Технологический процесс литья и прогнозирование качества стальных отливок "Балка"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аннотация

Ключевые слова: отливка, качество, дефект, диагностика, прогнозирование.

Объектом исследования данной работы являются стальная отливка «Балка», выпускаемые на ЧАО «ЛУГЦЕНТРОКУЗ им. С.С. Монятовского», их качество и несоответствия.

Цель работы: сбор информации по дефектам стальных отливок, разработка методов контроля, диагностики технологического процесса и прогнозирования качества стальных отливок ЧАО «ЛУГЦЕНТРОКУЗ им. С.С. Монятовского».

Прогнозирование уровня качества отливок базируется на многофакторном регрессионном анализе.

Оценка показателей качества производилась визуальным способом и при помощи ультразвуковой дефектоскопии.

Выполненный анализ и результаты прогноза качества отливок использованы для разработки конкретных рекомендаций по повышению уровня качества стальных отливок «Балка»для ЧАО «ЛУГЦЕНТРОКУЗ им. С.С. Монятовского».

Содержание

Аннотация

Введение

1. Анализ исходных данных

1.1 Анализ литья по газифицируемым моделям

2. Технологический раздел

2.1 Подготовка материала для изготовления газифицируемых моделей

2.2 Технология изготовление моделей

2.3 Сборка моделей

2.4 Подготовка моделей к формовке

2.5 Формовка моделей

2.6 Заливка металла

2.7 Финишные операции

2.8 Характеристика сплава 35Л

3. Вид брака и контроль качества отливок

3.1 Газовые раковины

3.2 Внутренние усадочные раковины

3.3 Несквозные утяжины и утяжины наружных поверхностей

3.4 Пористость

3.5 Впадины

4. Механические испытания

4.1 Метод измерения твердости по Бринеллю

4.1.1 Оборудование для измерения твердости по методу Бринелля

4.1.2 Подготовка и работа на приборе

4.2 Определение механических свойств

4.2.1 Испытание на ударную вязкость

4.2.2 Испытание на изгиб

5. Термическая обработка стали

5.1 Сущность термической обработки стали

5.2 Назначение термической обработки

5.3 Классификация и виды термообработки

5.3.1 Отпуск

5.3.2 Отжиг

5.3.3 Закалка

6. Мероприятия по охране труда

Заключение

Список использованных источников

Приложения

Введение

Литье по моделям, что газифицируются, выполняется в неразъемные формы, только модель удаляется путем превращения ее в газ от температуры сплава, что заливается. Жидкий металл приобретает конфигурацию модели.

Технологический процесс производства отливок по газифицируемым моделям (ЛГМ), который в конце ХХ в. получил широкое применение в промышленно развитых странах и в настоящее время считается одним из самых перспективных способов литья.

Проблема обеспечения качества отливок в условиях современного промышленного производства является актуальной, поскольку позволяет уменьшить себестоимость отливок. В настоящее время накоплен определенный опыт и разработан достаточно эффективный инструментарий ориентирован, прежде всего, на использование статистических подходов к решению конкретных задач обеспечения качества отливок в условиях реального производства.

Современные статистические методы при решении задач обеспечивают их высокую эффективность и возможность использования при решении широкого круга проблемных ситуаций. В то же время различные методы анализа данных имеют свою область рационального применения, специфику использования и связанную с этим проблему выбора.

Очевидно, что успешное решение задачи по повышению качества отливок возможно только на базе разработки и применения научно обоснованных комплексных систем управления качеством отливок. Прогнозирование технического уровня и качества отливок во времени и в зависимости от факторов, влияющих на них, выполняет ряд указанных задач и проблем.

Возрастающие требования к точности и оптимальности плановых заданий по техническому уровню и качеству продукции определяют необходимость систематического использования прогнозных разработок при составлении планов на всех уровнях управления качеством отливок. Прогнозирование должно стать неотъемлемым первоначальным этапом планирования в любой комплексной системе управления качеством отливок. Настоящая магистерская работа посвящена разработке методов контроля, регулирования, диагностики технологического процесса производства и прогнозирования качества стальных отливок по газифицируемым моделям.

Для диагностики видов брака применялся визуальный и ультразвуковой метод, дающие полное представление о видах брака исследуемого отливки. Обработка данных о браке велась с помощью диаграммы Парето, что дало нам возможность разработать меры по улучшению качества буксы. Многофакторное прогнозирование качества изготовления отливки основано на статистическом регрессионном моделировании, что позволяет установить связь между случайной величиной-признаком и одним или несколькими неслучайными величинами-факторами.

Для получения представлений о формировании качества отливки, расширение сферы применения литья по газифицированных моделях, увеличение его объемов в практике для получения высокоточных отливок из железоуглеродистых сплавов широкой номенклатуры и различного назначения целью магистерской работы является:

- изучить технологический процесс изготовления стальных отливок и их брак в условиях реального производства;

- разработать рекомендации к выбору основных технологических параметров литья по газифицированным моделям для снижения брака отливок.

1. Анализ исходных данных

1.1 Анализ литья по газифицируемым моделям

Технологический процесс производства отливок по газифицированных моделям (ЛГМ), который в конце ХХ века получил широкое применение в промышленно развитых странах и в настоящее время считается одним из самых перспективных способов литья. Суть применяемой технологии основана на том, что жидкий металл при заливке, вытесняя (газифицируя) пенополистирольную модель, приобретает ее форму.

Обобщенная технологическая схема ЛГМ-процесса включает два основных передела - изготовление газифицированных моделей и получения отливок (рис. 1.1). Для изготовления ГМ широчайшее применяют пенополистирол. Вид материала - блочный или гранулированный и способ его обработки выбирают в зависимости от серийности производства и сложности конфигурации моделей. В единичном производстве модели изготавливают из блочного пенополистирола обработкой резанием, аналогично деревянным моделям. В серийном производстве модели получают в пресс-формах с использованием гранулированного полистирола автоклавным методом или методом теплового удара [1-4].

Пресс-формы, как правило, изготавливают из алюминиевых сплавов, которые выдерживают до 1 млн. съемок [5-14]. Фирма Fiat Teksid освоила производство пресс-форм с пористыми стенками из медно-никелевого сплава методом гальванопластики по моделям из пластмасс, что позволило отказаться от вент и резко сократить цикл изготовления пресс-форм [15]. Газифицированные модели в отечественной практике изготавливаются на литейных предприятиях, хотя зарубежные фирмы, производящие литье ЛГМ-процессом получают модели по кооперации. По данным [2], до 75% литейных цехов получают модели от специализированных фирм.

Для улучшения чистоты поверхности отливки газифицированные модели покрывают слоем противопригарной краски, предохраняющей отливку от пригара и позволяющей повысить прочность моделей и модельных блоков.

Особые требования предъявляются к противопригарным покрытиям (ПП) моделей. Покрытие на модели должно противостоять давлению со стороны потока расплавленного металла, быть термостойким, добавлять дополнительную жесткость модельном блока и обеспечивать качественную поверхность отливки. Оно должно обладать определенной проницаемостью, которая влияет на величину давления в форме и, следовательно, на стабильность стенки песчаной формы, а также на процесс науглероживания отливки. Газопроницаемость покрытия зависит от его толщины, поэтому рекомендуют толщину покрытия 0,25...1,50 мм. Проницаемость покрытия, рекомендуется, может составить 5 до 125 ед. [16]. Как огнеупорная основа в покрытиях используют циркон, муллит, магнезит, графит [17-19]. Как дисперсионную среду используют спирт или воду.

Для придания прочности покрытию после сушки применяют те, что связывают разно: органические смолы и лаки, глину и неорганические вяжущие материалы [20-22].

Противопригарные покрытия наносят на поверхность ГМ или модельных блоков, преимущественно, погружением. Применяется также метод облива и пульверизации суспензии на модель [23-26].

Для формирования модельных блоков используют металлический, кварцевый песок сухой или других огнеупорных сыпучих наполнителей, которые должны обладать хорошей текучестью и газопроницаемостью [27-30]. Важнейшей операцией является уплотнение формы вибрацией. Амплитуда и частота вибрации, а также ее направление определяют экспериментально.

Вакуумирование форм по ГМ приводит к увеличению сопротивления песка сдвигу и укреплению форм, а также увеличение условий эвакуации газов через песок, вследствие чего форма заполняется без выделения дыма и пыли, повышается эффективная жидкотекучесть металла, что заливается, что позволяет снизить температуру заливки [2].

В процессе изучения и анализа [1-4] литье по ЛГМ позволил выявить ряд его достоинств:

- неразъемность модели и отсутствие операции извлечения ее из формы, вследствие чего значительно упрощаются процессы изготовления модели и формы, повышается точность отливки, не образуя характерные дефекты по разъему;

- исключаются из производственного процесса стержневое, формовочное и смесеприготовительное оборудование;

- для формирования моделей применяют сухой кварцевый песок и укреплении формы вакуумом;

- возможность комплексной автоматизации всего технологического процесса; - сокращение числа технологических операций и оборудования для финишной обработки отливки;

- использование недорогого и сравнительно простого оснащения; - значительное улучшение условий труда.

Началом освоения ЛГМ-процесса для получения отливок в серийном и массовом производстве следует считать время публикации патентов Х. Неллена в 1960 г. и Хофмана в 1964 г., в которых изложена принципиальная возможность применения при ЛГМ-процессе в качестве материала формы сухого сыпучего наполнителя без добавок, что связывают.

Затем в 1966 г. в ФРГ и в 1969 г. в США было запатентовано магнитное формирования, которое было опубликовано в 1970 г, и получила свое развитие в начале семидесятых годов в СССР, США, Японии и ФРГ.

В различных странах продолжались работы по совершенствованию технологии формирования из песка и в 1975 г. фирма "Кавасаки" создала производство отливок ЛГМ-процессом в формах из песка мощностью 1000 т литья в год, а в 1984 г. в фирме FordMotors (США) была установлена автоматическая линия производительностью 180 форм в час, которая позволила довести выпуск впускных коллекторов по этой технологии до 3 млн. штук в год при высокой степени экологической чистоты. Результаты исследований создали условия для разработки технологии получения отливок из черных и цветных сплавов в формах из песка.

На заводе General Motors в 1982 г. была введена в действие автоматическая установка для изготовления отливка блока цилиндров - дизельного двигателя. Отмечается, что размерая точность отливок соответствует литью под давлением, а толщина стенки - литью в кокиль. Фирма успешно решила и экологическую проблему.

По мнению американских специалистов, ЛГМ-процесс является одним из лучших современных способов литья, способных удовлетворить потребности крупносерийного производства отливок высокой точности. Вместе с тем, ЛГМ-процесс находит также широкое применение в Японии, Корее, получает свое развитие в Китае. В 1990 г. в Японии ЛГМ-процесс для производства отливок использовали 200 фирм.

В Европе промышленное производство отливок ЛГМ-процессом освоено более чем в 100 литейных цехах различных фирм с месячным выпуском 4000 т чугунного и 2000т алюминиевого литья.

Применение ЛГМ-процесса позволило в три раза повысить точность отливки, сократить на 40% трудоемкость финишных операций. В настоящее время освоено производство отливки из высокопрочного чугуна и легированной стали. Фирма "PEUGEOT" и “CITROEN” (Франция) организовали массовое производство отливка блоков из чугуна и алюминиевых сплавов. Литейное оборудование для ЛГМ-процесса выпускают в настоящее время многие зарубежные фирмы, например "ROBINSON FOUNDRY", "Intermets Research Foundry" "Ford Motors", “Pechiney" "Walver Hamption Iron Foundries", Robert Plant Arco", Founder Automasion" и др.

В бывшем СССР и Украине началом работ в исследовании ЛГМ - процесса следует считать 1960 год. Промышленное применение ЛГМ-процесс сначала получил на Горьковськом автомобильном заводе, где в 1965 г. было произведено около 100 тонн литых заготовок для штампов и ремонтного литья.

В настоящее время под влиянием активного внедрения ЛГМ-процесса за рубежом, особенно в автомобильной промышленности, получают развитие работы по созданию новых технологий и оборудования для внедрения ЛГМ - процесса в серийном и массовом производстве отливок.

В ФТИМС НАН Украины, НПО “КАМЕТ”, НИИСЛ (м. Одесса) и НИИАВТОПРОМ (м. Москва) разработан в настоящее время комплект оборудования, предназначенный для предварительной подготовки пенополистирола, спекания, склеивания, сборки и окраски моделей.

Для организации формовки-заливки созданы механизированные и автоматизированные комплексы с производительностью 10-80 форм/час.

Анализ практического применения ЛГМ-процесса в мировой практике указывает на высокий темп освоения производства отливок из железоуглеродистых и цветных сплавов для различных отраслей машиностроения, объем которого в начале 21-го века может достичь до 15% от всего объема мирового производства литых заготовок. Это связано прежде всего с высокими технико-экономическими показателями литва по газифицированных моделях, применение которого вместо литья в песчаные формы позволяет снизить расход основных и вспомогательных материалов в 1,5-2 раза и 3-4 раза соответственно, формовочных и стержневых материалов и связывают в 15-20 раз, капитальные затраты в 2,5-3 раза, электроэнергии, воды, природного газа на 30-40, 20-30, 50-70% соответственно и одновременно повысить выход годного до 70-75%, КВМ до 0.97, достичь размерной точности и жесткости на уровне литья по моделям, которые выплавляются, а массу снизить на 15-50%.

Вместе с тем, рост темпов производства литья по ГМ в Украине и странах СНГ явно недостаточной, что связано, прежде всего, с необходимостью комплексного подхода к освоению технологий, создание технологического оборудования и средств экологической защиты. Отсутствие четких представлений о требованиях к материалам, применяемым для ЛГМ-процесса, не позволяет создать массовое их производство на предприятиях Украины и стран СНГ.

Кроме того, при создании автоматизированных комплексов массового производства отливок не используются суперпроизводительные роторные и роторно-конвейерные линии, применение которых позволит создать технологические комплексы, превосходящие по производительности современное формовочное оборудование в 2-3 раза.

Следует также отметить, что применение роторных комплексов позволяет удалить биологические субъекты производственного процесса и полностью устранить действие на них применяемых материалов и выбросов, образующихся в процессе производства литья.

Технология изготовления пенополистироловых моделей в пресс-формах. На практике наиболее распространен двухстадийный процесс изготовления моделей в пресс формах. Суть его заключается в следующем: сначала начальный бисерный полистирол подвергается тепловой обработке (предварительное вспенивание), затем прессформу заполняют предварительно вспененными гранулами пенополистирола и проводят повторную тепловую обработку (окончательное вспенивание).

Важной составной частью технологического процесса изготовления моделей является предварительная переработка гранул полистирола для вспенивания, которая включает следующие операции: классификация гранулометрического состава, вспенивание гранул, сушка и активизация вспененных гранул. Каждая из этих операций существенно влияет на получения моделей с заданными эксплуатационными свойствами. Качество моделей зависит от первичных (молекулярной массы, количества парообразователя и остаточного стирола, наличия влаги и размера гранул) и вторичных (размера вспененных гранул, их активности, слипаемости, влажности) свойств вспененных гранул [1].

Гранулометрический состав исходного полистирола для вспенивания должен быть однородным и выбирается в зависимости от требований, предъявляемых к модели. Если гранулометрический состав пенополистирола неоднороден, следует провести его рассев по фракциям [3]. Однородность гранул пенополистирола влияет не только на качество поверхности модели, но и жизнеспособность гранул, которая в свою очередь сказывается на механических (прочностных) свойств модели.

Предварительное вспенивание гранул пенополистирола можно осуществлять в различных теплоносителях: в горячей воде, паровой ванне, потоке пара, потоке горячего воздуха и электромагнитном поле высокой частоты. [1, 3, 31, 32].

Вспенивания в горячей воде производится при температуре 95-1000С. Гранулы полистирола засыпают тонким слоем в короб, который закрывают крышкой. Днище короба и крышка выполнены из капроновой ткани или медной сетки. Короб с гранулами погружают в кипящую воду на такую глубину, чтобы верх короба был перекрыт кипящей водой. После выдержки в воде в течение заданного времени короб извлекается и помещается в сушило, температура в котором 25-300С. Сушку проводят на противнях при комнатной температуре. Процесс вспенивания в водяной ванне отличается стабильностью, поскольку поддерживать температуру сравнительно легко. Однако в связи с низкой производительностью процесса вспенивания в водяной ванне, высокой влажность гранул и комкующийся (слипанием) в процессе вспенивания данная технология не получила промышленного применения.

Вспенивание паром гранул производится при температуре 95-1050С тремя способами: статическим, кинематическим и динамичным.

С целью реализации технологической операции предварительного вспенивания полистирола для получения объемной массы равной 0,18...0,40 кг/м3 в ФТИМС НАН Украины создана установка (рис.1.1), технологические характеристики которой представлены в табл. 1.1. и суть ее работы заключается в следующем [2]:

Таблица 1.1. Технологические характеристики предварительного вспенивания

- номинальная производительность, кг/час, не менее	40
- насыпная масса, кг/м3	18-50
- среднепотребляемая мощность, кВт	10.0
- расход пара, кг/час, не более	70.0
- расход воды, м3/час	1.0

В бункер подвспенователя 2 (рис. 1.1.) дискретно засыпается 10 -50 кг исходного пенополистирола, который при помощи дозатора 4 непрерывно подается в камеру вспенивания 3, куда одновременно подается теплоагент (пара Р=0.1-0.25 МПа). Под действием тепловой энергии пара начальный пенополистирол увеличивается в размере до заданного диаметра dгр (кратности вспенивания к), которой задается положением заслонки 9 и с помощью механической мешалки 10 влажный пенополистирол высыпается из камеры 3. Во время вступления полистирола в приемник калорифера 7 он сушится теплым воздухом и за счет перепада давления, создаваемого вентилятором 6, поступает по трубопроводу в приемник бункера. Здесь полистирол с помощью вентилятора 4 продувается воздухом и сушится до заданной остаточной влажности (Wn<0.5%). Подготовленные гранулы пенополистирола по мере необходимости за счет градиента давления, создаваемого вентилятором 6, транспортируются в раздаточные бункеры полуавтоматов изготовления пенополистироловых элементов и целых моделей и элементов [31].

Окончательное вспенивание заключается в тепловой обработке предварительно вспененных гранул, помещенных в пресс-форму, в результате которой они расширяются и сплавляются между собой. При повышении температуры увеличивается давление находящихся в гранулах воздуха и пара вспенивающего агента, приводящего к расширению гранул и способствующего их спеканию. При этом образуется однородная масса с равномерной ячеистой структурой. После охлаждения масса затвердевает и образуется изделие, форма которого соответствует конфигурации пресс-формы [31].

Рис. 1.1. Схема подвспенователя начального пенополистирола: 1 - привод, 2 - бункер, 3 - колонны вентилятора, 4 - дозатор, 5. - дробилка, 6 - станина, 7 - вентилятор, 8 - блок арматуры, 9 - засыпка, регулятор подачи воды, воздуха, 10 - калорифер.

Технологический процесс окончательного вспенивания состоит из следующих операций: подготовка гранул пенополистирола, подготовка пресс-формы, заполнение пресс-формы гранулами пенополистирола, тепловая обработка пресс-формы, охлаждение пресс-формы, извлечение модели из пресс-формы, сушка модели, выдержка модели после сушки и контроль качества модели.

Заполнение пресс-формы гранулами пенополистирола является операцией, непосредственно влияет на качество модели. Пресс-формы заполняются гранулами путем эжектирования их сжатым воздухом помощи специального устройства или ручным пистолетом-эжектором На процесс заполнения пресс-формы гранулами делает влияние давления воздуха, подводимого к эжектора, и наличие вент в пресс-форме или щели по ее разъема для выхода отработанного воздуха.

Количество пенополистирола для заполнения пресс-формы рассчитывается по формуле [33]:

(1.1)

где М - масса пенополистирола, г;

г - задана плотность пенополистирола, г/см³;

K - коэффициент, учитывающий потери массы полуфабриката при обработке горячей водой. В зависимости от теплоносителя и его воздействия на процесс спекания гранул пенополистирола в пресс-форме различают следующие способы производства моделей: ванный, автоклавный, внешний тепловой удар, внутренний тепловой удар, ТВЧ и комбинированные.

Наиболее простой способ окончательного вспенивания гранул пенополистирола есть ванный способ изготовления моделей. При данном способе пресс-форма, заполненная гранулами пенополистирола, погружается в водяную ванну при температуре 100°С и выдерживается в ней определенное время, в течение которого происходит спекание модели.

При ванном способе передача тепла от воды к пенополистиролу осуществляется через стенки пресс-формы за счет теплопроводности. При нагревании пресс-формы сначала формируется поверхностный слой модели, который через низкую теплопроводность пенополистирола препятствует нагреву внутренних слоев модели, температура которых находится в пределах 75-85°С, то есть близкой к стеклования полистирола. Максимальная деформация полистирола в области пластического состояния находится в интервале температур 120-135°С. Существенным недостатком ванного способа изготовления моделей является их высокая влажность после извлечения из пресс-формы (до 20 %). Поэтому модели, получаемые данным способом, должны проходить длительную сушку.

При автоклавной способе изготовления модели пресс-форма, заполненная гранулами пенополистирола, помещается в автоклав, в который подается острый пар при температуре 110-120°С под давлением 0,13-0,145 МПа. Для получения качественных моделей необходимо обеспечить постоянную подачу 1,0 кг пара в минуту. На 1 кг модели уходит от 4 до 40 кг пара в зависимости от толщины стенок модели. Пресс-форма выдерживается в автоклаве необходимое время для спекания модели, после чего пар удаляется из автоклава, и пресс-форма извлекается. Затем пресс-форма охлаждается в воде при температуре 15-20°С, и модель извлекается. В автоклаве процесс теплообмена осуществляется как за счет проникновения перегретого пара внутрь пресс-формы через венты, установленные в ее стенках, так и за счет теплопроводности через стенки пресс-формы. Для качественного спекания модели необходимо, чтобы площадь отверстий вент составляла не менее 2 % от рабочей поверхности пресс-формы. Наличие конвективного и стационарного процессов теплопередачи до гранул пенополистирола и высокой температуры теплоносителя в автоклаве обеспечивает получение моделей высокого качества при объемной массе 18-22 кг/м3. Длительность цикла изготовления модели в автоклаве определяется экспериментально для каждой партии полистирола в зависимости от толщины стенки модели, конструкции пресс-формы, температуры и давления пара.

Автоклавный способ формирования модели позволяет использовать пресс-формы с необходимым количеством разъемов и отдельных частей для получения сложных по конфигурации моделей в одной пресс-форме. Он позволяет получать качественные модели с толщиной стенок до 40 мм и более при объемной плотности 18-25 кг/м3. Однако все вспомогательные операции при данном способе выполняются вручную, поэтому данная технология изготовления моделей применяется в мелкосерийном и серийном производствах отливок ЛГМ.

Способ внутреннего теплового удара заключается в подаче перегретого пара под давлением 0,2-0,25 МПа через инжектор во внутреннюю полость пресс-формы, предварительно заполненную гранулами пенополистирола (рис. 2.11). Формирование модели происходит в результате фильтрации перегретого пара через поры между гранулами в пресс-форме, при которой пар, расширяясь, передает свое тепло гранулам, частично конденсируясь на их поверхности. Расширение гранул происходит наиболее интенсивно в районе инжектора и постепенно затухает у стенок пресс-формы, конденсат, в результате образуется, оттесняется вспененными гранулами к периферии и удаляется через отверстия (венты) в стенках пресс-формы.

Процесс изготовления моделей внутренним тепловым ударом мимолетный, он просто механизируется и автоматизируется, поэтому его успешно можно применять как при мелкосерийном, так и при серийном производстве для получения моделей с толщиной стенок более 40 мм.

При внешнем тепловом ударе пресс-форма окружена рубашкой, которая образует камеру, куда подается острый пар при скорости 1 кг/мин под давлением 0,2-0,35 МПа при температуре 110-1120°С.

Из паровой камеры пара поступает через венты в пресс-форму, которая заранее заполняется гранулами вспененного полистирола. Пар, конденсируясь, отдает свое тепло гранулам пинополистирола, вследствие чего происходят его расширения и формирования модели.

Технологический процесс изготовления моделей внешним тепловым ударом обеспечивает их высокое качество при объемной плотности от 16 кг/м3. На основе данного способа создано высокопроизводительное автоматическое оборудование, вследствие чего стало возможным использовать технологию ЛГМ в крупносерийном и массовом производстве отливок из черных и цветных сплавов вместо традиционных методов литья.

При изготовлении моделей в электрическом поле высокой частоты (ТВЧ) пресс-форма, заполненная гранулами пенополистирола, помещается в поле высокочастотного конденсата, степень нагрева гранул в котором зависит от диэлектрической проницаемости материала. Энергия переменного электрического поля вследствие диэлектрических потерь превращается в тепловую. Пенополистирол имеет низкое значение тангенса угла диэлектрических потерь tg, который равен 0,0001, поэтому нагрева сухих гранул в поле высокой частоты практически не происходит. Для повышения величины диэлектрических потерь проводится предварительная обработка гранул электролитом, в качестве которого используется вода с добавлением 4-8 г/л поверхностно-активного вещества для равномерного распределения влаги по поверхности гранул. Тонкий слой воды или водного раствора под воздействием ТВЧ нагревается и передает свое тепло гранулам, в результате происходят их расширение и спекания по всему объему пресс-формы, что позволяет получить модели с равномерной плотностью. В отличие от других способов, при формировании моделей в электрическом поле высокой частоты образуется незначительное количество конденсата, и модели выходят практически сухими.

Не смотря на простоту процесса изготовления ТВЧ, он не нашел должного применения, поскольку для получения моделей сложной конфигурации весьма сложно создать равномерно напряженное электрическое поле.

2/ Технологический раздел

2.1 Подготовка материала для изготовления газифицируемых моделей

ЛГМ процесс начинается с подготовки полистирола, исходного материала из которого изготавливаются модели. Модели изготавливаются из вспененного полистирола в две стадии. На первой стадии гранулы исходного полистирола вспенивают при температуре 130 С о до заданной плотности. На второй стадии осуществляется нагрев вспененных гранул в замкнутом объеме пресс-формы, в результате которого происходит формирование модели с заданными технологическими и механическими свойствами.

Вспенивание гранул можно осуществлять различными способами:

* в горячей воде;

* в паровой ванне;

Вспенивание в горячей воде осуществляется при температуре 90-100°С.

Гранулы полистирола засыпаются тонким слоем в короб, который закрывается крышкой. Днище короба и крышка выполнены из капроновой ткани или медной сетки. Короб с гранулами погружается в кипящую воду на такую глубину, что бы верх короба был перекрыт кипящей водой. После выдержки в воде в течение заданного времени короб извлекается и помещается в сушило, температура в котором 25-30 С о . Сушку можно производить и на противнях при комнатной температуре.

Вспенивание паром гранул полистирола производится при температуре 95-105°С. Гранулы равномерным слоем засыпаются в противень с днищем из капроновой или медной сетки, который помещается в бак над кипящей водой. Бак закрывается крышкой, вследствие чего температура пара над кипящей водой стабилизируется в пределах 96-98 С о . Противень выдерживается впаровой ванне заданное время, которое исчисляется после закрытия ванны крышкой. Вспенивание гранул в паровой ванне требует большего времени, чем в кипящей воде, но за счет значительного сокращения времени сушки общий цикл переработки полистирола значительно сокращается.

2.2 Технология изготовление моделей

Производство моделей основано на процессе вторичной тепловой обработки гранул в замкнутом объеме пресс-формы. Технологический процесс изготовления моделей состоит из следующих операций:

1. Заполнение пресс-формы гранулами пенополистирола;

2. Тепловая обработка пресс-формы;

3. Охлаждение пресс-формы;

4. Извлечение модели из пресс-формы;

Заполнение пресс-формы производится специальным пневмопистолетом. Задувной пистолет закреплен на стойке с помощью троса и противовеса, что позволяет ему плавно возвращаться в исходное положение и не мешать рабочему работать с пресс-формой. Под столом размещается пневмопедаль с помощью которой подается воздух в эжектор. На пистолете имеется рычаг при нажатии которого материал из емкости поступает в эжектор.

Тепловая обработка осуществляется в автоклаве, путем помещения заполненной пресс-формы в рабочее пространство устройства. Далее подается пар температура которого варьируется от 135-143°С, время запекания зависит от габаритов и толщины стенки пресс-формы, а так же от давления, температуры воды в автоклаве [15, с. 54].

После тепловой обработки, пресс-форма извлекается из автоклава и опускается в воду с комнатной температурой, время выдержки в ванной 2-3 минуты. Далее пресс-форма извлекается из воды, обдувается, сушится, и готовая модель извлекается из формы.

2.3 Сборка моделей

Сложные модели изготавливают из нескольких частей в пресс-формах с одним разъемом, а затем из них собирают цельную модель при помощи клея или сварки в кондукторе. В массовом производстве, когда это экономически целесообразно, применяются специальные модельные автоматы, обеспечивающие разъем модели в двух и более плоскостях.

Наиболее распространенный способ сборки моделей состоит из соединения ее частей при помощи клея, к которому предъявляются следующие требования: клей не должен растворять пенополистирол, при нанесении тонкого слоя на разъем модели он должен обеспечивать прочное соединение, сравнительно быстро затвердевать и не оставлять коксового остатка после термодеструкции пенополистирола. Клеи для пенополистироловых моделей применяются двух видов: жидкие при нормальной температуре и твердые, которые предварительно расплавляются при температурах 110-140 °С и быстро затвердевают при охлаждении. Типичные термоплавкие клеи изготавливаются на основе полимеров, они содержат крепители, модификаторы и стабилизаторы. В качестве полимерной основы обычно применяют полипропилен, полиэтилен, синтетический каучук и этиленвинилацетат. Они обеспечивают прочность и жесткость склеивания. Крепителями являются низкомолекулярные смолы, добавляемые для улучшения адгезионных свойств клея. В качестве модификаторов используют воск и мала, которые регулируют вязкость и теплостойкость клея. Неорганические наполнители в этих клеях не используются. Для сохранениясвойств клея применяются стабилизаторы и антиоксиданты. В качестве твердого расплавляемого клея можно рекомендовать клей марки ГИПК 25-28.

Жидкие быстросохнущие клеи применяются чаще при ручной сборке моделей, расплавленные - при машинной. Для ручной сборки моделей рекомендуется применять клеи, растворителем в которых является бензин или спирт, например БФ-2, ВИАМ-3.

Технология соединения частей моделей при помощи клея включает следующие операции:

* Подготовка поверхностей соединяемых частей моделей;

* Нанесение тонкого слоя клея на подготовленные поверхности;

* Выдержку на воздухе смазанной поверхности для удаления растворителя;

* Соединение частей модели при незначительном их сжатии.

Следует учитывать при работе с клеем влажность и температуру воздуха в помещении, которые должны соответствовать нормальным условиям.

При машинной сборке модели устанавливаются в кондуктор, затем на соединительную поверхность, валиком или копиром наносится расплавленный клей, и половинки моделей быстро соединяются при некоторым внешнем давлении. После кратковременной выдержки готовая модель извлекается из кондуктора [15, с. 66].

2.4 Подготовка моделей к формовке

Заключительной операцией перед формовкой модели или поддельного блока является нанесение противопригарного покрытия, к которому при ЛГМ предъявляются особые требования, вытекающие из технологии производства отливок и процессов, происходящих в формах при заливке их металлов. Противопригарное покрытие наносился на поверхность модели, которая имеет низкую шероховатость, поэтому покрытие должно хорошо смачивать материал модели, образуя с поверхностью прочную адгезионную связь. При формовке модели и уплотнении формы формовочный материал непосредственно воздействует на противопригарное покрытие, поэтому оно должно обладать высокой стойкостью к истиранию и достаточной когезионной прочностью. При заливке формы металлом модель дестругирует с образованием парогазавой фазы, которая должна свободно транспортироваться из зоны взаимодействия модели с металлов через потивопригарное покрытие, поэтому покрытие должно обладать достаточной газопроницаемостью. Однако, необходимо, чтобы пористость покрытия не снижала его технологическую прочность и при сохранении необходимой газопроницаемости обеспечивала получение отливок без пригара.

Для чугунных отливок предлагается покрытие с высокой газопроницаемостью, когезионной и адгезионной прочностью на основе органических термостойких смол следующего состава, масс. % (таблица 2.1).

Таблица 2.1 Химический состав покрытия для чугунных отливок

Химические составляющие покрытия	Содержание хим. составляющих покрытия, %
Фенолформальдегидная смола	9-10
Борная кислота	0,06-0,08
Поливинилбутираль	2-3
Вспученный фильтрованный перлит	7-9
Этиловый спирт гидролизный	77,92-82,94

В качестве огнеупорного наполнителя для чугунных отливок используется - дистен-силлиманит, графит (скрытокритсаличесский 80% и кристаллический 20%), перлит вспученный. Газопроницаемость покрытия увеличивается с увеличением зернистости огнеупорного наполнителя в краске. Для неотвественных мелких отливок можно применять водные покрытия на основе паст ГП-1, ГП-2 для чугунных отливок ТП-1, ТП-2.

Нанесение противопригарного покрытия на модель осуществляется следующими способами:

* Окунанием;

* Обливом;

* Пульверизатором и кистью.

Выбор способа нанесения покрытия определяется конструктивными параметрами модели, ее габаритными размерами, жесткостью, прочностью и серийностью производства.

Сушка противопригарного покрытия является заключительной операцией перед формовкой модели или модельного блока. Применяются три способа сушки противопригарного покрытия:

* Естественная;

* Принудительная тепловая;

* Комбинированная.

При естественной сушке модель после покраски помещается под вытяжной зонт, где и выдерживается до удаления растворителя. Естественная сушка применяется главным образом при нанесении на модель быстросохнущих покрытий на спиртовом или бензиновом растворители. Время сушки зависит от плотности краски, толщины ее слоя и составляет для одноразового покрытия 2-2,5 ч. Необходимо так же учитывать, что на продолжительность процесса сушки существенное влияние оказывают влажность и температура воздуха в помещении [15, с.92].

Тепловая сушка применяется для водных покрытий. Она производится в тупиковых или проходных сушилах в потоке горячего воздуха при температуре 55-60 °С. Время сушки составляет 1-10 ч. И зависит от толщины слоя покрытия и его состава.

Комбинированные способы применяются в серийном производстве отливок с целью сокращения времени удаления влаги пи применении водных пригарных покрытий. При данном способе окрашенная модель первоначально подвергается сушке в воздушном потоке при температуре50-60 о С в течение 30-90 мин, при этом удаляется 60-80% влаги. На втором этапе модель помещается в микроволновую печь на 6-15 минут для удаления оставшейся воды.

2.5 Формовка моделей

Формовка ЛГМ осуществляется засыпкой моделей в опоках кварцевым песком с использованием вибростола. Под воздействием горизонтальной и вертикальной вибрации песок становится текучим и заполняет собой все каналы и полости модели.

Формовка является важнейшей операцией для обеспечения качества будущей отливки. Важно, чтобы песком были заполнены все каналы и полости будущих отливок, иначе расплав прорвет антипригарное покрытие и уйдёт в песок. После вакуумирования опоки песок приобретает необходимую прочность. Можно приступать к заливке.

2.6 Заливка металла

Заформованные опоки подаются на заливочный участок. Опоки подсоединяются к вакуумной системе. Наверх формы укладывается полиэтиленовая пленка. После включения вакуумного насоса и системы очистки газов, формовочный песок приобретает необходимую прочность [18].

Заливка металла производится прямо в полистирольные стояки. Горячий металл выжигает (газифицирует) полистирол и занимает его место. Выделяющиеся газы отсасываются через слой краски в песок вакуумной системой. Металл точно повторяет форму полистирольного блока с моделями.

2.7 Финишные операции

Залитые блоки моделей остывают в песке от 5 минут до нескольких часов в зависимости от толщины, массы детали и технических условий, оговоренных технологическим процессом.

После модельные блоки извлекаются из опоки, производится обрубка литниковой системы, далее готовые отливки проходят очистку от остатков антипригарного покрытия. На этом этапе технология ЛГМ заканчивается.

2.8 Характеристика литейного сплава

Характеристика литейного сплава фасонных отливок деталей общего машиностроения, изготовляемых литьем по выплавляемым моделям; деталей сварнолетых конструкций и других деталей, работающих при температуре от -40 до 450°С; отливок деталей паровых, газовых, гидравлических турбин и компрессоров, работающие при температурах от -40 до +350 °С; отливок 2-й и 3-й групп деталей трубопроводной арматуры и приводных устройств к ней (корпусов патрубков под приварку и для литосварных конструкций) с температурой рабочей среды от -30 до +450 °С без ограничения номинального рабочего давления; литых центров колесных пар локомотивов и моторных вагонов электропоездов и дизель-поездов железных дорог колеи 1520 мм в климатическом исполнении УХЛ; отливок деталей оборудования (арматуры) атомных электростанций, станций теплоснабжения, теплоэлектроцентралей, опытных и исследовательских ядерных реакторов и установок.

Свойства

Удельный вес: 7850 кг/м3

Температура критических точек: Ac1 = 735, Ac3 (Acm) = 854, Ar3 (Arcm) = 835, Ar1 = 680

Свариваемость материала: без ограничений

Способы сварки: РДС, АДС под газовой защитой, ЭШС.

Обрабатываемость резанием: в отожженном состоянии при HB 121-126 і ув = 390 МПа, До х тв. спл = 1,5 і Кх б.ст = 1,35

Флокеночувствительность: не чувствительна.

Склонность к отпускной хрупкости: не склонна.

Температура начала затвердевания, ° С: 1512-1521

Линейная усадка,%: 2.2 - 2.3 жидкотекучестью, К.р.т.: 0,9

Показатель трещиностойкости, Кт.у.: 1,0

Таблица 2.2 Химический состав стали 25Л (ГОСТ 977-88)

Содержание углерода (С)	0,17 - 0,25
Содержание кремния (Si)	0,2 - 0,52
Содержание марганца (Mn)	0,35 - 0,9
Содержание хрома (Cr)	до 0,3
Содержание никеля (Ni)	до 0,3
Содержание серы (S)	до 0,045
Содержание меди (Cu)	до 0,3
Содержание фосфора (P)	до 0,04

Таблица 2.3 Механические свойства при Т=20^oС

Сортамент	Размер	Напр.	sв	sT	d5	y--	KCU	Термообр.
-	мм	-	МПа	МПа	%	%	кДж / м2	-
Отливки	до 100		420	220	22	35	500	Нормализация 880 - 900oC,Отпуск 630 - 650oC,

Таблица 2.4 Физические свойства стали 35Л (ГОСТ 977-88)

T (Град)	E 10- 5 (МПа)	a 10 6 (1/Град)	l (Вт/(м·град))	C (Дж/(кг·град))	R 10 9 (Ом·м)
20	2.01		54		170
100	1.96	12.2	53	487	220
200	1.88	12.7	51	500	294
300	1.83	13.1	48	517	385
400	1.73	13.5	43	533	490
500	1.65	13.9	39	559	604
600	1.52	14.4	35	588	761
700	1.32	14.9	32	638	932
800	1.2	12.6	27	706	1101

3. Виды брака и контроль качества отливок

По ГОСТ 15467-79 дефектом называют каждое отдельное несоответствие продукции установленным требованиям [9]. Изделие, имеющее хотя бы один дефект, называют дефектным. Это означает, что как минимум один из показателей качества отливки превысил предельно допустимое значение.

В зависимости от предрасположенности дефектов к обнаружению они могут быть явными и скрытыми.

Явным является дефект, обнаруживаемый при внешнем осмотре (визуальном контроле), или дефект, для выявления которого в нормативной документации предусмотрены соответствующие инструментальные средства и методики. Несмотря на невозможность визуального обнаружения, такой дефект является явным, так как при использовании предписанной методики дефектоскопии он будет, безусловно, обнаружен.

Скрытый дефект - это дефект, не обнаруживаемый при указанных выше условиях и не выявляемый предусмотренной для контроля аппаратурой. Скрытые дефекты иногда выявляются в процессе механической обработки отливок или в процессе эксплуатации изделий, а также при дополнительном дефектоскопическом контроле не предусмотренными в технологических картах методами и средствами. Наиболее нежелательно и опасно, когда скрытый дефект проявляется в процессе эксплуатации изделия, что может вызвать аварийную ситуацию.

В литейных цехах с различным техническим уровнем и культурой производства брак отливок колеблется от 1 до 10 %, а по ряду наименований сложных отливок может достигать 50 - 70 %. Поэтому вопросам выявления и устранения брака уделяется большое внимание. В связи с этим различают устранимый и неустранимый дефекты.

3.1 Газовые раковины

Газовые раковины представляют собой полости в теле отливки, образованные выделившимися из металла или внедрившимися в металл газами. Поверхность таких раковин гладкая. Газовые раковины могут быть одиночными и групповыми.

Механизм образования газовых раковин и методы их предупреждения связаны с источником газообразования.

Если газы выделяются из форм и стержней, то дефект образуется в результате механического проникновения газа в жидкий расплав с поверхности раздела металл - форма. Это явление часто сопровождается видимым эффектом кипения расплава или выбросом его из формы и поэтому получило название вскип.

На границе раздела металл - форма газы практически присутствуют всегда, однако внедриться в металл они могут только при условии, если избыточное газовое давление в форме или стержне будет превышать сопротивление со стороны металла, зависящее от высоты столба металла над соответствующей точкой формы или стержня и от удельного веса жидкого сплава.

Причиной образования газового пузыря является ноток газов, выходящий из поры в формовочном материале; образующийся около устья поры газовый пузырь растет до тех пор, пока силы поверхностного натяжения металла, стремящиеся округлить пузырь до шара, и подъемная сила металла не оторвут его от поверхности формы. На месте отрыва пузыря растет новый.

При давлении газа и нарастании противодавления металла вскипа не произойдет.

Визуально слабые вскипы практически не наблюдаются. Сильные вскипы сопровождаются внешним эффектом -- выбросом металла из чаши и выпоров. При сильных вскипах отливки, как правило, поражаются большим количеством крупных раковин.

Если бы металл в форме охлаждался очень медленно, то внедрившиеся в жидкий металл газовые пузырьки могли всплыть и удалиться из него, тогда в отливке не было бы газовых раковин. Однако в литейной форме происходит сравнительно быстрое охлаждение жидкого металла, он затвердевает вначале с поверхности, а затем по всему сечению стенки отливки. При образовании затвердевшей корки металла удаление пузырей газа из тела отливки практически невозможно.

При открытой форме газовые пузырьки удаляются беспрепятственно до момента образования на открытой поверхности отливки затвердевшей корки металла. Если после заполнения формы металлом па пути всплывающего газового пузыря встречается газопроницаемая стенка формы или стержня то газовый пузырь может быть выдавлен через них напором металла. Если же к определенному моменту времени стенка формы стала газонепроницаемой (из-за спекания краски, оплавления поверхностного слоя смеси или конденсации влаги), то газовый пузырь останется в, образуя газовую раковину.

В зависимости от внешнего вида дефекта различают газовую шероховатость (при плохом смачивании металлом материала формы), мелкие подкорковые раковины (при хорошем смачивании металлом материала формы) или подкорковые крупные газовые раковины.

3.2 Усадочные раковины

Усадочными раковинами называют открытые или закрытые полости в теле отливки, имеющие шероховатую глубокую кристаллическую поверхность со следами дендритов. Усадочная пористость представляет собой мелкие полости, расположенные между дендритами сплава по всему объему отливки или в ее центральных частях. Усадочные раковины в отличие от усадочной пористости имеют сравнительно большие размеры. Открытые усадочные раковины бывают окислены.

Усадочные раковины обычно образуются в утолщенных местах отливки, которые затвердевают в последнюю очередь. Как правило, за счет ликвации при затвердевании отливки металл в усадочной раковине имеет повышенное содержание серы и фосфора.

Все металлы при нагреве увеличиваются в объеме, а при охлаждении, наоборот, сокращаются. Следовательно, объем жидкого металла в форме всегда больше объема металла затвердевшей отливки. Сокращение объема и линейных размеров отливки в форме при остывании называется усадкой. Процесс усадки сплава в форме можно разбить на три стадии: усадка жидкого расплава до достижения им температуры начала затвердевания; усадка сплава в период перехода его из жидкого состояния в твердое; усадка сплава в твердом состоянии.

Если бы скорость охлаждения металла в отливке была одинаковой по всему ее объему до момента затвердевания, т. е. кристаллизация происходила бы одновременно во всем объеме, то концентрированная усадочная раковина отсутствовала бы. В этом чисто теоретическом случае отливка после затвердевания сократила бы свои размеры на величину /г,, зависящую от разницы удельных объемов в жидком и твердом состояниях (рис. 32, а). Практически одновременно с усадкой сплава происходит его затвердевание, которое начинается с поверхности отливки и заканчивается в ее центральной части.

После заливки в форму жидкий металл охлаждается и уменьшается в объеме. В этот период возможно уменьшение его уровня в форме на сравнительно небольшую величину. Затвердевание начинается с поверхности отливки. Одновременно жидкий металл продолжает охлаждаться. После образования сплошной корочки металла толщиной хи оставшийся жидкий металл затвердевает как бы в сосуде (рис. 32, в). За счет продолжающейся усадки образуется зазор б между уровнем жидкого металла и верхней затвердевшей корочкой, что и соответствует началу образования внутренней усадочной раковины. По мере затвердевания отливки расстояние между верхней корочкой и жидким расплавом увеличивается вплоть до полного затвердевания отливки, а сечения раковины постепенно уменьшаются. Под действием атмосферного давления наружная затвердевшая корочка прогибается (в полости раковины может быть разряжение).

Открытая усадочная раковина может образоваться при резком уменьшении скорости затвердевания сплава в каком-либо месте, например в верхней части отливки. В этом случае корочка сверху не образуется. Иногда корочка разрушается, тогда раковина становится видимой. В массивных отливках, например в слитках, может образоваться две (или даже три) усадочные раковины, разделенные тонкими перегородками и расположенные одна под другой.

Значительное влияние на образование усадочных дефектов оказывает химический состав сплава. Так, увеличение содержания углерода в доэвтектическом чугуне приводит к заметному уменьшению объема усадочных раковин за счет увеличения в нем количества выделяющегося при кристаллизации графита. Чем выше содержание углерода в чугуне, тем меньше в отливках усадочной пористости и больше концентрированных усадочных раковин.

3.3 Несквозные утяжины и утяжины наружных поверхностей

Несквозные утяжины - дефект отливки в виде пологой впадины, углубления с закругленными краями на поверхности массивных частей. Краткие сведения о дефектах этого вида Причиной образования этой группы дефектов являются усадочные процессы, протекающие на разных стадиях формирования отливки. Имея одну природу, проявляются в жидком состоянии в виде усадочных раковин, пористости, рыхлоты, в твердом состоянии в виде коробления,

Утяжины располагаются обычно в тех частях отливки, где металл охлаждается в последнюю очередь и затвердевает в условиях недостаточного питания, вследствие чего тонкая поверхностная корочка затвердевшего металла продавливается в сторону образующейся подкорковой усадочной раковины

3.4 Пористость

В металлических отливках пористостью обычно считается любая пустота, обнаруженная в отливке. Пористость отливки может быть вызвана газообразованием или затвердеванием при переходе металла из жидкого состояния в твердое.

Пористость в металлах, как правило, связана с процессом кристаллизации.

Практически все металлы при кристаллизации уменьшают свой объем. При затвердевании происходит скачкообразное изменение объема (рис.1 ). Исключением среди чистых металлов является висмут (таблица). Застывший металл имеет и большую плотность, чем жидкий. Уменьшение объема при кристаллизации называют усадкой.

...