Способы изготовления отливок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Непрерывное литье заготовок

2. Способы литья с непрерывным процессом формирования отливки

2.1 Непрерывное и полунепрерывное литьё

2.2 Электрошлаковое литьё (ЭШЛ)

2.3 Способ Степанова - непрерывное литье профилей из алюминиевых (Al) и магниевых (Mg) сплавов

Список используемой литературы

Введение

Литье - это способ изготовления заготовки или изделия заполнением полости заданной конфигурации жидким металлом с последующим его затвердеванием. Иными словами, процесс литья заключается в заливке расплавленного и перегретого (до оптимальной температуры) металла в литейную форму, внутренняя полость которой соответствует (с определенным допуском) конфигурации и размерам будущей детали. Заготовку или изделие, получаемое методом литья, называют отливкой.

Литейное производство - основная заготовительная база всех направлений машиностроения.

Одним из достоинств литейной технологии является универсальность, позволяющая получать отливки сложной конфигурации из большой номенклатуры сплавов, широкого диапазона размеров и массы (от нескольких граммов до сотен тонн). Во многих случаях литье - единственно возможный способ получения заготовок сложной формы. Литейные заготовки являются наиболее дешевыми, а зачастую имеют минимальный припуск на механическую обработку, что говорит об экономичности процесса литья в серийном производстве.

Однако, наряду с достоинствами литейной технологии имеются и недостатки. А именно:

- пониженные пластичность и прочность литой заготовки по сравнению с деталями, полученными методом штамповки;

- необходимость проведения сложных и дорогостоящих операций по обеспечению техники безопасности и экологической защиты экологической среды.

В машиностроении масса литых деталей составляет около 50% массы машин и механизмов, в станкостроении - около 80%. Методом литья получают до 82% изделий из чугуна, до 23% - из стали и 3 - 6% из цветных металлов.

Способы изготовления отливок делятся на две группы:

- литье в обычные песчаные формы;

- специальные способы литья.

В свою очередь способы литья в песчаные формы могут быть ручными и машинными (механизированными и автоматизированными). К специальным методам литья относятся: литье в кокиль (металлические формы свободной заливкой); центробежное литье; литье под давлением; литье по выплавляемым, растворяемым, выжигаемым моделям; литье в оболочковые формы и другие способы литья.

Отличительной особенностью отливок, получаемых специальными способами, по сравнению с литьем в обычные песчаные формы являются, как правило, их более высокая точность, лучшее качество поверхности, меньшие величины припусков на механическую обработку. Специальные способы получения отливок являются прогрессивными методами формообразования.

литье непрерывный металл электрошлаковый

1. Непрерывное литье заготовок

Идея непрерывного литья была выдвинута в середине XIX в. Г. Бессемером, который предлагал разливать жидкую сталь между двумя водоохлаждаемыми валками. Однако не только при том уровне техники, но и в настоящее время реализовать такую идею бесслитковой прокатки невозможно. В 943 г. С. Юнган разработал подвижный кристаллизатор для разливки заготовок. В Японии освоение МНЛЗ началось в 955 г. В настоящее время на многих металлургических заводах работают МНЛЗ трех типов: вертикального, вертикального с изгибом слитка, радиального.

В зависимости от размера слитка МНЛЗ делятся на слябовые, блюмовые и заготовочные. Естественно, что размеры промежуточных ковшей, кристаллизаторов, а также состав огнеупоров при этом разные. При непрерывном методе разливки жидкая сталь заливается в кристаллизатор, под влиянием водоохлаждаемых стенок которого начинается первичное охлаждение. Выходящая из кристаллизатора заготовка с жидкой сердцевиной интенсивно охлаждается (вторичное охлаждение). После затвердевания по всему сечению заготовка разрезается на мерные длины. Таким образом, непрерывная разливка позволяет получать непосредственно из жидкой стали полупродукт, готовый для прокатки на чистовых станках.

По сравнению с прежним методом разливки стали в изложницы при непрерывной разливке можно сократить не только время за счет исключения некоторых операций, но и капиталовложения (например, на сооружение обжимных станов). Непрерывная разливка обеспечивает значительную экономию металла вследствие уменьшения обрези и энергии, которая тратилась на подогрев слитка в нагревательных колодцах. Исключение нагревательных колодцев позволило в значительной степени избавиться от загрязнения атмосферы. По ряду других показателей: качеству металлопродукции, возможности механизации и автоматизации, улучшению условий труда непрерывная разливка также эффективнее традиционных способов. Но непрерывная разливка имеет и Отрицательные стороны. Стали некоторых марок, например кипящие, нельзя разливать по этому методу, малые объемы разливки сталей различных марок повышают их себестоимость, неожиданные поломки оказывают большое влияние на снижение общей производительности.

МНЛЗ состоит из сталеразливочного и промежуточного 2 ковшей, водоохлаждаемого кристаллизатора 3, системы вторичного охлаждения 4, устройства для вытягивания 5, оборудования 6 для резки и перемещения слитка.

Промежуточный ковш, являющийся последней емкостью на пути стали к кристаллизатору, предназначен для приема металла из сталеразливочного ковша и распределения его по кристаллизаторам. Подачу металла в кристаллизатор производят через разливочные стаканы с помощью регулирующих устройств стопора или шиберного затвора.

Огнеупоры для устройств и приспособлений, регулирующих подачу жидкой стали

В настоящее время в Японии почти все крупногабаритные ковши оборудованы скользящими затворами. Вертикальные стопорные разливочные устройства применяются мало. Но, поскольку для их изготовления требуются огнеупорные материалы, о них необходимо рассказать.

В комплект стопорного устройства входит стакан, пробка и стопорная трубка. Сталеразливочный стакан является наиболее ответственной частью узла стопорного затвора, точнее стопорной пары пробка--стакан. В условиях опускания стакана (закрывания затвора) и подъема (открывания) эта стопорная пара подвергается обоюдному изнашиванию.

Основные детали скользящего затвора изготавливают из различных огнеупорных материалов. Верхний стакан и обе плиты (верхнюю и нижнюю) выполняют в основном из высокоглиноземистых материалов. Плиты, кроме того, пропитывают смолой. Большое внимание обращают на обработку поверхности плит с целью лучшей их притирки. Для изготовления нижнего стакана в зависимости от условий разливки возможны варианты

Удлиненный стакан. Неметаллические включения отрицательно .) влияют на качество стали и состояние огнеупоров. Окислы алюминия, кремния, марганца, вводимые в жидкую сталь в качестве раскислите лей или добавок, во всплывшем состоянии затвердевают. Удлиненный стакан в виде трубки предназначен для защиты разливочной струи от соприкосновения с воздухом на пути между сталеразливочным и промежуточным ковшами. Функции этого стакана трубки (кроме предотвращения окисления воздухом разливаемой стали) заключаются еще в том, чтобы поддерживать температуру стали на определенном уровне, а также предотвращать деформацию струи, заливаемой в промежуточный ковш. Для защиты от окисления через жидкую сталь пропускают инертные газы (аргон и азот). В данном случае газовая среда также защищается с помощью огнеупоров или стальной трубы.

Удлиненные стаканы трубки изготавливают в основном из тех же огнеупорных материалов, что и погружаемые разливочные стаканы, используемые для почти аналогичных целей между промежуточным ковшом и кристаллизатором. Однако по сравнению с погружаемым стаканом диаметр удлиненного стакана больше, поэтому и требования к их термостойкости и устойчивости к растрескиванию более жесткие.

Огнеупоры для футеровки промежуточного ковша. Промежуточный ковш является дополнительным звеном между сталеразливочным ковшом и кристаллизатором. При непрерывной разливке наличие промежуточного ковша оправдывается, поскольку через него можно разливать несколько плавок с одинаковой скоростью непрерывной струей. Однако при этом происходит дополнительное охлаждение стали, поэтому приходится предварительно ее нагревать.

В отличие от сталеразливочных ковшей в промежуточном ковше меньше неметаллических включений, поэтому его футеровка служит дольше. С целью экономии энергии и затрат труда в последние годы в качестве нового футеровочного материала в промежуточном ковше начали применять теплоизоляционные материалы. Для ремонта футеровки промежуточного ковша широко применяют торкретирование неформованными огнеупорами. Поскольку условия эксплуатации сталеразливочных и промежуточных ковшей имеют много общего, для футеровки промежуточного ковша используют шамотные, цирконовые, высокоглиноземистые огнеупоры. В случае разливки высококачественных (например, нержавеющих) сталей применяют обычно цирконовые и высокоглиноземистые материалы. Крышку промежуточного ковша изготовляют из огнеупорных бетонов, набивных масс и изоляционных изделий. Форма крышки сложная, что иногда вызывает трудности при ее футеровании. Типичные свойства огнеупоров применяемых для футеровки промежуточного ковша, приведены в табл. 1

Регулирование струи металла из промежуточного ковша осуществляется тремя способами: через незакрываемый разливочный стакан при стабилизированной скорости истечения металла с по мощью стопорного устройства (пробки и стакана); с использование скользящего затвора.

Первым способом отливают небольшие заготовки в МНЛЗ с мало габаритным кристаллизатором. Следовательно, в этом случае диаметр отверстия разливочного стакана небольшой. Такой стакан следует изготовлять из огнеупоров с большим сопротивлением к термическому растрескиванию. Для разливки стали массового назначения в большие объемы стаканы делают из высокообожженных цирконовых и циркониевых огнеупоров.

Вторым способом получают сравнительно большие непрерывно литые блюмы и слябы. В этом случае применяют погружаемые стаканы. Стопорное устройство может непосредственно взаимодействовать с погружаемым стаканом, если верхняя часть последнего входит в дно промежуточного ковша, или через разливочный стакан воронку, плотно устанавливаемую на погружаемый наружный стакан. Диаметры разливочных стаканов для первого и второго способе разные. При наличии стопорного устройства диаметр разливочного стакана больше. В обоих случаях на качество разливочных стаканов обращают серьезное внимание. Разливочный стакан, независимо от способа, и стопорную головку изготовляют обычно из высокоглиноземистых и цирконовых материалов. В отличие от сталеразливочного ковша, где при выборе материала для запорной головки и стакана предусматривается некоторая пластичность, для промежуточного ковша принимают во внимание прежде всего длительное давление разливаемой стали, которое может вызвать деформацию стопора 5 сталеразливочном ковше стакан регулирует струю металла, но в промежуточном ковше широкий стакан не может выполнять роль регулятора из-за большого диаметра. С учетом изложенного запорный комплекс в промежуточном ковше выполняют из более плотных материалов. Трубку стопора промежуточного ковша изготовляют из пирофиллита росэки, шамота и высокоглиноземистого материала. Свойства огнеупорных материалов для стопорных деталей промежуточного ковша приведены в табл. 2 2.

По третьему способу вместо стопорного устройства применяют скользящий затвор, работающий в комплексе с погружаемым стаканом. При подводе металла в большой кристаллизатор струя заполняет его равномерно. В малом кристаллизаторе характер потока меняется (например, из-за смещения струи металла), что может быть причиной кавитационных явлений и резких колебаний давления металла в формирующемся слитке. Для предотвращения этих явлений применяют трехплиточные скользящие затворы, в которых промежуточная плита подвижна, а верхняя и нижняя неподвижны. В промежуточных плитах выполняют отверстия разного диаметра, подходящие для разных условий работы. Огнеупорные материалы для изготовления скользящих затворов промежуточного ковша те же, что и для сталеразливочного.

Погружаемый разливочный стакан

Погружаемые стаканы применяют с целью предотвращения окисления жидкой стали на участке между промежуточным ковшом кристаллизатором, подвода стали в кристаллизатор затопление струей под уровень металла для ее равномерного распределения и ( избежание разбрызгивания, сохранения в кристаллизаторе на поверхности металла литейного порошка и всплывших частиц, предотвращения беспорядочных потоков, облегчения всплытия неметаллических включений, уменьшения вовлечения в металл нежелательных веществ.

Целесообразно для изготовления погружаемых стаканов применять материалы с хорошей эрозионной стойкостью к расплаву шлакообразующей смеси, стойкие к тепловым ударам, затягивании: и зарастанию канала, а также термически прочные. Этим требованиям соответствуют плавленолитые кремнеземистые (99,4 % 5Ю₂) и углеродглиноземистые (<<30 % С и >50 % А ₂О₃) огнеупоры.

Свойства плавленолитых кремнеземистых погружаемых стаканов: открытая пористость ,7 %, кажущаяся плотность ,92 г/см³, предел прочности при сжатии 75 МПа, линейное термическое при 000 °С расширение 0,05 %, температура начала деформации под нагрузкой 0,2 МПа составляет 260 °С.

Применение погружаемых стаканов из плавленолитых кремне земистых огнеупоров, отменно стойких к тепловым ударам, целесо образно при разливке стали, раскисленной алюминием. Стаканы и: плавленокремнеземистых огнеупоров хорошо сопротивляются действию литейноформовочных порошков и зарастанию. Однако коррозионная стойкость недостаточна, особенно при контакте с высокомарганцовистыми сталями. Поэтому при длительных разливках диаметр канала стакана увеличивается в результате износа и разъедания.

Эрозионная стойкость углеродглиноземистых огнеупоров в несколько раз выше, чем у плавленокремнеземистых, вследствие содержания углерода ~30 %. Углеродглиноземистые огнеупоры характеризуются следующими свойствами: кажущаяся пористость 6,5 %, кажущаяся плотность 2,35 г/см³, предел прочности при сжатии 30 МПа, линейное термическое (при 000 °С) расширение 0,5 %. температура начала деформации под нагрузкой 0,2 МПа составляет > 600 °С.

Однако по сравнению с плавленолитыми кремнеземистыми для углеродглиноземистых стаканов более характерно зарастание на стыке металла вследствие влияния литейно-формовочных порошков.

Это влияние резко уменьшается при использовании углерод циркониевых или углеродцирконовых огнеупоров, которые обладают хорошими характеристиками в высокотемпературных условиях эксплуатации при разливке стали, содержащей литейно-формовочны порошки.

Пористая пробка. Через пористую пробку в ковш подается инертный газ. При продувке стали инертным газом в ковше необходим принудительное перемешивание жидкого металла, выравнивают температуру металла в объеме ковша и приводящее к равномерному распределению химических элементов в расплаве Продувка ускоряет процесс вакуумирования (удаления из металла растворенных газов: водорода, азота и кислорода). Пузырь _кл инертного газа, проходя через толщу металла, дополнительно поглощают водород азот, тем самым дегазируют жидкую сталь. Погружаемая в металл фурма заканчивается пористым блоком либо просто является футерованной огнеупорным материалом трубкой. Подачу газа регулируют, изменяя давление. Пористость пробки или блока должна быть равномерной, термостойкость -- достаточно высокой, разъедание их материала жидкой сталью и проникновение сквозь него недопустимы. Пористые пробки изготавливают в основном из высокоглиноземистых (85 % А ₂О₃ *Из % 5_г) и частично из основных огнеупоров.

Характеристика высокоглиноземистой пористой пробки: огнеупорность 850 °С, кажущаяся пористость 35,0 %, кажущаяся плотность 2,35 г/см³, предел прочности при сжатии 25 МПа, линейное термическое (при 1000 °С) расширение 0,60 %, температура начала деформации под нагрузкой 600 °С, коэффициент газопроницаемости -- 2 см³ см/(см² с см вод. ст.).

Проблемы, связанные с непрерывным литьем

В 967 г. доля непрерывной разливки составляла 30 %, к 985 достигнет 42 -- 52 %. Естественно, что возрастет и количество МНЛЗ. На новых усовершенствованных МНЛЗ появилась возможность разливать высококачественные стали. Производительность машин увеличивается вследствие высокой скорости разливки, стабильного Качества металла, расширения номенклатуры заготовок с разными размерами. Одним из условий многократной непрерывной разливки является быстрая замена погружаемого стакана или промежуточного ковша, потому что невозможно изготовить идеальный погружаемый стакан многократного использования. Дело в том, что погружаемый стакан разъедается литейно формовочными порошками и растягивается настылью металла. Одним из средств защиты канала стакана от агрессивных формовочных порошков является футеровка огнеупорами углеродистой системы. Но зарастание стакана предотвратить трудно. Оно происходит вследствие снижения температур разливки и, следовательно загустевания жидкой стали, а также прилипания к поверхности канала стакана раскислителей (алюминия, титана). Есть сообщения о зависимости между количеством сбавляемого раскислителя, температурой разливки и зарастанием стакана.

2. Способы литья с непрерывным процессом формирования отливки

2.1 Непрерывное и полунепрерывное литьё

Непрерывным литьем называют процесс получения протяженных отливок посредством свободной непрерывной заливки расплава в водоохлаждаемую форму (кристаллизатор) и вытягивания из нее сформированной части отливки. Данный способ называют полунепрерывным литьем, если накладывается ограничение на подачу металла (по времени или массе).

Исходя из расположения кристаллизатора и технологической оси процесса (направления вытяжки заготовки), непрерывное (полунепрерывное) литье подразделяют на горизонтальное и вертикальное. При горизонтальном литье металл отливки меньше подвержен окислению и загрязнению шлаковыми включениями, поскольку он сначала попадает в специальный металлоприемник, а уже из него в кристаллизатор. Вертикальное литье является более эффективным при получении полых заготовок.

В зависимости от материала рабочей полости литейные формы подразделяются на металлические (выполненные из меди, алюминия, стали) или графитовые. В последнем случае используются графитовые вставки, которые могут быть монолитными или полыми.

Преимуществами способа непрерывного литья являются: неограниченность длины отливки; однородность свойств отливки по длине; повышенная плотность металла; реализация направленного затвердевания; отсутствие литниковой системы; большой процент выхода годного металла; повышенная точность и чистота поверхности отливки; отсутствие операций выбивки форм, обрубки и очистки отливок; относительно невысокая стоимость литейных форм; повышенная производительность труда.

К недостаткам данного способа литья можно отнести: возможность изготовления отливок не очень сложной конфигурации; ограниченность номенклатуры изделий.

Методом непрерывного (или полунепрерывного) литья изготавливают трубы с широким диапазоном размеров (диаметром до 1000 мм), втулки для гильз дизельных двигателей, заготовки для гаек, шестерен, прокатных валков и др.

2.2 Электрошлаковое литьё (ЭШЛ)

Сущность процесса электрошлакового литья заключается в постепенном электрошлаковом переплаве расходуемого электрода в водоохлаждаемой металлической форме и последующей кристаллизации расплавленного металла в ней.

Отливки условно подразделяют на две группы: отливки сплошного сечения и отливки с внутренними несквозными полостями.

В связи с последовательным оплавлением электрода и направленной кристаллизацией небольших порций металла отливки приобретают повышенную химическую и структурную однородность: в отливках отсутствует ликвация, возрастает их плотность и уменьшается количество вредных примесей и металлических включений в них. Все это обеспечивает отливкам высокие механические свойства.

Конструктивно-технологические особенности ЭШЛ (совмещение операций расплавления металла плавильном агрегате с заливкой его в форму, последовательное плавление электрода, рафинирование металла шлаком, направленная кристаллизация отливки, высокая однородность структуры - отсутствие усадочных раковин и осевой рыхлости) позволяют осуществить процесс литья без использования элементов литниковых систем (питателей, выпоров и прибылей). Повышенные, эксплуатационные свойства отливок, полученных методом ЭШЛ, допускают наличие в них острых углов и резких переходов от сечения к сечению. В результате применения данной технологии повышается коэффициент использования металла. Способ может успешно заменить ряд операций, выполняемых ковкой, штамповкой и сваркой, при изготовлении ответственных деталей.

2.3 Способ Степанова - непрерывное литье профилей из алюминиевых (Al) и магниевых (Mg) сплавов

В классификации существующих методов металлообработки способ Степанова А.В. (развивается в ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН) относится к группеспециальных способов литья и по выражению Г.Ф. Баландина представляет собой "...литьё намораживанием в наиболее чистом виде." На практике этот процесс выглядит как выращивание профилированных изделий непосредственно из расплава, без каких- либо дополнительных технологических переделов. С одной стороны имеется расплавленный металл, с формообразователем-фильерой на его поверхности, а с другой- непрерывно растущий профиль (готовое изделие), с заданным поперечным сечением.

Степень сложности поперечного сечения изделий может быть довольно высокой и разнообразной. На фотографиях представлены образцы наиболее интересных профилей, разработанных в разные годы для решения конкретных технических задач. Толщина стенок изделий от 1 до 5 мм. Максимальный габаритный размер поперечного сечения и длина профиля ограничены только возможностями используемого оборудования. На имеющемся лабораторном оборудовании возможно получение изделий с поперечником до 600 мм и длиной до 4 м. Скорость вытягивания, в общем случае, обратно пропорциональна толщине стенки профиля и может составлять от 2 до 6 м/час.

Условия формирования поперечного сечения отливки предопределяют уникальные возможности способа Степанова не только в качестве методики для исследования процесса кристаллизации, но и в качестве основы для создания промышленной технологии непрерывного литья профилированных изделий из алюминиевых и магниевых сплавов.

Способ мало чувствителен к литейным свойствам сплава и позволяет вести процесс на классических литейных, на деформируемых и вторичных сплавах (с содержанием Fe до 3%). В связи с этим, способ может оказаться особенно полезным для разработчиков новых сплавов. Высокие эксплуатационные характеристики новых сплавов, как правило, конфликтуют с их литейными свойствами, что заметно усложняет получение из них отливок с малой толщиной и большой протяженностью традиционными способами литья.

Способ позволяет выращивать не только однородные металлические, но и биметаллические изделия, изделия с неметаллическими наполнителями, как в виде частиц с высокой дисперсностью, так и в виде непрерывных волокон. Это означает, что внутри полученного профиля могут быть спрятаны изделия (трубки, стержни, ленты, проволоки) из более тугоплавкого материала, например нержавеющей стали.

Направленная кристаллизация и отсутствие контакта твердо-жидкой зоны отливки со стенками формообразователя обеспечивают высокую плотность металла в полученных изделиях и высокую герметичность профилей трубчатого типа. Это позволяет с успехом использовать такие изделия в качестветепловых труб и радиаторов для теплообменной аппаратуры.

Способ Степанова нельзя рассматривать в качестве метода металлообработки, способного заменить собою такие известные методы, как прокатка и экструзия. Каждая из этих технологий имеет свои достоинства и недостатки.

К недостаткам способа Степанова, в сравнении с прокаткой и экструзией, можно отнести более низкие значения характеристик: производительности процесса, качества поверхности, стабильности "геометрии" профилей (в осевом и поперечном направлении), прочности (s_в)- для деформируемых сплавов. (Прочность изделий, выращенных из деформируемых термо-упрочняемых сплавов, может быть увеличена за счет соответствующей термической обработки.)

К достоинствам способа Степанова, в сравнении с прокаткой и экструзией, можно отнести: существенно меньшие затраты на основное оборудование и технологическую оснастку (что заметно ускоряет переход "на новый профиль"), меньшие площади под оборудование (одна установка занимает примерно 3 м²), более широкий диапазон составов используемых сплавов (от Al-Si эвтектики, до В-95 высокопрочного деформируемого сплава), существенно большую сложность поперечного сечения выращиваемых профилей, возможность армирования профиля непрерывными волокнами либо дискретными частицами из более тугоплавкого материала. А более высокая пластичность изделий позволяет использовать их в качестве заготовок для последующей деформационной обработки.

Разнообразие областей применения профилированных изделий, полученных способом Степанова, во многом, определяется количеством специалистов в других областях деятельности (металлургия, синтез сплавов, теплотехника, конструирование, дизайн), знакомых с возможностями этого метода и способных использовать его достоинства для решения своих задач.

Другим важным направлением развития и применения способа Степанова является выращивание профилированных монокристаллов различных веществ, среди которых следует особо выделить лейкосапфир. Профилированные кристаллы лейкосапфира обладают комплексом уникальных свойств (оптическая прозрачность, высокая температура плавления, большая прочность и твердость), благодаря которым находят широкое применение в различных областях науки и техники.

Список используемой литературы

А.В. Степанов "Будущее металлообработки". Лениздат 1963 г. 132 с.

Размещено на Allbest.ru