляют в электрических печах, что позволяет уменьшить в них содержание углерода и полнее удалить серу и фосфор. Все ковкие чугуны содержат, кроме того, меньше кремния. В отливке они должны получать структуру белого доэвтектического чугуна. Отливки должны быть сравнительно небольшими, чтобы задержать графитизацию при ускоренном охлаждении. Последующая графитизация отливок для получения окончательной структуры с хлопьевидным графитом и повышенных механических свойств происходит при нагреве до 1223 - 1253К (950— 980С), т.е. в твердом состоянии ив процессе медленного охлаждения. Это требует длительного времени: до 50-—100 ч. Ковкие чугуны более целесообразно использовать для тонкостенных деталей.
Высокопрочный чугун имеет графит шаровидной формы (рис. 1.4) [10] что в меньшей степени нарушает сплошность металлической основы.
Прочностные свойства этих чугунов не уступают углеродистым конструкционным сталям, подвергаемым термической обработке, но пластичность высокопрочных чугунов, ниже, чем у стали и у ковкого чугуна. Высокопрочные чугуны получают модифицированием магнием (или церием) в ковше жидкого чугуна, выплавляемого в электропечах и в вагранке с охлаждением, как и серых чугунов, в земляных и металлических формах. Использование в промышленности высокопрочных чугунов, главным образом для массивных отливок, из-за повышенных механических свойств возрастает за счет серых чугунов.
Отбеленный чугун имеет в сердцевине структуру серого или высокопрочного чугуна, а в поверхностном слое повышенной твердости (НВ450—550) - ледебурит и перлит. Это создает высокую износостойкость, но резко ухудшает обрабатываемость резанием. Отбеленный чугун используют в ограниченных пределах для деталей простой формы, получающих чистую поверхность при литье в металлические кокили, т.е. в условиях ускоренного охлаждения поверхностных слоев отливок.
Белый чугун имеет структуру перлит и цементит по всему сечению, или на большую глубину, и, как правило, доэвтектический. При высокой износостойкости и твердости, но плохой обрабатываемости резанием белые чугуны имеют сильно сниженные механические свойства и почти не применяются.
Химический состав и, в частности, содержание углерода не характеризуют свойств чугуна: его структура и основные свойства зависят не только от химического состава, но и от процесса выплавки, условий охлаждения, отливки и режима термической обработки. Свойства чугуна определяются его структурой.
Белый чугун. В структуре доэвтектического чугуна наряду с перлитом и вторичным цементитом присутствует хрупкая эвтектика (ледебурит), количество которой достигает 100 % в эвтектическом чугуне. Структура заэвтектического чугуна состоит из эвтектики (ледебурит) и первичного цементита, выделяющегося при кристаллизации из жидкости в виде крупных пластин.
Серый чугун. Зависимость свойств серого чугуна от структуры значительно сложнее, чем у стали, так как его структура состоит из металлической основы и включений графита, вкрапленных в эту основу. Для характеристики структуры серого чугуна необходимо определять размеры, форму, распределение графита, а также структуру металлической основы.
Модель тепловых процессов в системе «расплав твердая корка штамп»
Для нахождения температурных полей в расплаве Tj(x,r)9 твердой корке Т2(х,т) ив штампе Т3(х,т) необходима система дифференциальных уравнений теплопроводности Фурье в виде [4]: а - - коэффициент температуропроводности, м /с; с —удельная теплоемкость вещества, Дж/(кгхК); V - оператор Гамильтона, м 1. В цилиндрической системе координат для осесимметричной задачи оператор Лапласа выражается [41]: дх дг\ дг j при /сЮ и г=х - тепловой поток в бесконечной плите; при к=1 —поток в бесконечном круговом цилиндре; при к=2 — поток в шаре. Для рассматриваемой системы «расплав - твердая корка - штамп» уравнения теплопроводности можно представить [25]: IV рода — при JC=0, т.е. на поверхности контакта затвердевающей поковки и штампа: Уравнение И.Стефана здесь — удобное описание условий IV рода на границе «расплав - твердая корка»: при Х=С(х) [25]:. а также Представим систему дифференциальных уравнений; (2.10) в обобщенном виде: где /=1,.2, 3 соответственно для расплава, твердой корки и штампа. Введем новую переменную ut 0,5х / -Ja x; здесь /=1, 2, 3, если при j-З принять х. Получим вместо дифференциального уравнения в частных производных уравнение в обыкновенных производных: решением которого является: где bt = Лі/yfa = 4&їіРі коэффициент тепловой аккумуляции расплава (/=1), твердой корки (г—2) и штампа (і—3). Формулу (2 Л 8) получил Й. Стефан в результате решения рассмотренной задачи для случая, когда задана любая температура Т„ = const на поверхности затвердевающего перегретого расплава при условии, что Т„ Тц,. Для определения множителя m получено уравнение [25], которое является частным случаем (2.23): Г.Ламе и Б.Клапейрон решили эту задачу при условии, что перегрев затвердевающего расплава отсутствует, т.е. Тзая - Ткр= 0. Для определения множителя m было получено уравнение (2.24), но только вычитаемого в правой части: Формулу (2.18) в технической литературе [18,25] называют законом квадратного корня. Эту формулу и, следовательно, производную правой ее части по времени [25]: несмотря на то, что она найдена для случая затвердевания полупространства, т.е. для отливки бесконечной толщины, до сих пор используют в технологических расчетах при проектировании производственных процессов литья фасонных отливок. Допущение 1. Неоднородность температурного поля по сечению поковки пренебрежимо мала, т.е. Т = 0 и, следовательно, Т}(х,т)= Т}(х). Допущение 2. Охлаждение залитого в штамп перегретого расплава происходит во всем его объеме одновременно. Допущение 3. Во время затвердевания и последующего охлаждения поковка отдает теплоту по закону Ньютона в среду, имеющую постоянную температуру Тс, т.е. ЗТС = 0 - неоднородность температурного поля по сечению штампа незначительна ив расчетах ее можно не учитывать. Для упрощения выражений (2.19), (2.20), (2.22) и (2.25) разложим экспоненту в числителе и функцию ошибок в знаменателе в степенные ряды вида [41]: корки и носит название второго метода А.С.Лейбензона [25]. Согласно тепловой теории А.И.Вейника [42] рост толщины корки произошел, вследствие отвода количества теплоты dQ в окружающую затвердевающий расплав среду, которая обеспечивает J„=const. Это количество теплоты складывается из двух элементов: dQ="dQKp+dB. (2.35) За время dr роста корки на толщину d f выделяется скрытая теплота кристаллизации в количестве Lp2F d и, во-вторых, при переходе слоя d f расплава в твердое состояние уменьшается энтальпия этого слоя на {с\Р\-с2Р2 У кр о -Таким образом, где FQ — площадь поверхности затвердевающего тела. За время dr вследствие понижения температуры части d твердой корки, уменьшается ее энтальпия на величину [42]: Количество теплоты dQ, которое за время dr уходит с поверхности заготовки в окружающую среду, должно отвечать закону теплопроводности Фурье [25]: При заполнении штампа происходит, интенсивная циркуляция расплава в полости матрицы, что приводит к выравниванию температуры расплава по всему его объему. Условимся рассматривать процесс затвердевания расплава с момента тзая- с момента окончания заполнения штампа, т.е. условимся, что расплав за время операции заливки не успевает потерять весь перегрев, и Тп ТЕ. В дальнейшем вынужденная циркуляция расплава затухает, останется менее интенсивная естественная: конвекция, вызванная охлаждением расплава у поверхности штампа. Температурное поле в объеме расплава станет неоднородным: температура у поверхности будет ниже, чем в центре. Затем, в момент времени т} температура у поверхности приобретает значение, равное температуре кристаллизации эвтектического сплава 7, и начнется рост твердой корки. Специфической особенностью процесса затвердевания эвтектики являет выделение скрытой теплоты кристаллизации при постоянной температуре ТЕ. Продвижение твердой корки происходит за счет срастания кристаллов, которые зарождаются и растут впереди нее (см. рис, 1.17), т.е. в слое расплава, имеющего температуру между температурами ликвидуса и солидуса данного сплава. Таким образом, затвердевание расплава развивается последовательно и та часть заготовки, температура которой в данный момент времени ниже температуры ТЕ, должна быть твердой. Так как охлаждение расплава происходит в результате отдачи тепла штампу, то прежде других температуры кристаллизации достигает расплав у поверхности матрицы. Естественно, что слои расплава, прилежащий к поверхности матрицы, затвердевает в первую очередь. Распространение зоны затвердевания происходит в направлении термической оси заготовки, как показано на рис. 1.18. На рис. 2.3. [25] изображена схема изменения температур в расплаве и твердой корке для момента времени т} т т . т2—время завершения кристаллизации. В этом случае процесс затвердевания описывается уравнением (2.5) с условием равенства температур на границе раздела фаз: Для учета конвективного теплообмена на границе раздела фаз в уравнение плотности теплового потока от перегретого расплава к твердой корке (2.4) вместо коэффициента молекулярной; теплопроводности неподвижного расплава Х0 следует подставить эффективное значение, учитывающее конвекцию расплава Xj [25,45]. Для вычисления значения Х} коэффициент теплоотдачи конвекцией от расплава к твердой корке ои можно представить как разность между эффективной и молекулярной теплопроводностями расплава [25]: Следовательно, искомое выражение для эффективного значения коэффициента теплопроводности [25,43] толщины); I - размер тела, для которого определено значение коэффициента в эксперименте;
Математическая модель распространения тепла в системе «поковка - штамп»
Влияние температуры штампа сказывается, на параметрах шероховатости поверхности поковок, величине температурного напора, а значит и стойкости инструмента.
При температуре нагрева штампа ниже 323К жидкий металл, соприкасаясь с рабочей поверхностью инструмента, интенсивно охлаждается, быстро образуя кристаллическую корочку, насыщенную окисными пленами. Для деформации этой корочки необходимы большие технологические силы.
Чрезмерный нагрев штампа приводит к привариванию или - 86 налипанию металла, например при работе с алюминиевыми сплавами нагрев штампа выше 573К приводит к алитированию рабочей поверхности инструмента.
Авторы работы [50] экспериментально определяли температуру рабочих деталей штампа при жидкой штамповке поковок из стали 45 типа сплошного цилиндра и стакана. Температура подогрева инструмента рекомендована в следующих пределах: 613 — 653К - для сплошного цилиндра и 523 - 573К — для полой поковки. Штамп изготавливали из стали ЗХ2В8. Характеристики температурного режима работы инструмента в процессе штамповки снимались хромель-алюмелевыми термопарами, вмонтированными в различные точки по его сечению. Влияние технологических параметров на температурный режим работы инструмента оценивалось по температуре разогрева поверхностных слоев. Предельно возможный разогрев будет в том случае, когда температура поверхности заготовки в момент приложения давления достигнет температуры заливки металла в штамп.
Температуру разогрева поверхностных слоев инструмента предложено оценивать с известным- приближением как температуру контакта по формуле [50]:
Новрузов, Г.Д. [49], проведя экспериментальные исследования по штамповке деталей из жидкого чугуна, пришел к выводу о том, что температурный интервал предварительного подогрева инструмента должен лежать в пределах 550 - 580К. В этом случае не наблюдалось расслоений во фланцевой части поковок.
При штамповке из жидкой стали 5ХНТ элементов штампов авторы работы [51] рекомендуют предварительный нагрев пресс-форм до 473К.
Исследования структуры стали 4Х5В2ФС, прессованной при кристаллизации, проведенные в работе [52], показали, что при температурах предварительного нагрева инструмента 653 — 673К в сочетании с другими технологическими параметрами можно получить мелкозернистую структуру поковок по всему объему.
Работа [53] посвящена исследованию влияния температуры нагрева штампа при жидкой штамповке стали на макроструктуру получаемых поковок. При ТШ=493К заготовки имеют дендритную структуру с относительно грубым столбчатым строением. При повышении температуры ТШ=550К равноосные зерна занимают более 50% объема поковки, что повышает механические свойства изделий.
Авторы работы [54] связывают температуру поверхности пресс-формы в процессе работы с, температурой разогрева формы перед заливкой штампуемого металла, рекомендуя вторую считать оптимальной в интервале температур 563 - 573К. Те же авторы в работе [55] при жидкой штамповке бронзы Бр АЖ9-4 проводили подогрев инструмента в интервале температур 573 - 593К.
Качественные заготовки из меди получены Батышевым А.И. [56] при, температурах нагрева пресс-форм до 433 - 473К.При: изготовлении штампов прессованием кристаллизующегося металла подогрев пресс-формы по данным работы [57] осуществляли до Т=473 - 573 К, а при точном литье [58] интервал температур сужается Т=473-523К.
Разброс рекомендуемых температурных интервалов подогрева штампов во многом объясняется различиями в температуре заливки, поскольку каждый конкретный сплав имеет свой температурный интервал затвердевания.
Итак, стойкость инструмента в значительной степени зависит от регулирования теплового режима штампа в различных его слоях, начиная от рабочей поверхности, соприкасающейся с жидким металлом, и кончая наружной поверхностью.
Правильный нагрев штампа предохраняет залитый металл от быстрого затвердевания по периферии и дает возможность получить поковки с удовлетворительной чистотой поверхности и без внутренних пороков на участках близких к периферии.
Температура нагрева: штампа при штамповке кристаллизующегося металла в процессе работы стремится к определенному значению, которое зависит от времени технологического цикла, времени нахождения жидкого металла в штампе, металла и массы поковки, размеров и конструкции штампа.
Если количество теплоты, полученное штампом от охлаждающейся поковки больше количества тепла отводимого от штампа в атмосферу, то это приводит к перегреву инструмента выше допускаемой температуры. Для устранения этого и для обеспечения бесперебойной работы необходимо устройство в штампах водяного охлаждения, либо увеличение времени технологического цикла [59].
Если количество теплоты, полученное от поковки меньше количества тепла отводимого в атмосферу, то штамп чрезмерно переохлаждается, и его необходимо подогревать в процессе работы. Для определения установившегося значения температуры штампа, в процессе работы необходимо выполнить расчет теплового баланса.
Как известно, температурный режим штамповки определяется количеством теплоты, перешедшим в инструмент за один цикл, и длительностью активного взаимодействия с учетом термического сопротивления пограничного слоя. Это количество теплоты можно определить, используя зависимость [60]:
Очевидно, что ограничение влияния циклического температурного воздействия со стороны штампуемого металла на инструмент может быть достигнуто за счет:- уменьшения времени контакта;- уменьшения температурного напора;- нанесения теплоизоляционных прослоек в виде технологических смазок.
Возможность изменения времени контакта ограничена, так как эта составляющая времени цикла определяется спецификой штамповки, связанной с окончанием процесса кристаллизации металла по всему объему заготовки. Однако в некоторых пределах время контакта можно снизить, увеличив скорость затвердевания путем интенсивного стока тепла в инструмент.
Снизить величину теплового напора AT можно либо уменьшением температуры расплава, но не ниже температуры кристаллизации Ткр, либо обеспечением подогрева рабочих деталей штампа. Рис. 3.2. иллюстрирует изменение температуры контактной поверхности инструмента от температуры заливки.
Экспериментальное определение механических характеристик
Измерение твердости проводили по способу Роквелла, методика которого установлена ГОСТ 9013-59 [91]. Индентором в этом случае служит алмазный конус, имеющий угол при вершине 120, или стальной шарик диаметром 1,575 мм, твердость определяют по величине обратной глубине вдавливания h (рис. 4.17).
Твердость измеряют с помощью твердомера Роквелла, общий вид которого показан нарис. 4.18.
Вращая маховик подъема стола, осуществляют предварительное нагружение образца силой Р0=98 Н (10 кг), при этом индентор вдавливается на глубину ho. Затем испытуемому образцу сообщают основную нагрузку.
Поскольку чугунные шары вследствие сквозного отбела поковок имеют повышенную твердость, измерения проводили по шкале С. На образцах для проведения испытаний выполнялась плоская площадка длявдавливания индентора, как показано на рис. 4.19.
Расстояние от центра отпечатка до края образца или до центра другого отпечатка было не менее 1,5 мм при вдавливании конуса. Твердость измерялась не менее чем в трех точках на каждом образце. Для
Анализ результатов измерения твердости показывает, что приложение высоких давлений к расплаву чугуна, способствует измельчению зерна при кристаллизации и, тем самым, увеличивает твердость поковок на 9%, по сравнению с обычными условиями.
Полученная структура белого чугуна, обладающая твердостью 49 HRC3, позволяет отнести шары к мелющим телам повышенной твердости в соответствии с ГОСТ 7524-89 [9]. Такая структура, наряду с повышенной твердостью, должна обеспечивать также высокий уровень плотности и прочностных характеристик. Для подтверждения гипотезы необходимо провести ряд испытаний по определению этих характеристик.
Измерение плотности поковок является простым способом определения наличия в структуре усадочных раковин и микропор.
Метод измерения плотности, который использован в эксперименте, основан на законе Архимеда [72]:где mt - масса тела на воздухе, кг;т2 - масса тела в воде, кг;mw- масса воды, вытесненной телом, кг.
Взвешивание поковок проводилось с помощьюусовершенствованных гидростатических весов Ершова (рис. 4.21) соответственно на воздухе и под водой.
В связи с изменением структуры и устранением основных пороков в виде усадочной пористости, присущих технологии литья, наблюдается увеличение плотности материала шаров, изготовленных из жидкого чугуна с кристаллизацией под давлением (рис. 4.21).Технологический процесс
Рис. 4.21. Сравнительная диаграмма плотности поковок 4.3.3. Прочностные характеристики
Для определения механических характеристик относительно хрупких материалов, таких как чугун, проводят статические испытания на сжатие в соответствии с ГОСТ 25.503-80 [92]. Стандарт распространяется на черные и цветные металлы и сплавы и устанавливает типы и размеры образцов для проведения испытаний.
Из поковок шаров вырезались образцы диметром 0 10 мм с допустимым отклонением на перпендикулярность 0,01 мм. Шероховатость торцевых и боковой поверхности должна быть не более Ra=l,25 мкм.
Перед испытаниями торцевые поверхности образцов и опор необходимо обезжирить. Для определения механических характеристик, в том числе предела прочности, образцы нагружались непрерывно до разрушения с записью диаграммы в координатах «нагрузка - деформация». При сжатии чугун претерпевает значительные деформации и разрушение имеет характер скола под углом 45. Наибольшую нагрузку, предшествующую разрушению образца, принимают за максимальную Ртах,
Диаграмма на рис. 4.22 отображает изменение величины относительной деформации, значение которой увеличилось по сравнению с технологией литья на 30%.
Рис. 4.22. Повышение величины относительной деформации На рис. 4.23 представлены данные по сравнению значений предела прочности образцов. У заготовок, изготовленных штамповкой кристаллизующегося металла, значение предела прочности увеличилось на 19 %. Проведенные экспериментальные исследования по сравнительному анализу механических характеристик образцов, вырезанных из заготовок, изготовленных различными способами, подтверждают прогрессивность штамповки кристаллизующегося металла и хорошо согласуются с литературными данными [25, 38, 49].
Предложен способ формообразования шаровых мелющих тел из чугуна, включающий получение полуфабрикатов овальной формы (рис. 4.24) штамповкой кристаллизующегося металла в многоручьевом штампе (8 и более штук в одной комплектной поковке) (рис. 4.25) на прессе двойного действия.
