Предупреждение появления литейных дефектов

При конструировании литых деталей машин необходимо учитывать возможность появления в отливках различных литейных дефектов, основными из которых являются: усадочные и газовые раковины, пористость (рыхлоты), трещины, коробление отливок, неоднородность механических характеристик (предела прочности, твердости и др.) металла в различных частях детали. Возникновение этих дефектов обусловлено:

- недостаточно интенсивным заполнением литейной формы расплавленным металлом;

- затрудненным выходом из формы воздуха, паров и газов, выделяющихся из формовочной смеси и стержней при заливке в нее жидкого металла, а также из самой отливки при ее остывании (в результате понижения растворимости газов в металле с уменьшением его температуры);

- неравномерным охлаждением (затвердеванием) элементов отливки, вызывающим неравномерную усадку ее металла в литейной форме и (как следствие этого) возникновение в стенках отливки внутренних напряжений.

Появлению внутренних напряжений способствуют и различные выступающие элементы отливки, расположенные в направлении, поперечном направлению усадки ее основного тела, вследствие чего происходит так называемое механическое торможение усадки.

Повышенные значения внутренних напряжений вызывают коробление отливки и могут привести к возникновению трещин. Однако первопричиной появления большинства из вышеуказанных дефектов литья все же является неравномерное остывание (затвердевание) различных частей отливки. В связи с этим при проектировании литых деталей машин в первую очередь необходимо соблюдать следующие правила конструирования, направленные на обеспечение одновременности затвердевания их элементов:

- стенки отливки должны иметь минимально возможную толщину;

- необходимо всемерно избегать местных скоплений металла, утолщений стенок, а тем более – массивов;

- соседние стенки отливки нужно сопрягать между собой только плавными переходами;

- элементам отливки, остывающим в условиях пониженной теплоотдачи (внутренние стенки, ребра жесткости и др.), необходимо (для ускорения затвердевания) уменьшать размеры их сечений;

- переходы между стенками различной толщины должны быть плавными;

- если наличие местных утолщений стенок или массивов все же неизбежно, то их соединения со стенками нужно выполнять с пологим утолщением по направлению в их сторону или усиливать эти соединения ребрами.

Толщину стенок отливок назначают с учетом следующих основных соображений.

У стенок литых деталей из-за различия условий кристаллизации прочность неодинакова по их толщине. Прочность максимальна в поверхностном слое стенок, где металл, вследствие повышенной скорости охлаждения, приобретает мелкокристаллическую структуру и где образуются благоприятные для прочности напряжения сжатия. В поверхностном слое чугунных отливок преобладают перлит и цементит. Сердцевина стенок, застывающая медленнее, имеет крупнокристаллическую структуру с преобладанием феррита и графита. В ней нередко (особенно при значительной толщине стенки) образуются дендритные кристаллы и возникают усадочные раковины и пористость.

Чем толще стенка отливки, тем резче разница между прочностью ее сердцевины и поверхностной корки. В связи с этим увеличение толщины стенок не сопровождается пропорциональным увеличением прочности отливок.

По этим причинам, а также для снижения расхода металла и массы отливки, целесообразно выполнять литые детали с технологически минимальной толщиной их стенок.

Необходимую жесткость и прочность детали в этом случае обеспечивают оребрением, приданием ей сводчатых, конических и тому подобных форм (рис. 2.9).

 

Рис. 2.9. Примеры способов обеспечения необходимой прочности и жесткости тонкостенных отливок

 

Технологически минимальная толщина стенок отливки определяется условиями хорошего заполнения литейной формы расплавленным металлом при ее заливке. Поэтому чем больше размеры отливки и хуже литейные свойства (жидкотекучесть) ее материала, тем больше должна быть толщина ее стенок. В связи с этим рекомендуемую величину технологически минимальной толщины стенок отливки S_minназначают (на основании опытных данных) в зависимости от материала отливки и ее приведенного габаритного размера N (рис. 2.10).

 

Рис. 2.10. Зависимость технологически минимальной толщины стенки S_min литой детали от ее материала