Запасные части для коммунальной и дорожно-строительной техники

Развитие идей

1972. Смирнов Г., "Неисчерпаемый кокиль. Рассказываем о работах члена-корреспондента АН БССР А.-В. Вейника".


Неисчерпаемый кокиль.
Рассказываем о работах члена-корреспондента АН БССР А.-В. Вейника.

Смирнов Г.

Журнал «Техника – молодежи», 1972, № 10, стр. 54-56.

        В нынешнем году минское издательство «Наука и техника» выпустило новую книгу члена-корреспондента АН БССР Альберта-Виктора Иозефовича Вейника «Кокиль», в которой излагаются последние работы, посвященные изучению и внедрению в производство самых разнообразных металлических форм. Корреспондент журнала Г. Смирнов рассказывает об исследованиях белорусского ученого.

        Шедевр универсальности.

        До сравнительно недавнего времени в распоряжении человечества было, в сущности, всего лишь два способа, позволяющих превратить кусок твердого и прочного металла в деталь нужной формы. Первый способ – повышение давления – в чистом виде лежит в основе всех методов обработки металлов резанием: точения, сверления, фрезерования, строгания и т.д. Сила противопоставляется силе; прочность и твердость металла преодолевается прочностью и твердостью резца, на режущей кромке которого создается давление в десятки и сотни тысяч килограммов на квадратный сантиметр.
        Повышение температуры металла до его разжижения – второй способ, лежащий в основе всех разновидностей литья. Остроумие этого метода состоит в том, что, расплавляя металл, мы временно уничтожаем его прочность и твердость. Затем, затратив ничтожные усилия, мы придаем металлу нужную форму и охлаждаем, вновь возвращая ему прежние качества. Снимая проблемы механической стойкости, возникающие при резании, литье заменяет их проблемами стойкости термической. Вместо прочного и твердого резца здесь требуется податливая масса, способная зато выдерживать весьма высокие температуры.
        Трудно придумать что-нибудь проще и прозаичнее формовочной земли – массы, в каком-то смысле соперничающей с твердосплавными и алмазными резцами. В сущности, это смесь песка и глины. Глина придает смеси пластичность, а при высыхании делает форму твердой и устойчивой. Песок не дает глине садиться и растрескиваться при сушке и увеличивает газопроницаемость формы. Иногда в смесь добавляют органические вещества – навоз, шерсть, мякину, опилки. Обугливаясь во время литья, они образуют дополнительные канальцы для выхода газов.
        Безвестный изобретатель, впервые применивший такую смесь для изготовления формы, едва ли мог подозревать, что он автор, быть может, самого универсального метода литья. Действительно, из одной и той же массы можно изготовить форму для отливки гигантской станины и корпуса обычной мясорубки, простой плоской плиты и тончайшего художественного изделия. Наконец, в земляных формах можно отлить и бронзовые, и алюминиевые, и чугунные, и стальные изделия. Но вот оборотная сторона этой универсальности. Земляная форма – форма разового пользования. Для каждой новой отливки нужно изготовить форму заново, а это при серийном и особенно массовом производстве становится головоломнейшей проблемой. Далее, земля от высокой температуры расплава пригорает, поэтому ее нужно непрерывно «подживлять» новым песком. Перед формовкой массу приходится пропускать через смесительные машины. Наконец, необходимо устанавливать печи для сушки готовых форм. В результате литейные цехи обрастают огромным земляным хозяйством, делающим это производство неприятным, грязным и вредным для здоровья.
        Трудно сказать, кто впервые применил в обычных земляных формах вставки из железных кусков. Но, по всей видимости, именно эти вставки натолкнули изобретателей на мысли о форме, изготовленной целиком из металла. Металлическая форма – кокиль – долговечнее, но и дороже земляной. Кокиль труднее в изготовлении и лишен очень важных достоинств земляной формы – газопроницаемости и податливости, которая сохраняет отливку от разрушения при усадке металла. В идеальной литейной форме должны сочетаться прочность, долговечность и безвредность металлической с простотой изготовления, податливостью и газопроницаемостью земляной. Но как совместить эти на первый взгляд несовместимые качества?

        Совместимость несовместимого.

        Исследования обычного сплошного кокиля ученые, работавшие под руководством члена-корреспондента АН БССР А.-В. Вейника, начали с анализа температурных полей и термических напряжений, возникающих в металлической стенке. Оказалось, что при заливке расплава внутренняя поверхность кокиля быстро нагревается и стремится расшириться. Однако этому препятствует жесткая конструкция формы, и в результате в поверхностном слое возникают напряжения сжатия. При нормальных условиях эти напряжения не превосходят предела упругости металла и исчезают после того, как отливка охладилась. Но если слой кокильной краски тонок или температура расплава слишком велика, напряжения на внутренней поверхности кокиля могут превысить предел упругости, и тогда после нескольких заливок металл не выдерживает и начинает растрескиваться.
        Как ни парадоксально, именно эти трещины натолкнули специалистов на одно из возможных решений. В самом деле, растрескиваясь, металл снимает возникшие в нем напряжения, как бы самозащищается от них. А почему бы не сделать форму заранее «растрескавшейся», то есть не расчленить ее  на несколько поперечных к поверхности отливки частей? Сразу же возникает вопрос: какого размера и какой формы должны быть эти части? Ответ однозначен: они должны быть унифицированы и нормализованы так, чтобы из них можно было изготовить форму любой конфигурации подобно тому, как из деталей детского «Конструктора» можно собрать любую машину. Анализ показал: детали, применяемые в машиностроении, очерчиваются в большинстве случаев поверхностями трех типов – плоскостью, цилиндрической и сферической. Следовательно, в наборе кокильных элементов можно ограничиться параллелепипедами, клиньями и пирамидами. Нормализованные элементы применяются при отливке лопастей винтов, больших зубчатых колес и других деталей (см. 4-ю страницу обложки). Но на этом работа исследователей не кончилась.
        Расчеты показали: чем меньше у элемента поверхность, соприкасающаяся с расплавом, тем незначительнее возникающие в нем термические напряжения. Эта зависимость, заставившая ученых искать оптимальные размеры нормализованных элементов, породила в конце концов так называемый игольчатый кокиль.
        Представьте себе пучок игл – тонких металлических проволок диаметром 1-4 мм, уложенных в прямоугольную рамку – опоку. При постукивании молотком или на вибростоле иглы скользят одна вдоль другой. Поэтому, если такую опоку наложить на модель, то последняя, сдвинув часть игл, даст как бы отпечаток, образованный концами сдвинутых иголок. Теперь достаточно винтом или эксцентриком сжать пучок – и отпечаток модели зафиксирован.
        Такая литейная форма близка к идеальной. Ее нетрудно перенастроить. Упругость проволок придает игольчатому кокилю свойство, которого нет у кокиля сплошного, - податливость. А зазоры между иглами делают форму газопроницаемой. Но главное достоинство игольчатого кокиля – он избавил от литейной земли производство уникальных и мелкосерийных отливок, то есть как раз ту область, которая до недавнего времени считалась навсегда закрепленной за земляной формой.

        Квинтэссенция литейного дела.

        Мастера-литейщики давно заметили, что с точки зрения твердости далеко не безразлично, в какую форму – сухую или влажную – заливается чугун. В сырой форме внешняя поверхность получается очень твердой, иногда даже закаленной. Причина этого явления не составила, конечного, никакого секрета: при соприкосновении с влажной стенкой чугун охлаждается быстрее, чем в сухой форме, и получается гораздо тверже.
        Так литейщики столкнулись с той замечательной нелинейностью, из-за которой процесс охлаждения и затвердевания жидкого металла оказывается не просто обращенным во времени процессом нагревания и расплавления. Образно говоря, каждая деталь, каждое изделие, каждый кусок металла в своей форме и в своей металлографической структуре хранит запись тех процессов, которыми он изготовлен.
        Неправильность, отклонение от нормы, искажение процесса охлаждения как бы «вмерзает» в структуру металла, и эта «память» о несоблюдении технологии может сделать негодной деталь, которая внешне выглядит отлично.
        Теперь, понимая, что литейная форма одновременно и механическое и термическое устройство, мы можем представить себе, какой она должна быть в идеале. Первую функцию – механическую – выполняет тонкая, жесткая и очень теплопроводная оболочка, примыкающая непосредственно к жидкому металлу и заставляющая его принять нужную геометрическую форму. Эта оболочка мгновенно нагревается до температуры расплава, и затем вступает в действие термический механизм литейной формы.
        Когда температура расплава высока, неплохие результаты дает охлаждение тонкостенной оболочки путем излучения (рис.1). Однако количество отводимого излучением тепла очень быстро падает по мере снижения температуры отливки. При умеренных температурах замедление охлаждения за счет излучения можно скомпенсировать, обдувая нагретую оболочку струями воздуха (рис.2). Еще лучшие результаты дает охлаждение водой (рис.3). А если вода при этом кипит (рис.4), то интенсивность отвода тепла возрастает в 50 раз!
        В распоряжении литейщика есть способы, не только ускоряющие отвод тепла, но и замедляющие его. Разогретую оболочку можно, например, окружить рядом отражательных экранов, снижающих скорость теплообмена излучением. Можно на поверхность оболочки нанести слой теплоизолирующей краски (рис.5). Можно окружить ее слоем металла, плавящегося при нужной температуре, который во время своего расплавления будет поддерживать температуру стенки постоянной. Можно нанести на оболочку обмазку, которая, высыхая, плавясь, химически разлагаясь и возгоняясь позволяет создать нужный технологу температурный режим охлаждения стенки. Можно, наконец, в случае необходимости, нагревать отдельные участки оболочки до нужной температуры.







       
        Но, как ни парадоксально, из всего арсенала средств, позволяющих извне регулировать внутреннее строение отливки, литейщики практически использовали очень мало. Уделяя главное свое внимание механической функции формы, они мало занимались функцией термической. Изменение влажности формовочной земли да вкладывание железных полос и кусков в земляные формы – вот, в сущности, и все, что было предложено ими для регулирования скорости охлаждения отливки. И лишь фундаментальные работы А.-В. Вейника, проведенные в течение последних 15-20 лет, показали, какую важную роль играет термическая функция литейной формы.
        В самом деле, при отливке сложной детали в земляной форме тонкие стенки охлаждаются быстрее, чем массивные участки, поэтому возникающая разница температур приводит к короблению отливки. В идеальной же форме в принципе всегда можно создать такое распределение температур, которое полностью исключит коробление. Покрывая оболочку теплоизолирующей краской, нетрудно сделать поверхность будущей отливки сравнительно мягкой и пластичной. Наоборот, удалив слой краски с того или иного участка и охлаждая обнаженное место воздухом или водой, можно в этом месте придать поверхности отливки повышенную твердость и износостойкость. Короче говоря, любой узор, нанесенный на поверхность оболочки краской, водой или воздухом, отпечатывается, «вмораживается» во внутреннюю структуру металлической отливки. И это не одна только теоретическая возможность...

        Теория в действии.

        Трудно представить себе что-нибудь более простое и ближе подходящее к идеальной форме, чем тонкостенный кокиль для изготовления бронзовых, чугунных и стальных втулок. По сути дела, это труба диаметром 120-300 мм и с толщиной стенки 1,5-2,5 мм, в которую вставлен более узкий стержень из песчано-глинистой смеси. Заливаемый в промежуток между стержнем и стенкой металл раскаляет трубу, которая охлаждается, излучая теплоту в окружающую среду. Если форма предназначена для многократного использования, поверхность стенки, соприкасающуюся с расплавом, покрывают смазкой или кокильной краской, предотвращающей ее чрезмерный нагрев. Когда же в такую форму заливается дорогая высоколегированная сталь, стенки кокиля не защищаются, он приваривается к отливке и защищает ее поверхность при дальнейшей обработке.
        Другое приближение к идеальной форме – это алюминиевый кокиль, внутренняя поверхность которого покрыта пленкой окислов, плохо проводящих тепло, а внешняя – интенсивно охлаждается кипящей водой. В результате тепло, передаваемое расплавом алюминиевой стенке, отводится кипящей водой так быстро, что температура стенки повышается лишь на несколько десятков градусов. Быстрое охлаждение сделало ненужной жаропрочность кокиля! В форму из сравнительно легкоплавкого алюминиевого сплава можно смело заливать чугун и сталь!
        Можно пойти дальше и в алюминиевую форму вставить тонкий чугунный или стальной вкладыш, тесно прилегающий к кокилю. Тогда угроза мгновенного расплавления кокиля снимается.
        В тех случаях, когда необходимо получить однородную структуру металла, остывание отливки в кокиле надо замедлить. Для этого на внутреннюю поверхность водоохлаждаемого кокиля наносится тонким слоем (3-4 мм) облицовка. Чаще всего облицовка состоит из песка и связующего вещества – пульвербакелита. Соприкоснувшись с предварительно нагретой формой, облицовка быстро затвердевает. Но когда в форму заливается жидкий чугун, облицовка размягчается и при температуре, превышающей 2500С, пульвербакелит начинает гореть. К 750-8000С он полностью выгорает, и не удерживаемый им песок свободно осыпается. Теперь отливка легко извлекается из формы, которая вновь готова к нанесению облицовки.
        Но и это еще не все. Покрыв изнутри кокиль обмазкой, содержащей легирующие элементы, можно насытить ими поверхностный слой отливки и получить деталь с обычной дешевой сердцевиной и облагороженной поверхностью, противостоящей износу, коррозии и т.д.
        А если нужно... Впрочем, остановимся, ибо сказанного уже достаточно, чтобы понять: возможности кокилей значительно перекрыли возможности земляной формы – этого шедевра универсальности.