Литейное производство – способ первичного формообразования заготовок из жидкоподвижных конструкционных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Литейное производство - способ первичного формообразования заготовок из жидкоподвижных конструкционных материалов



Кристаллизация металлов. Физическая сущность процесса

Основной причиной и движущей силой процесса кристаллизации является стремление вещества к наиболее устойчивому в термодинамическом отношении состоянию, т. е. к наименьшему запасу свободной энергии.

Изменение величины свободной энергии в зависимости от температуры для металла в кристаллизовавшемся и жидком состояниях схематически показано на рис. 5.1. При температуре Т0 свободные энергии F обоих состояний равны. Такую температуру называют равновесной или теоретической температурой кристаллизации. При Т0 обе фазы (жидкая и твердая) могут сосуществовать одновременно и бесконечно долго: процесс кристаллизации при этой температуре еще не начинается.

Разность между теоретической и фактической температурами кристаллизации называется степенью переохлаждения ?Т:

литейный формообразование заготовка жидкоподвижный

?Т = Т0 - Ткр.

Определение температур критических точек плавления и кристаллизации осуществляют при медленных нагреваниях и охлаждениях, т. е. в равновесном состоянии. Эти процессы изображают с помощью кривых нагревания (рис. 5.2) и охлаждения (рис. 5.3).

При нагреве всех кристаллических тел, в том числе металлов, наблюдается четкая граница перехода из твердого состояния в жидкое (рис. 5.2). Такая же резкая граница существует и при переходе из жидкого состояния в твердое (рис. 5.3).

На кривой нагревания внешний подвод тепла сопровождается повышением температуры металла, сохраняющего свою кристаллическую решетку. На горизонтальном участке кривой нагрева подвод тепла продолжается, но он не приводит к повышению температуры, т. е. подводимая энергия целиком расходуется на разрушение закономерного расположения атомов. Внешне это проявляется в переходе твердого состояния в жидкое. После разрушения последних участков кристаллической решетки продолжающийся подвод тепла вызывает повышение температуры жидкого металла.

При охлаждении происходит обратный процесс. Горизонтальный участок кривой охлаждения показывает, что происходит кристаллизация, сопровождающаяся выделением тепла, которое называется скрытой теплотой кристаллизации. Кристаллизация металла происходит при некотором переохлаждении ?Т, величина которого зависит от природы самого металла, от степени его загрязненности различными включениями и от скорости охлаждения.

Кривые охлаждения, характеризующие процесс кристаллизации чистых металлов при охлаждении с разной скоростью, приведены на рис. 5.4. При очень медленном охлаждении степень переохлаждения невелика и про- цесс кристаллизации протекает при температуре, близкой к равновесной (рис. 5.4, кривая V1).

С увеличением скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает (кривые V2, V3) и процесс кристаллизации протекает при температурах, лежащих ниже равновесной температуры кристаллизации. Чем чище жидкий металл, тем более он склонен к переохлаждению. При затвердевании очень чистых металлов степень переохлаждения ?Т может быть очень велика.

Процесс кристаллизации начинается с образования кристаллических зародышей (центров кристаллизации) и продолжается в процессе роста их числа и размеров. Вокруг образовавшихся центров начинают расти кристаллы (рис. 5.5, а). Каждый из растущих новых кристаллов ориентирован в прост- ранстве произвольно (рис. 5.5, б, в). При уменьшении количества жидкости поверхности растущих кристаллов соприкасаются друг с другом, их правиль- ная внешняя форма нарушается и получается произвольной (рис. 5.5, г). Кристаллы с неправильной внешней формой называются зернами или кристаллитами (рис. 5.5, г). Твердые тела, в том числе и металлы, состоящие из большого количества зерен, называют поликристаллическими.

Таким образом, процесс кристаллизации состоит из двух этапов:

образование центров кристаллизации (зародышей);

рост кристаллов вокруг этих центров.

Установлена зависимость числа центров кристаллизации (ч. ц.) и ско- рости роста кристаллов (с. к.) от степени переохлаждения ?Т (рис. 5.6). Каждый из этих параметров изменяется по закону кривых распределения, т. е. число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов, возрастая с увеличением степени переохлаждения, имеют максимум. Размер образовав- шихся кристаллов зависит от соотношения числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов при температуре кристаллизации, т. е. от степе-ни переохлаждения.

Рис. 5.5. Схемы процесса кристаллизации металла



Рис. 5.6. Зависимость параметров кристаллизации от степени переохлаждения: ч. ц. - число центров кристаллизации, образующихся в единицу времени;

с. к. - скорость роста кристаллов

При равновесной температуре Т0 число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов равны нулю, процесса кристаллизации не происходит. Если жидкость переохладить до температуры, соответствующей точке a, то образуются крупные зерна (рис. 5.6). При переохлаждении, соответствующей точке b, образуется мелкое зерно, так как в этом случае скорость роста кристаллов незначительная, а центров кристаллизации много. Если очень сильно переохладить жидкость (точка с на рис. 5.6), то число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов становятся равными нулю, жидкость не кристаллизуется. Образуется аморфное тело.

Кроме тепловых процессов на кинетику процесса кристаллизации, на количество и размеры кристаллизующихся зерен оказывают влияние вторичные факторы. К ним относится случайное наличие в расплаве жидкости посторонних нерастворимых частиц (из шихтовых материалов) или их специальное введение (модифицирование), а также действие ультразвука или механической вибрации.

Кристаллизация без каких-либо посторонних воздействий или без наличия готовых центров кристаллизации называется самопроизвольной, при наличии готовых центров - несамопроизвольной.

Чистые металлы применяют в технике очень редко в связи с тем, что они в большинстве случаев не могут обеспечить необходимых механических и физических свойств, которые удается получить в сплавах.

Металлический сплав образуется в результате взаимодействия двух или нескольких химических элементов. Он обладает металлическими свойст- вами, отличающимися от свойств исходных компонентов.

Сплавы можно получить методом сплавления, порошковой металлургией, диффузией, осаждением из газовой среды различных металлов и неметаллов.

Кристаллизация сплавов

Дадим определения некоторым металлографическим понятиям.

Компонентами сплава называют химические элементы, входящие в его состав.

Однородная часть сплава, имеющая одинаковые состав, строение, агре- гатное состояние, при этом отделенная от остальных частей сплава поверх- ностью раздела, называется фазой.

Системой называется совокупность фаз в сплаве, находящихся в со- стоянии стабильного или метастабильного равновесия.

Система может быть простой или сложной. Простая система состоит из одного компонента. Сложная система включает в себя два или более компо- нентов. Например, система Рb?Sb является двойной, система Al-Cu-Mn - тройной и т. д. Система может быть однородной (однофазной), например вода (жидкость), и неоднородной, состоящей из двух или трех фаз, например вода, лед (жидкость + твердое тело) или пар, вода, лед (жидкость + твердое тело + газ).

Фазовое состояние системы, составленной из двух компонентов, в зависи- мости от внешних условий может характеризоваться диаграммой состояния. Система называется равновесной, если в ней изменение фазового состояния при изменении внешних условий совершается обратимо, т. е. когда процессы при изменении состояния системы в одном направлении в точности возмещаются процессами, происходящими при изменении системы в обратном направлении. Структурная составляющая - это однородная составляющая системы, состоящая из одной или нескольких фаз, имеющая характерное регулярное

строение, форму и одинаковый средний химический состав.

Выделение из кристаллов твердой фазы других твердых фаз по мере охлаждения сплава называется вторичной кристаллизацией.

В сплаве могут образовываться следующие кристаллические фазы: твердые растворы и промежуточные фазы.

Твердые растворы - это кристаллы, образовавшиеся при распределе- нии атомов одного компонента в кристаллической решетке другого. Один компонент (растворитель) сохраняет свою кристаллическую решетку, другой (растворяемый) отдает свои атомы в решетку растворителя. Вокруг атома растворенного элемента возникают местные искажения пространственной решетки, это приводит к изменению ее периода и свойств.

Твердые растворы обозначают буквами греческого алфавита б, в, г. Различают твердые растворы замещения и внедрения (рис. 5.7).

Образование твердых растворов замещения сопровождается заменой атомов растворителя в его кристаллической решетке на атомы растворенного компонента. Это происходит, если размеры атомов обоих компонентов различаются незначительно.



Рис. 5.7. Атомно-кристаллическая структура твердого раствора:

а - внедрения; б - замещения

Твердые растворы внедрения образуются при размещении атомов растворенного компонента в порах кристаллической решетки растворителя между атомами основного металла. Размеры атомов растворенного компо- нента (азота, водорода, углерода) значительно меньше атомов растворителя.

Состав твердого раствора, т. е. количество атомов растворенного ком- понента и растворителя, может меняться. Максимальное число (предельная концентрация) атомов растворенного компонента, которое может находиться в решетке растворителя, определяет предельную растворимость одного компонента в другом.

Растворимость элементов, часто с понижением температуры, уменьша- ется при увеличении различия их атомных радиусов и их валентности. Твер- дые растворы внедрения имеют ограниченную растворимость (рис. 5.7, а), а твердые растворы замещения могут быть с ограниченной (рис. 5.7, б) и с неограниченной растворимостью.

Кристаллы, образованные различными элементами и имеющие собст- венный тип кристаллической решетки, отличающийся от решеток составляю- щих их элементов, называют промежуточной фазой. Cвойства последней резко отличаются от свойств исходных компонентов.

Промежуточные фазы могут иметь постоянный и переменный состав. Промежуточные фазы постоянного состава - химические соединения компонентов с кратным массовым соотношением элементов. Это позволяет выразить их состав формулой AmBn (A и B - компоненты, образующие сплав; m и n - простые числа) и постоянной температурой плавления (диссоциации).

Промежуточные фазы переменного состава, как и твердые растворы, являются кристаллами с переменной концентрацией компонентов. Переменный состав объясняется либо наличием небольших межузельных атомов в кристаллической решетке промежуточной фазы, либо недостатком атомов в узлах решетки.

Промежуточные фазы можно обозначать буквами греческого алфавита или химическими формулами, хотя промежуточные фазы переменного состава отличаются от типичных химических соединений, так как не подчи- няются законам валентности. При сплавлении образуются промежуточные

Форма кристаллов и строение слитков

Форма и размер зерен, образующихся при кристаллизации, зависят от условий их роста, главным образом от скорости и направления отвода теплоты и температуры жидкого металла, а также от содержания примесей.

Рост зерна происходит по дендритной (древовидной) схеме, представ- ленной на рис. 5.8. Установлено, что максимальная скорость роста кристал- лов наблюдается по таким плоскостям и направлениям, которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов. В результате вырастают длинные ветви, которые называются осями первого порядка 1. По мере роста на осях первого порядка появляются и начинают расти ветви второго порядка 2, от которых ответвляются оси третьего порядка 3 и т. д. В последнюю очередь идет кристаллизация в участках между осями дендритов.

Дендриты растут до тех пор, пока не соприкоснутся между собой. После этого окончательно заполняются межосные пространства, и дендриты превращаются в полновесные кристаллы с неправильной внешней огранкой. Такие кристаллы называют зернами или кристаллитами.

При недостатке жидкого металла для заполнения межосных пространств (например, на открытой поверхности слитка или в усадочной раковине) кристалл сохраняет дендритную форму. На границах между зернами в участках между осями дендритов накапливаются примеси.

Рис. 5.8. Схемы образования и строения дендритов

Химическая неоднородность, или ликвация, возникает вследствие уменьшения растворимости примесей в металле, при его переходе из жидкого состояния в твердое. Кроме того, между осями дендритов появляются поры из-за усадки и трудностей подхода жидкого металла к фронту кристаллизации.

Условия отвода теплоты при кристаллизации значительно влияют на форму зерен. Кристаллы растут преимущественно в направлении, обратном отводу теплоты. Поэтому при направленном теплоотводе образуются вытянутые (столбчатые) кристаллы. Если теплота от растущего кристалла отводится во всех трех направлениях с приблизительно одинаковой скоростью, формируются равноосные кристаллы.

Структура слитка зависит от многих факторов, основные из которых следующие: количество и свойства примесей в чистом металле или легирую- щих элементов в сплаве, температура разливки, скорость охлаждения при кристаллизации, а также конфигурация, температура, теплопроводность, со- стояние внутренней поверхности литейной формы. На рис. 5.9 приведены схемы макроструктур слитков, полученных в простой вертикальной металли- ческой форме.

Типичная структура слитка сплавов, приведенная на рис. 5.9, а, состоит из трех зон. Жидкий металл прежде всего переохлаждается в местах сопри- косновения с холодными стенками формы. Большая степень переохлаждения способствует образованию на поверхности слитка зоны 1 мелких равноосных кристаллов. Отсутствие направленного роста кристаллов этой зоны объясня- ется их случайной ориентацией, которая является причиной столкновения кристаллов и прекращения их роста. Ориентация кристаллов, в свою очередь, зависит от состояния поверхности формы (шероховатость, адсорбированные газы, влага) и наличия в жидком металле оксидов, неметаллических включе- ний. Эта зона очень тонка и не всегда различима невооруженным глазом.

Рис. 5.9. Схемы макроструктур слитков: а - типичная;

б - транскристаллическая; в - однородная мелкозернистая

Затем происходит преимущественный рост кристаллов, наиболее бла- гоприятно ориентированных по отношению к теплоотводу. Так образуется зона 2 (рис. 5.9, а) столбчатых кристаллов, расположенных нормально к стенкам формы. Наконец, в середине слитка, где наблюдается наименьшая степень переохлаждения и не ощущается направленный отвод теплоты, образуются равноосные кристаллы больших размеров (зона 3 на рис. 5.9, а).

Применяя различные технологические приемы, можно изменить количественное соотношение зон или исключить из структуры слитка какую- либо зону вообще. Например, перегрев сплавов перед разливкой и быстрое охлаждение при кристаллизации приводят к формированию структуры, состоящей практически из одних столбчатых кристаллов (рис. 5.9, б). Такая структура называется транскристаллической. Подобную структуру имеют слитки очень чистых металлов. Зона столбчатых кристаллов характеризуется наибольшей плотностью, но в месте стыка столбчатых кристаллов собира- ются нерастворимые примеси и слитки с транскристаллической структурой часто растрескиваются при обработке давлением. Транскристаллическая структура, образовываясь в сварных швах, уменьшает их прочность.

Низкая температура разливки сплавов, продувка жидкого металла инертными газами, вибрация, модифицирование приводят к уменьшению и даже исчезновению зоны столбчатых кристаллов и получению слитков со структурой, состоящей из равноосных кристаллов (рис. 5.9, в).

В верхней части слитка, которая затвердевает в последнюю очередь, концентрируется усадочная раковина. Под усадочной раковиной металл получается рыхлым, в нем содержится много усадочных пор. Часть слитка с усадочной раковиной и рыхлым металлом отрезают.

Качественная структура формируется при непрерывной разливке. В этом случае жидкий металл поступает из печи через специальное устрой-ство непосредственно в водоохлаждаемый кристаллизатор, а затвердевший металл непрерывно вытягивается с противоположного конца кристаллиза-тора. При этом литой металл отличается высокой пластичностью и мелко-зернистой структурой, приближаясь по качеству к деформированному металлу. Применение этого способа разливки позволяет автоматизировать и механизировать технологический процесс, сократить производственные площади, полностью исключить применение изложниц, разгрузить обжимное оборудование, облегчить труд обслуживающего персонала, увеличить выход годного металла вследствие заполнения жидким металлом усадочной раковины. Все это приводит к уменьшению себестоимости металла.

Строение стальных слитков. На строение стального слитка большое влияние оказывает степень раскисления стали.

По степени раскисления и характеру затвердевания стали классифици- руют на спокойные, полуспокойные и кипящие.

Раскисление проводится для предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации. Для раскисления кремний и марганец вводят в сталь в виде ферросплавов, алюминий ??в чистом виде.

Кипящие стали раскисляют только ферромарганцем. В таких сталях остается растворенный FеО и при кристаллизации продолжается процесс кипения по реакции

FеО + С = Fe + CО

Перед разливкой кипящие стали содержат повышенное количество кислорода, который удаляется в виде СО. Выделение пузырей СО создает впечатление кипения стали, с чем и связано ее название.

Кипящие стали дешевы. Их производят низкоуглеродистыми и практи- чески без кремния (Si ? 0,07 %), но с повышенным количеством газообраз- ных примесей. Газовые пузыри остаются в теле слитка и завариваются при последующей прокатке. Кипящая сталь дает наиболее высокий выход годного металла.

Полуспокойные стали по степени раскисления занимают промежуточ- ное положение между спокойными и кипящими.

Спокойная сталь (рис. 5.10, а, г) содержит мало кислорода и затверде- вает без выделения газов, в верхней части слитка образуется усадочная раковина 1, а в средней - усадочная осевая рыхлость.

Для устранения усадочных дефектов слитки спокойной стали отливают с прибылью, которая образуется с помощью надставки на изложницу. Стенки надставки футерованы огнеупорной массой малой теплопроводности. Поэтому сталь в прибыли долгое время остается жидкой и питает слиток, а усадочная раковина располагается в прибыли.

Стальные слитки неоднородны по химическому составу. Дендритная ликвация - неоднородность состава стали в пределах одного кристалла (дендрита) - центральной оси и ветвей. Например, при кристаллизации стали содержание серы на границах дендрита по сравнению с содержанием в центре увеличивается в 2 раза, фосфора - в 1,2 раза, а углерода уменьшается почти в 2 раза.

Зональная ликвация - неоднородность состава стали в различных час- тях слитка. В верхней части слитка из-за конвекции жидкого металла содер- жание серы, фосфора и углерода увеличивается в несколько раз (рис. 5.10, г), а в нижней части - уменьшается. Зональная ликвация приводит к отбраковке металла вследствие отклонения его свойств от заданных. Поэтому прибыль- ную и подприбыльную части слитка, а также его донную часть при прокатке отрезают.

В слитках кипящей стали (рис. 5.10, б, д) не образуется усадочная рако- вина: усадка стали рассредоточена по полостям газовых пузырей, возника- ющих при кипении стали в изложнице. При прокатке слитка газовые пузыри завариваются. Кипение стали влияет на зональную ликвацию в слитках, которая развита в них больше, чем в слитках спокойной стали. Углерод, сера и фосфор потоком металла выносятся в верхнюю часть слитка, так как в дон- ной ликвация мала. Для уменьшения ликвации кипение после заполнения изложницы прекращают, накрывая слиток металлической крышкой («механическое закупоривание»), либо раскисляют металл алюминием или ферросилицием в верхней части слитка («химическое закупоривание»).

Слиток кипящей стали имеет следующее строение (рис. 5.10, б): плотную наружную корку А без пузырей, из мелких кристаллитов; зону сотовых пузырей П, вытянутых к оси слитка и располагающихся между кристаллитами Б; зону В неориентированных кристаллов; промежуточную зону С; зону вторичных круглых пузырей К и среднюю зону Д с отдельными пузырями, которых больше в верхней части слитка.



Рис. 5.10. Схема строения стальных слитков

Полуспокойная сталь (рис. 5.10, в, е) частично раскисляется в печи и ковше, а частично - в изложнице. Слиток полуспокойной стали имеет в нижней части структуру спокойной стали, в верхней - кипящей. Ликвация в верхней части слитков полуспокойной стали меньше, чем у кипящей, и близка к ликвации спокойной стали. Слитки полуспокойной стали не имеют усадочной раковины.

Сущность и значение технологического процесса формообразования методами литья

Литейным производством называется технологический процесс получения фасонных деталей или заготовок путем заливки расплавленного металла в формы. После затвердевания металла в форме получается отливка.

Отливки получают из черных металлов и сплавов (стали, серого и ков- кого чугуна), а также из цветных металлов и сплавов (алюминиевых, магние- вых, медных - бронзы, латуни и т. д.). Детали из них составляют от 25 до 90 % веса отдельных машин. Литьем изготовляют как простые, так и самые сложные детали автомобилей, тракторов (поршни, поршневые кольца, гильзы и блоки цилиндров двигателей, корпуса насосов, компрессоров, коробки передач, шестерни и др.), металлорежущих станков, прокатных станов и т. д.

Метод литья является универсальным: используя его, можно изготов- лять изделия весьма сложной конфигурации, которые при помощи других видов обработок - ковки, штамповки, сварки - получить или значительно труднее, или невозможно. Стоимость литой детали в большинстве случаев оказывается ниже стоимости аналогичной детали, изготовленной другими методами.

Для изготовления отливок применяют различные способы литья: в песчаные формы, в оболочковые формы, литье по выплавляемым моделям, в кокиль, под давлением, центробежное литье и др.

Классификация литых заготовок

По условиям эксплуатации, независимо от способа изготовления, различают отливки:

общего назначения, т. е. отливки для деталей, не рассчитываемых на прочность;

ответственного назначения, т. е. отливки для деталей, рассчиты- ваемых на прочность и работающих при статических нагрузках;

особо ответственного назначения, т. е. отливки для деталей, рассчи- тываемых на прочность и работающих при циклических и динамических нагрузках.

В зависимости от способа изготовления, массы, конфигурации поверх- ностей, габаритного размера, толщины стенок, количества стержней, назначения и особых технических требований отливки делят на 6 групп сложности.

В качестве примера рассмотрим отливки первой и шестой группы. Первая группа характеризуется гладкими и прямолинейными наружными поверхностями с наличием невысоких усиливающих ребер, буртов, фланцев. Внутренние поверхности имеют простую форму. Типовые детали - крышки, рукоятки, диски, фланцы, муфты, колеса вагонеток, маховики для вентилей и т. д.

Шестая группа - отливки с особо сложными закрытыми коробчатыми и цилиндрическими формами. На наружных криволинейных поверхностях под различными углами пересекаются ребра, кронштейны и фланцы. Внутренние полости имеют особо сложные конфигурации с затрудненными выходами на поверхность отливки.

В зависимости от способа изготовления типовых деталей, их габаритных размеров и типа сплавов ГОСТ 26645?85 устанавливает 22 класса точности.

Требования к литейным сплавам

Требования к материалам, используемым для получения отливок:

состав материалов должен обеспечивать получение в отливке задан- ных физико-механических и физико-химических свойств; свойства и струк- тура должны быть стабильными в течение всего срока эксплуатации отливки;

материалы должны обладать хорошими литейными свойствами (высокой жидкотекучестью, небольшой усадкой, низкой склонностью к образованию трещин и поглощению газов, герметичностью), хорошо свариваться, легко обрабатываться режущим инструментом;

материалы не должны быть токсичными и вредными для производства;

материалы должны обеспечивать технологичность в условиях производства и быть экономичными.

Литейные свойства сплавов

Получение качественных отливок (без раковин, трещин и других де- фектов) зависит от литейных свойств, которые проявляются при заполнении формы, кристаллизации и охлаждении отливок в форме. К основным литейным свойствам сплавов относят: жидкотекучесть, усадку сплавов, склонность к образованию трещин, газопоглощение, ликвацию.

Жидкотекучесть - способность расплавленного металла течь по ка- налам литейной формы, заполнять ее полости и четко воспроизводить контуры отливки.

При высокой жидкотекучести сплавы заполняют все элементы литей- ной формы.

Жидкотекучесть зависит от многих факторов: от температурного интервала кристаллизации, вязкости и поверхностного натяжения расплава, температуры заливки и формы, свойств формы и т. д.

Чистые металлы и сплавы, затвердевающие при постоянной темпера- туре, обладают лучшей жидкотекучестью, чем сплавы, затвердевающие в интервале температур (твердые растворы). Чем выше вязкость, тем меньше жидкотекучесть. С увеличением поверхностного натяжения жидкотекучесть понижается. С повышением температуры заливки расплавленного металла и формы жидкотекучесть улучшается. Увеличение теплопроводности мате- риала формы снижает жидкотекучесть. Так, песчаная форма отводит теплоту медленнее, и расплавленный металл заполняет ее лучше, чем металлическую форму. Наличие неметаллических включений снижает жидкотекучесть. На

Усадка - свойство металлов и сплавов уменьшать объем при охлаж- дении в расплавленном состоянии, в процессе затвердевания и в затвердев- шем состоянии при охлаждении до температуры окружающей среды. Изменение объема зависит от химического состава сплава, температуры заливки, конфигурации отливки.

Различают объемную и линейную усадку. В результате объемной усад- ки появляются усадочные раковины и усадочная пористость в массивных частях отливки. Для предупреждения образования усадочных раковин устанавливают прибыли - дополнительные резервуары с расплавленным металлом, а также наружные или внутренние холодильники.

Линейная усадка определяет размерную точность полученных отливок (поэтому она учитывается при разработке технологии литья и изготовления модельной оснастки) и составляет: для серого чугуна от 0,8 до 1,3 %; для углеродистых сталей от 2 до 2,4 %; для алюминиевых сплавов от 0,9 до 1,45

%; для медных сплавов от 1,4 до 2,3 %.

Газопоглощение - способность литейных сплавов в расплавленном состоянии растворять водород, азот, кислород и другие газы. Степень растворимости газов зависит от состояния сплава: увеличивается незначительно с повышением температуры твердого сплава; возрастает при плавлении; резко повышается при перегреве расплава. При затвердевании и последующем охлаждении растворимость газов уменьшается, в результате чего в отливке могут образоваться газовые раковины и поры.

Растворимость газов зависит от химического состава сплава, темпера- туры заливки, вязкости сплава и свойств литейной формы.

Способы изготовления отливок

Для изготовления отливок служит литейная форма, представляющая собой систему элементов, образующих рабочую полость, при заливке которой расплавленным металлом формируется отливка.

Литейные формы изготовляют как из неметаллических материалов (песчаные формы; формы, изготовляемые по выплавляемым моделям; обо- лочковые формы) для одноразового использования, так и из металлов (коки- ли, изложницы для центробежного литья) для многократного использования.

Литье в песчаные формы является самым распространенным способом изготовления отливок. Изготавливают отливки из чугуна, стали, цветных металлов от нескольких граммов до сотен тонн, с толщиной стенки от 3 до 1000 мм и длиной до 10 000 мм.

Схема технологического процесса изготовления отливок в песчаных формах представлена на рис. 5.11.

Сущность литья в песчаные формы заключается в получении отливок из расплавленного металла, затвердевшего в формах, которые изготовлены из формовочных смесей путем уплотнения с использованием модельного комплекта.

Литейная форма для получения отливок в песчаных формах, представ- ленная на рис. 5.12, обычно состоит из верхней и нижней полуформ, которые изготавливаются в опоках 5 и 4, приспособлениях для удержания формовоч- ной смеси 3.

Для образования полостей отверстий или иных сложных контуров в формы устанавливают литейные стержни 2, которые фиксируют посредст- вом выступов, входящих в соответствующие впадины формы (знаки).

Литейную форму заливают расплавленным металлом через литнико- вую систему - совокупность каналов и резервуаров, по которым расплав поступает из разливочного ковша в полость формы 1. Основными элемен- тами литниковой системы являются: литниковая чаша 9, которая служит для приема расплавленного металла и подачи его в форму; стояк 8 - вертикальный канал для подачи металла из литниковой чаши в рабочую полость или к другим элементам; шлакоуловитель 7, с помощью которого удерживается шлак и другие неметаллические примеси; питатель 6 (один или несколько), через который расплавленный металл подводится в полость литейной формы.

Для вывода газов, контроля заполнения формы расплавленным металлом и питания отливки при ее затвердевании служат прибыли или выпор 10. Для вывода газов предназначены и вентиляционные каналы 11.

Различают литниковые системы с питателями, расположенными в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

По способу подвода расплава в рабочую полость формы литниковые системы делят на нижнюю, верхнюю и боковую (рис. 5.13).



Способы изготовления отливок

обеспечивает спокойный подвод расплава к рабочей полости формы и постепенное заполнение ее поступающим снизу, без открытой струи, металлом. При этом усложняется конструкция литниковой системы, увеличи- вается расход металла на нее, создается неблагоприятное распределение температур в залитой форме ввиду сильного разогрева ее нижней части, возможно образование усадочных дефектов и внутренних напряжений. При такой системе ограничена возможность получения высоких тонкостенных отливок (при литье алюминиевых сплавов форма не заполняется металлом, если отношение высоты отливки к толщине ее стенки превышает 60).

Нижний подвод через большое количество питателей часто использу- ется при изготовлении сложных по форме крупных отливок из чугуна.

Верхняя литниковая система (рис. 5.13, в) применяется для невысоких (в положении заливки) отливок, небольшой массы и несложной формы, изготовленных из сплавов, не склонных к сильному окислению в расплав- ленном состоянии (чугуны, углеродистые конструкционные стали, латуни).

Достоинствами системы являются: малый расход металла; конструкция проста и легко выполнима при изготовлении форм; подача расплава сверху обеспечивает благоприятное распределение температуры в залитой форме (температура увеличивается от нижней части к верхней), а следовательно, и благоприятные условия для направленной кристаллизации и питания отливки.

Недостатками системы являются: падающая сверху струя, которая может размыть песчаную форму, вызывая засоры; при разбрызгивании расплава возникает опасность его окисления и замешивания воздуха в поток с образованием оксидных включений; затрудняется улавливание шлака.

Боковая литниковая система (рис. 5.13, а) применяется при получении отливок из различных сплавов, малых и средних по массе деталей, плоскость симметрии которых совпадает с плоскостью разъема формы. Является промежуточной между верхней и нижней и, следовательно, сочетает в себе некоторые их достоинства и недостатки. Подвод металла осуществляется в среднюю часть отливки (по разъему формы).

Иногда при подводе металла снизу и сверху используют массивные коллекторы.

Приготовление формовочных и стержневых смесей и их свойства

Для приготовления смесей используются природные и искусственные материалы.

Песок - основной компонент формовочных и стержневых смесей.

Обычно используется кварцевый или цирконовый песок из кремнезема.

Огнеупорность - способность смеси и формы сопротивляться растяже- нию или расплавлению под действием температуры расплавленного металла.

Газопроницаемость - способность смеси пропускать через себя газы

(песок способствует ее повышению).

Глина является связующим веществом, обеспечивающим прочность и пластичность, обладающим термической устойчивостью. Широко приме- няют бентонитовые и каолиновые глины.

Для предотвращения пригара и улучшения чистоты поверхности отливок используют противопригарные материалы: для сырых форм - припылы; для сухих форм - краски. В качестве припылов используют: для чугунных отливок - смесь оксида магния, древесного угля, порошкообраз- ного графита; для стальных отливок - смесь оксида магния и огнеупорной глины, пылевидный кварц. Противопригарные краски представляют собой водные суспензии этих материалов с добавками связующих.

Смеси должны обладать рядом свойств:

прочность - способность смеси обеспечивать сохранность формы без разрушения при изготовлении и эксплуатации;

поверхностная прочность (осыпаемость) - сопротивление истираю- щему действию струи металла при заливке;

пластичность - способность воспринимать очертание модели и со- хранять полученную форму;

податливость - способность смеси сокращаться в объеме под дейст- вием усадки сплава;

текучесть - способность смеси обтекать модели при формовке, заполнять полость стержневого ящика;

термохимическая устойчивость, или непригарность, - способность выдерживать высокую температуру сплава без оплавления или химического с ним взаимодействия;

негигроскопичность - способность после сушки не поглощать влагу из воздуха;

долговечность - способность сохранять свои свойства при много- кратном использовании.

Формовочные смеси. По характеру использования различают облицо- вочные, наполнительные и единые смеси.

Облицовочная смесь используется для изготовления рабочего слоя фор- мы. Содержит повышенное количество исходных формовочных материалов и имеет высокие физико-механические свойства.

Наполнительная смесь используется для наполнения формы после нанесения на модель облицовочной смеси. Приготавливается путем перера- ботки использованной (оборотной) смеси с малым количеством исходных формовочных материалов.

Облицовочная и наполнительная смеси необходимы для изготовления крупных и сложных отливок.

Для приготовления формовочных смесей сначала подготавливают песок, глину и другие исходные материалы. Песок сушат и просеивают. Глину сушат, размельчают, размалывают в шаровых мельницах или бегунах и просеивают. Аналогично получают угольный порошок.

Подготавливают оборотную смесь, которую после выбивки из опок разминают на гладких валках, очищают от металлических частиц в магнит- ном сепараторе и просеивают.

Приготовление формовочной смеси включает следующие операции: перемешивание компонентов смеси, увлажнение и разрыхление. Перемеши- вание осуществляется в смесителях-бегунах с вертикальными или горизон- тальными катками. Песок, глину, воду и другие составляющие загружают в смесители-бегуны при помощи дозатора, перемешивание осуществляется под действием катков и плужков, подающих смесь под катки.

Готовую смесь выдерживают в бункерах-отстойниках в течение 2-5 ч (для распределения влаги и образования водных оболочек вокруг глинистых частиц), затем разрыхляют в специальных устройствах и подают на формовку.

Стержневые смеси соответствуют условиям технологического про- цесса изготовления литейных стержней, которые испытывают тепловые и механические воздействия. Они должны иметь более высокие огнеупор- ность, газопроницаемость, податливость, легко выбиваться из отливки.

В зависимости от способа изготовления стержней различают: смеси с отвердением стержней тепловой сушкой в нагреваемой оснастке; жидкие самотвердеющие; жидкие холоднотвердеющие смеси на синтетических смолах; жидкостекольные смеси, отверждаемые углекислым газом.

Приготовление стержневых смесей осуществляется перемешиванием компонентов в течение 5?12 мин с последующим выстаиванием в бункерах.

В современном литейном производстве смеси изготавливают на автоматических участках.

Модельный комплект - приспособления, включающие литейную модель, модели литниковой системы, стержневые ящики, модельные плиты, контрольные и сборочные шаблоны.

Литейная модель - приспособление, с помощью которого в литейной форме получают отпечаток, соответствующий наружной конфигурации и размерам отливки.

Применяют модели разъемные и неразъемные, деревянные, металлические и пластмассовые.

Размеры модели больше размеров отливки на величину линейной усадки сплава.

Модели деревянные (сосна, бук, ясень) лучше изготавливать не из целого куска, а склеивать из отдельных брусочков с разным направлением волокон, для предотвращения коробления. Их достоинства: дешевизна, простота изготовления, малый вес. Недостаток недолговечность (рис. 5.14). Для лучшего удаления модели из формы модель окрашивают:

чугунную - в красный цвет, стальную - в синий.

Металлические модели характеризуются большей долговечностью, точностью и чистой рабочей поверхностью, изготавливаются из алюми- ниевых сплавов (легкие), не окисляются, хорошо обрабатываются. Для уменьшения массы модели делают пустотелыми с ребрами жесткости.

Модели из пластмасс устойчивы к действию влаги при эксплуатации и хранении, не подвергаются короблению, имеют малую массу.

Стержневой ящик - формообразующее изделие, имеющее рабочую полость для получения в ней литейного стержня нужных размеров и очер- таний из стержневой смеси (рис. 5.15). Он обеспечивает равномерное уплотнение смеси и быстрое извлечение стержня.

Стержневые ящики изготавливают из тех же материалов, что и модели. Они могут быть разъемными и неразъемными (вытряхными), иногда с нагревателями.

Изготовление стержней может осуществляться вручную и на специальных стержневых машинах.

Рис. 5.15. Деревянные стержневые ящики: а - для цилиндрического стержня литейной формы чугунного рычага; б - для стержня сквозного паза

Модельные плиты формируют разъем литейной формы, на них закреп- ляют части модели. Используют для изготовления опочных и безопочных полуформ.

Для машинной формовки применяют координатные модельные плиты и плиты со сменными вкладышами (металлическая рамка плюс металличес- кие или деревянные вкладыши).

Основными операциями изготовления литейных форм являются: уплотнение формовочной смеси для получения точного отпечатка модели в форме и придание форме достаточной прочности; устройство вентиля- ционных каналов для вывода газов из полости формы; извлечение модели из формы; отделка и сборка формы.

Формы изготавливаются вручную, на формовочных машинах и на автоматических линиях.

Ручная формовка применяется для получения одной или нескольких отливок в условиях опытного производства, в ремонтном производстве, для отливок массой от нескольких килограммов до 300 т.

Приемы ручной формовки: в парных опоках по разъемной модели; формовка шаблонами; формовка в кессонах.

Формовка шаблонами применяется в единичном производстве для получения отливок, имеющих конфигурацию тел вращения. Шаблон - профильная доска.

Формовкой в кессонах получают крупные отливки массой до 200 т. Кессон - железобетонная яма, расположенная ниже уровня пола цеха, водо- непроницаемая для грунтовых вод.

Механизированный кессон имеет две подвижные и две неподвижные стенки из чугунных плит, дно из полых плит, которые можно продувать (для ускорения охлаждения отливок и кессона). Кессон имеет механизм для передвижения стенок и приспособлен для установки и закрепления верхней полуформы.

Машинная формовка используется в массовом и серийном произ- водстве, а также для мелких серий и отдельных отливок.

По характеру уплотнения различают машины прессовые, встряхиваю- щие и др.

Уплотнение прессованием может осуществляться по различным схе- мам, в зависимости от размеров, формы моделей, степени и равномерности уплотнения и других условий.

В машинах с верхним уплотнением (рис. 5.16, а) уплотняющее давле- ние действует сверху. При подаче сжатого воздуха в нижнюю часть цилин- дра 1 прессовый поршень 2 и стол 3 с прикрепленной к нему модельной плитой 4 с моделью поднимаются. Прессовая колодка 7, закрепленная на тра- версе 8 входит в наполнительную рамку 6 и уплотняет формовочную смесь в опоке 5. После прессования стол с модельной оснасткой опускают в исход- ное положение.

У машин с нижним прессованием формовочная смесь уплотняется самой моделью и модельной плитой.

Уплотнение встряхиванием происходит в результате многократно повторяющихся встряхиваний (рис. 5.16, б). Под действием сжатого воздуха, подаваемого в нижнюю часть цилиндра 1, встряхивающий поршень 2 и стол 3 с закрепленной на нем модельной плитой 4 с моделью поднимается на 30-100 мм до выпускного отверстия, затем падает. Формовочная смесь в опоке 5 и наполнительной рамке 6 уплотняется в результате появления инерционных сил. Способ характеризуется неравномерностью уплотнения. Уплотнение верхних слоев достигается допрессовкой.

Вакуумная формовка применяется для изготовления отливок из легкоплавких сплавов. Модельная плита, установленная в воздушной коробке, имеет вакуумную полость. В модели, прикрепленной к плите, имеются сквозные отверстия диаметром от 0,5 до 1 мм, совпадающие с отверстиями в плите. Модельную плиту с моделью закрывают нагретой полимерной пленкой и насосами создают вакуум от 40 до 50 кПа. Затем на модельную плиту устанавливается опока с сухим кварцевым песком, который уплотняется с помощью вибраций. На верхнюю поверхность опоки помещают разогретую пленку, плотно прилегающую к опоке. Полуформу снимают с модели. При заливке металла пленка сгорает, образуя противопригарное покрытие.

Пескомет - высокопроизводительная формовочная машина, применя- ется при изготовлении крупных отливок в опоках и кессонах. Уплотнение осуществляется рабочим органом пескомета - метательной головкой. Формовочная смесь подается в головку непрерывно. Пескомет обеспечивает засыпку смеси и ее уплотнение. При вращении ковша (1000-1500 об/мин) формовочная смесь выбрасывается в опоку со скоростью от 30 до 60 м/с. Метательная головка может перемещаться над опокой.

Безопочная автоматическая формовка используется при изготов- лении форм для мелких отливок из чугуна и стали в серийном и массовом производстве.

Изготовление литейных форм осуществляется на высокопроизводи- тельных пескодувно-прессовых автоматических линиях (рис. 5.17).



Формовочная камера заполняется смесью с помощью сжатого воздуха из головки 2. Уплотнение осуществляется при перемещении модельной плиты 1 плунжером 4. После уплотнения поворотная модельная плита 3 отходит влево и поворачивается в горизонтальное положение. Полуформа перемещается плунжером 4 до соприкосновения с предыдущим комом, образуя полость 5. Затем производят заливку металла из ковша 6. После затвердевания и охлаждения отливок, формы подаются на выбивную решетку, где отливки 7 освобождаются от формовочной смеси.

Изготовление стержней осуществляется вручную или на специальных стержневых машинах из стержневых смесей и включает следующие операции: формовка сырого стержня, сушка, окраска сухого стержня. Если стержень состоит из нескольких частей, то после сушки их склеивают.

Ручная формовка осуществляется в стержневых ящиках. В готовых стержнях выполняют вентиляционные каналы. Для придания стержням необходимой прочности используются арматурные каркасы из стальной проволоки или литого чугуна.

Готовые стержни подвергаются сушке при температуре от 200 до 230 С для увеличения газопроницаемости и прочности. Во время сушки из стержня удаляется влага, частично или полностью выгорают органические примеси.

Часто стержни изготавливают на пескодувных машинах. При использо- вании смесей с синтетическими смолами стержни изготавливают в нагре- ваемой оснастке.

Изготовление стержней из жидкостекольных смесей состоит в хими- ческом отверждении жидкого стекла путем продувки стержня углекислым газом.

Приготовление расплава связано с плавлением различных материа- лов. Для получения заданного химического состава и определенных свойств в сплав в жидком или твердом состоянии вводят специальные легирующие элементы: хром, никель, марганец, титан и др.

Для плавления чугуна и стали в качестве исходных материалов применяют литейные или передельные доменные чугуны, чугунный и сталь- ной лом, отходы собственного производства, а также флюсы (известняк) для понижения температуры плавления и образования шлаков.

Чугуны в основном выплавляют в вагранках. В последнее время разви- вается плавка в электрических печах, а также дуплекс-процесс, в особен- ности вариант «вагранка - индукционная печь».

Плавку стали ведут в электродуговых, индукционных и плазменно- индукционных печах.

Для плавления цветных металлов используют как первичные, получен- ные на металлургических заводах, так и вторичные, после переплавки цвет- ного лома, металлы и сплавы, а также флюсы (хлористые и фтористые соли).

Сборка и заливка литейной формы. Сборка литейной формы вклю- чает: установку нижней полуформы; установку стержней, устойчивое поло- жение которых обеспечивается стержневыми знаками; контроль отклонения размеров основных полостей формы; установку верхней полуформы по центрирующим штырям.

Заливка форм расплавленным металлом осуществляется из ковшей чайникового, барабанного и других типов. Важное значение имеет темпера- тура расплавленного металла. Целесообразно назначать ее от 100 до 150 ?C выше температуры плавления: низкая температура увеличивает опасность незаполнения формы, захвата воздуха, ухудшения питания отливок; при высокой температуре металл больше насыщен газами, сильнее окисляется, возможен пригар на поверхности отливки.

Заливку ведут непрерывно до полного заполнения литниковой чаши.

Охлаждение, выбивка и очистка отливок. Охлаждение отливок до температуры выбивки длится от нескольких минут (для небольших тонко- стенных отливок) до нескольких суток и недель (для крупных толстостенных отливок). Для сокращения продолжительности охлаждения используют методы принудительного охлаждения: обдувку воздухом или охлаждение змеевиками (укладывают при формовке), по которым пропускают воздух или воду.

Выбивка отливки ??процесс удаления затвердевшей и охлажденной отливки из литейной формы, при этом литейная форма разрушается. Процесс осуществляют на специальных выбивных установках. Форма удаляется из опоки выталкивателем на виброжелоб, по которому направляется на выбив- ную решетку, где отливки освобождаются от формовочной смеси. Выбивку стержней осуществляют вибрационно-пневматическими и гидравлическими устройствами.

Обрубка отливок ??процесс удаления с отливки прибылей, литников, выпоров и заливов по месту сопряжения полуформ. Процесс осуществляется пневматическими зубилами, ленточными и дисковыми пилами, при помощи газовой резки и на прессах.

После обрубки отливки зачищают, удаляя мелкие заливы, остатки выпоров и литников. Выполняют зачистку маятниковыми и стационарными шлифовальными кругами, пневматическими зубилами.

Очистка отливок - процесс удаления пригара, остатков формовочной и стержневой смесей с наружных и внутренних поверхностей отливок. Очистку осуществляют в галтовочных барабанах периодического или непре- рывного действия (для мелких отливок), в гидропескоструйных и дробе- метных камерах, а также химической или электрохимической обработкой.

Специальные виды литья

Точность геометрических размеров, шероховатость поверхности отливок, полученных в песчаных формах, не всегда соответствуют требованиям современной техники. Применение специальных видов литья позволяет получать отливки высокой точности, с малой шероховатостью поверхности, с минимальными припусками на механическую обработку или полностью исключая ее.

Литье по выплавляемым моделям

Литье по выплавляемым моделям - процесс получения отливок из расплавленного металла в формах, не требующих разъема, так как рабочая полость образуется благодаря удалению (вытеканию) легкоплавкого материала модели при ее предварительном нагревании.

Для изготовления моделей широко используют модельный состав, содержащий парафин, стеарин, церезин, воск и др. Парафино-стеариновый состав широко применяют в качестве модельного. Он хорошо заполняет полость пресс-формы и дает четкий и чистый отпечаток.

Модельный состав в пастообразном состоянии запрессовывают (рис. 5.18, б) в пресс-формы. После затвердевания модельного состава пресс- форма раскрывается и модель выталкивается в ванну с холодной водой. Затем модели собирают в блоки (рис. 5.18, в) с общей литниковой системой припаиванием, приклеиванием или механическим скреплением частей. В один блок объединяют 2-100 моделей. Формы по выплавляемым моделям изготовляют погружением разовой модели в специальную жидкую огнеупор- ную суспензию, состоящую из связующего, пылевидного кварца и других компонентов, а затем обсыпают кварцевым песком в специальной установке. Далее сушат на воздухе или в среде аммиака (рис. 5.18, г), наносят 3?5 слоев с сушкой каждого слоя.

Модели из форм удаляют, погружая в горячую воду или с помощью нагретого пара. После удаления модельного состава тонкостенные литейные формы промывают, сушат, помещают в опоки и засыпают песком (рис. 5.18, д). Затем прокаливают в печи в течение 6-8 ч при температуре 850-950 °С для спекания частичек связующего с частичками огнеупорного материала и испа- рения воды.

Заливку форм по выплавляемым моделям производят сразу же после прокалки в нагретом состоянии. После затвердевания залитого металла и его охлаждения, отливки удаляют из форм механическими, а затем химическими методами, обрубают и, как правило, подвергают термической обработке.

В промышленности нашли применение следующие разновидности способов получения точных отливок:

литье по выжигаемым моделям: модель не выплавляют из формы, а выжигают. Модель изготовляют из пенополистирола и заформовывают. Не извлекая модель, форму заливают жидким металлом. Модель при соприкосновении с жидким металлом испаряется, и металл занимает пространство, где была модель;

литье по растворяемым моделям: модель изготовляют из соли (NаNO3, KNO3 и др.). После изготовления формы при помощи этой модели ее растворяют и таким способом удаляют из формы;

литье по замороженным моделям: модель изготовляют из водных растворов солей. Жидкий раствор заливают в штамп и замораживают. По

Литье в оболочковые формы

Оболочковые формы изготовляют из формовочной смеси, которая состоит из кварцевого песка и термореактивной смолы (6-7 %) в виде порошка. Связующие материалы обладают способностью оплавляться при нагревании до 100 °C. Когда температура нагрева переходит за 160 °С, смола необратимо затвердевает.

...