ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЛИТЬЯ В ПЕСЧАНЫЕ ФОРМЫ..

1. Причины деформации

Основной причиной деформации стальных отливок является наличие внутренних напряжений в стали или внешнее воздействие. Внутренние напряжения возникают из-за неравномерного распределения температуры или фазового перехода, а также из-за остаточных напряжений. Деформация, вызванная внешним напряжением, в основном обусловлена «схлопыванием», вызванным весом заготовки. В особых случаях следует учитывать столкновение с нагретой заготовкой или вмятину, образовавшуюся при зажиме инструмента. Деформация включает в себя упругую и пластическую деформации. Изменение размеров в основном основано на трансформации структуры, поэтому она проявляется как в расширении, так и в сжатии, но если заготовка имеет отверстия или имеет сложную форму, это вызывает дополнительную деформацию. Если при закалке образуется большое количество мартенсита, он будет расширяться, а если образуется большое количество остаточного аустенита, он соответственно сжимается. Кроме того, сжатие обычно происходит во время отпуска, в то время как явление вторичной закалки легированной стали приводит к расширению. При криогенной обработке происходит дальнейшее расширение за счёт мартенситизации остаточного аустенита. Удельный объём этих структур увеличивается с увеличением содержания углерода, что приводит к увеличению изменения размеров.

2. Основной период закалочной деформации
2.1 Процесс нагрева: В процессе нагрева заготовка деформируется за счёт постепенного снятия внутренних напряжений.
2.2 Процесс изоляции: В основном это смятие и деформация под действием собственного веса, то есть смятие и изгиб.
2.3 Процесс охлаждения: Деформация, вызванная неравномерным охлаждением и структурными изменениями.

3. Нагрев и деформация
При нагреве крупногабаритных заготовок остаточные напряжения или неравномерный нагрев могут привести к деформации. Остаточные напряжения возникают главным образом в процессе механической обработки. При наличии этих напряжений с повышением температуры предел текучести стали постепенно снижается, и даже при равномерном нагреве даже очень небольшое напряжение может вызвать деформацию.
Остаточное напряжение на внешней кромке заготовки относительно велико. При повышении температуры снаружи деформация на внешней кромке относительно велика. Деформация, вызванная остаточным напряжением, включает в себя упругую и пластическую деформации.
Термическое напряжение, возникающее при нагреве, и требуемое напряжение деформации являются причинами деформации. Чем выше скорость нагрева, чем больше размер заготовки и чем больше изменение поперечного сечения, тем больше деформация при нагреве. Термическое напряжение зависит от степени неравномерного распределения температуры и температурного градиента, которые являются причинами различий в тепловом расширении. Если термическое напряжение выше предела текучести материала при высокой температуре, возникает пластическая деформация, которая называется «деформацией». Напряжение, вызванное фазовым переходом, в основном обусловлено неравномерным временем фазового перехода, то есть когда часть материала претерпевает фазовый переход, а другая часть не претерпевает фазовый переход. При нагреве структура материала преобразуется в аустенит, и происходит пластическая деформация с уменьшением объёма. Если все части материала претерпевают одинаковое организационное превращение одновременно, напряжения не возникают. Поэтому медленный нагрев может значительно снизить деформацию при нагреве, а предварительный нагрев является наилучшим вариантом.
Кроме того, существует множество случаев «схлопывания» деформации под действием собственного веса во время нагрева. Чем выше температура нагрева, тем длительнее время нагрева и тем серьезнее явление «схлопывания».

4. Охлаждение и деформация
Неравномерное охлаждение приводит к возникновению термических напряжений и вызывает деформацию. Из-за разницы в скорости охлаждения между наружной кромкой и внутренней частью заготовки термические напряжения неизбежны. При закалке термические и структурные напряжения накладываются друг на друга, и деформация становится более сложной. В сочетании с неравномерной структурой и обезуглероживанием это также приводит к различиям в температуре фазового перехода, а также к различию в степени расширения фазового перехода.
Короче говоря, «деформация» вызвана как напряжением фазового перехода, так и термическим напряжением, но не всё напряжение расходуется на деформацию, а часть его сохраняется в заготовке в виде остаточного напряжения. Это напряжение является причиной старения и старческого растрескивания.
Деформация, вызванная охлаждением, принимает следующие формы:
4.1 На начальном этапе закалки закаленная сторона вмятина, а затем превращается в выпуклость. В результате сторона, подвергшаяся быстрому охлаждению, выпячивается. В этом случае деформация, вызванная термическим напряжением, превышает деформацию, вызванную фазовым переходом.
4.2 Деформация, вызванная термическим напряжением, заключается в том, что стальной материал стремится к сферической форме, а деформация, вызванная напряжением фазового перехода, стремится к катушкообразной форме. Таким образом, деформация, вызванная закалкой и охлаждением, представляет собой комбинацию этих двух деформаций. В зависимости от различных методов закалки, деформации могут быть различными, как показано на рисунке 4.
4.3 При закалке только части внутреннего отверстия происходит его усадка. При нагреве и закалке всей кольцевой заготовки наружный диаметр всегда увеличивается, а внутренний диаметр расширяется и сужается в соответствии с размером. Как правило, при большом внутреннем диаметре внутреннее отверстие расширяется, а при малом – сжимается.

5. Холодная обработка и деформация
Холодная обработка способствует мартенситному превращению, температура ниже, а деформация меньше, чем при закалке, но возникающие при этом напряжения больше, а суперпозиция остаточных напряжений, напряжений фазового превращения и термических напряжений может легко привести к образованию трещин.

6. Отпуск и деформация
В процессе отпуска, благодаря гомогенизации, снижению или даже исчезновению внутренних напряжений, деформация заготовки, как правило, уменьшается за счет изменения структуры, но в то же время, если деформация произошла, ее трудно исправить. Для исправления этой деформации часто используют такие методы, как отпуск под давлением или дробеструйная обработка.

7. Повторная закалка и деформация
В обычных условиях заготовка после закалки не подвергается промежуточному отжигу, а подвергается многократной закалке, что приводит к увеличению деформации. Деформация, вызванная многократной закалкой, после многократной закалки имеет тенденцию к сферической форме и легкому образованию трещин, но форма относительно стабильна, и деформация маловероятна. Поэтому перед повторной закалкой следует увеличить промежуточный отжиг, а количество повторных закалок должно быть меньше двух раз (исключая первую закалку).

8. Остаточные напряжения и деформация
В процессе нагрева, при температуре около 450 °C, сталь переходит из упругого состояния в пластичное, поэтому она легко подвергается пластической деформации вверх. В то же время, остаточные напряжения исчезают из-за рекристаллизации, когда температура примерно выше этой температуры. Таким образом, при быстром нагреве, из-за разницы температур внутри и снаружи заготовки, внешняя поверхность достигает 450 °C и становится пластичной зоной, которая деформируется из-за остаточных напряжений при более низкой внутренней температуре. После охлаждения эта зона является местом, где происходит деформация. Поскольку в процессе производства сложно добиться равномерного и медленного нагрева, перед закалкой крайне важно проводить отжиг для снятия напряжений. Помимо снятия напряжений нагревом, для крупногабаритных деталей эффективен также метод вибрационного снятия напряжений.