Технология литейного производства

Контрольная работа

Технология литейного производства

1. Общая характеристика литейного производства

сплав отливка деталь технический

Литейное производство - отрасль машиностроения, производящая фасонные заготовки или детали (отливки) путем заливки жидкого металла в литейную форму, полость которой имеет конфигурацию и размеры отливки. При охлаждении металл затвердевает и сохраняет заданную конфигурацию.

Литье является важным и экономически выгодным способом производства. Во многих случаях литье - единственный способ изготовления нужных деталей.

Особенно это проявляется в тех случаях, когда требуется изготовить детали больших размеров и массы, а также сложной конфигурации. Кроме того, малопластичные сплавы, например чугун, которые не поддаются обработке давлением, с успехом используют для производства фасонных отливок.

Литьем получают изделия массой от нескольких граммов до 300 т, длиной от нескольких сантиметров, со стенками толщиной 0,5…500 мм (блоки цилиндров, поршни, коленчатые валы, корпуса и крышки редукторов, зубчатые колеса, станины станков и прокатных станов и др.).

Дальнейшее совершенствование технологии литейного производства, механизация и автоматизация всех процессов, освоение и внедрение прогрессивных способов сокращает механическую обработку отливок, снижает их стоимость и расширяет область применения литейного производства в промышленности.

Для изготовления отливок применяют множество способов литья: в песчаные формы, в оболочковые формы, по выплавленным моделям, в кокиль, под давлением, центробежное литье и др.

Все способы фасонного литья, кроме литья в песчаные формы, называются специальными. Область применения того или иного способа литья определяется объемом производства, требованиями к геометрической точности и шероховатости отливок, экономической целесообразностью и другими факторами.

. Изготовление отливок в песчано-глинистой форме

Начинается процесс с разработки чертежа отливки и изготовления рабочих чертежей модельного комплекта.

Литьем в песчано-глинистые формы изготавливают до 80% общего количества (по массе) отливок.

Песчано-глинистые формы называют разовыми, т.е. их используют только один раз; после заливки в них металла и его охлаждения формы разрушают и извлекают отливки. Песчано-глинистые формы изготавливают из формовочных смесей в опоках или почве при помощи моделей и другой модельно-опочной оснастки.

В комплект модельно-опочной оснастки входят модели, подмодельные (подопочные) и сушильные плиты, стержневые ящики, опоки, приспособления для контроля форм и стержней, модели элементов литниковой системы.

С помощью модели в литейной форме получают отпечаток наружной конфигурации отливки. Они бывают неразъемные, разъемные, с отъемными частями. В серийном и массовом производстве применяют в основном металлические (реже - пластмассовые), а в индивидуальном и мелкосерийном - деревянные (из сосны, ольхи, липы, бука и др.) модели. Модели изготавливают с учетом припусков на механическую обработку и литейную усадку металла. Это значит, что они имеют большие размеры, чем отливка или готовая деталь. Кроме того, для лучшего извлечения модели из песчаной формы ее боковые стенки имеют формовочные уклоны.

Стержневые ящики предназначены для изготовления песчаных стержней. В индивидуальном и мелкосерийном производстве применяют деревянные стержневые ящики, а в серийном и массовом - металлические, реже - пластмассовые. В зависимости от размеров и формы стержней ящики могут быть цельные, разъемные и с отъемными частями. Как и модели, их изготовляют с учетом литейной усадки и припусков на механическую обработку. Стержень - элемент литейной формы для образования отверстия, полости или иного сложного контура в отливке.

Подмодельные плиты, деревянные или металлические, служат для установки на них моделей и опок при формовке.

Опока - приспособление для удержания формовочной смеси при изготовлении литейной формы.

Для подвода расплавленного металла в полость литейной формы, ее заполнения и питания отливки при затвердевании используют литниковую систему. Обычно литниковая система состоит из литниковой чаши (воронки), стояка, шлакоуловителя, питателя.

Формовочные материалы - это совокупность природных и искусственных материалов, используемых для приготовления формовочных и стержневых смесей. В качестве исходных материалов используют формовочные кварцевые пески и литейные формовочные глины.

Формовочная смесь - это многокомпонентная смесь формовочных материалов, соответствующая условиям технологического процесса изготовления литейных форм. Формовочные смеси по характеру использования разделяют на облицовочные, наполнительные и единые.

Облицовочные смеси применяют при ручной формовке для образования рабочей поверхности литейной формы, которая контактирует с жидким металлом, толщина слоя составляет 15…20 мм. Они обладают лучшими физико-механическими свойствами и приготавливаются из свежих песка и глины с добавкой противопригарных материалов.

Наполнительную смесь засыпают поверх облицовочной, заполняя остальную часть литейной формы. Эту смесь приготавливают из оборотной, переработанной после выбивки опок смеси с добавкой 5…10% свежих песка и глины.

Единые смеси применяют в массовом производстве при машинной формовке для наполнения всего объема литейной формы. Приготавливают ее из оборотной смеси с добавкой до 50% свежего песка и глины.

По состоянию формы перед заливкой металла различают смеси для изготовления форм: сырых, подсушенных, сухих, химически твердеющих и самотвердеющих.

Технологический процесс приготовления формовочных смесей заключается в перемешивании составляющих компонентов смеси с последующим ее выстаиванием и разрыхлением. Подготовка исходных материалов и приготовление формовочных смесей производятся в смесеприготовительных отделениях литейных цехов.

Приготовленные формовочные смеси должны обладать следующими основными свойствами: достаточной прочностью (противостоять разрушающим усилиям в процессе изготовления и транспортировки форм, а также воздействия жидкого металла при заливке), хорошей газопроницаемостью (пропускать газы после заливки металла в форму), низкой газотворностью (не выделять газы при контактировании с жидким металлом), пластичностью (хорошо формоваться и давать четкий отпечаток от модели), податливостью (не препятствовать усадке металла при затвердевании отливки), огнеупорностью (не размягчаться и не расплавляться под действием высокой температуры жидкого металла, заливаемого в форму), выбиваемостью (легко разрушаться и выбиваться из опок).

Технология ручной формовки

Ручную формовку широко используют при изготовлении мелких и средних отливок в индивидуальном и мелкосерийном производстве, а также при изготовлении крупных отливок (станины станков, прокатных станов и др.) массой до 200 т и более. На практике используют различные приемы ручной формовки.

Формовка в парных опоках по разъемной модели наиболее распространена.

Литейную форму, состоящую из двух полуформ, изготавливают по разъемной модели в такой последовательности: на модельную плиту устанавливают нижнюю половину модели и ставят нижнюю опоку. Модель припудривают припылом, затем засыпают формовочной смесью и уплотняют. Избыток смеси удаляют линейкой и в формовочной смеси душником накалывают отверстия для улучшения вентиляции формы. Готовую полуформу поворачивают на 180, устанавливают верхнюю половину модели, модель шлакоуловителя, стояка и выпоров. По центрирующим штырям устанавливают верхнюю опоку, засыпают формовочной смесью и уплотняют. После извлечения моделей стояка и выпоров форму раскрывают. Из полуформ извлекают модели, в нижнюю полуформу устанавливают стержень, накрывают нижнюю полуформу верхней и скрепляют или нагружают их. Форма готова под заливку жидким металлом.

Формовку по шаблонам применяют в единичном производстве для получения отливок, имеющих конфигурацию тел вращения.

Формовку в кессонах применяют при изготовлении крупных отливок массой до 200 т и более.

Технология изготовления литейных форм и стержней на машинах и автоматах

Машинная формовка по сравнению с ручной имеет значительные преимущества: резко увеличивается производительность, улучшаются условия труда рабочих, повышается качество отливок, снижается брак и себестоимость литья. Этот вид формовки применяют, в основном, в массовом и серийном производстве при изготовлении мелких и средних отливок. Такие трудоемкие процессы, как уплотнение формовочной смеси, поворот формы и выемка моделей из формы, механизированы.

Для изготовления песчано-глинистых форм на машинах необходимо иметь специальную модельно-опочную оснастку:

─ универсальные металлические модельные плиты, позволяющие ускорять монтаж и демонтаж моделей;

─ точно изготовленные металлические модели;

─ металлические взаимозаменяемые опоки.

Формовочные машины классифицируют по следующим признакам:

─ по методу уплотнения смеси в опоке (прессовые, встряхивающие и пескометы);

─ по способу извлечения модели из формы (со штифтовым съемом, с протяжкой модели вниз, с поворотной плитой и перекидным столом).

Технология изготовления форм на машинах заключается в следующем: модель с модельной плитой, закрепленной на столе машины, обдувают сжатым воздухом и опрыскивают керосином, чтобы не прилипала формовочная смесь. Затем на плиту ставят нижнюю опоку и наполняют ее формовочной смесью из бункера, расположенного над машиной. Смесь в опоке уплотняется, после чего излишек смеси срезается заподлицо с кромкой опоки. Далее на полученную полуформу устанавливают поддоночный щиток и полуформу поворачивают на 180⁰ и, подняв модельную плиту или опустив опоку (в зависимости от конструкции машины), извлекают модель.

При формовке верхней полуформы на подмодельную плиту с верхней половиной модели ставят верхнюю опоку и модель стояка и производят все операции формовки так же, как и в случае с нижней полуформой. После удаления моделей готовую верхнюю полуформу снимают с машины и передают на сборку.

На участке сборки в нижнюю полуформу ставят стержень и обдувают сжатым воздухом. Затем на нижнюю полуформу, по фиксирующим стержням, ставят верхнюю полуформу и обе половины скрепляют скобами или ставят груз для предупреждения подъема верхней опоки во время заливки металлом.

Встряхивающие машины применяют главным образом для изготовления форм в высоких опоках. Уплотнение смеси происходит за счет встряхивания, возникающего при ударе стола машины с закрепленной на нем плитой и опокой о станину машины. Стол машины под действием сжатого воздуха, поступающего в цилиндр машины, поднимается на высоту 30…100 мм и затем под действием сил тяжести падает, ударяясь о станину. При этом смесь уплотняется. Уплотнение зависит от мощности удара и числа ударов (обычно 30…50 в минуту). На машинах указанного типа можно изготавливать песчано-глинистые формы массой от 100 кг до 40 т, производительность машин при этом составляет до 15 крупных форм в час.

На встряхивающих машинах уплотнение формовочной смеси в опоке происходит неравномерно: нижние слои - более плотные, верхние - менее. Для устранения этого недостатка применяются встряхивающие машины с допрессовкой верхних слоев формы. В этом случае распределение плотности смеси более равномерно.

Прессовые формовочные машины применяются двух типов (с верхним и нижним прессованием) и приводятся в действие сжатым воздухом. Эти машины более производительны по сравнению со встряхивающими, т.к. уплотнение смеси занимает всего несколько секунд.

Принцип работы машины с верхним прессованием состоит в следующем. На подмодельную плиту с моделью, укрепленную на столе машины, ставят опоку со съемной наполнительной рамкой. Опоку и наполнительную рамку заполняют из бункера формовочной смесью и над опокой устанавливают поворотную траверсу с прессующей колодкой. При подъеме стола вверх форма прижимается к плите траверсой. Смесь уплотняется колодкой, которая, войдя в рамку, выдавливает из нее смесь и уплотняет ее в опоке. Затем стол с заформованной опокой опускают и траверсу с колодкой отводят в сторону. Готовую полуформу снимают и на стол машины ставят следующую опоку. В машинах с нижним прессованием роль наполнительной рамки выполняет углубление в неподвижном столе. Недостатком формовочных прессовых машин является неравномерное уплотнение формовочной смеси по высоте опоки. При верхнем прессовании более плотными получаются верхние слои смеси в опоке, а при нижнем - нижние, прилегающие к модели. Прессовые машины применяют для формовки в опоках небольшой высоты (200…250 мм).

Для изготовления больших форм применяют стационарные или передвижные пескометы. Уплотнение смеси в опоке получается достаточно хорошим и равномерным по высоте. Работает пескомет следующим образом: формовочная смесь подается ленточным транспортером в пескометную головку, где подхватывается лопаткой, укрепленной на вращающемся диске, и с большой скоростью выбрасывается в опоку через отверстие в горловине, постепенно наполняя опоку. Скорость вращения диска достигает 1500 об/мин. В процессе набивки опоки рабочий перемещает хобот пескомета по всей площади опоки.

Полуавтоматы и автоматические формовочные машины подразделяются на однопозиционные проходные и многопозиционные карусельные.

На этих машинах, кроме обычных трудоемких операций формовки, механизированы и все остальные (очистка моделей, установка опок и др.).

На однопозиционных проходных машинах все операции формовки (обдувка модели, подача смеси в опоку, уплотнение, подпрессовка, снятие полуформы с подмодельной плиты и подача ее на приемный механизм) производятся последовательно. На многопозиционных карусельных машинах указанные выше операции выполняются на каждой позиции одновременно (параллельно) с другими. Все механизмы, производящие технологические операции, расположены неподвижно относительно перемещающихся на карусели полуформ. В процессе работы карусель периодически поворачивается на четверть оборота. На позиции 1 происходит операция обдувки и смазки модели. На позиции 2 на подмодельную плиту ставится пустая опока. Затем на этой же позиции происходит заполнение опоки смесью. На позиции 3 формовочная смесь уплотняется встряхиванием с последующей подпрессовкой. На позиции 4 происходит протяжка модели и съем готовой полуформы с помощью толкателя. Готовые полуформы по рольгангу поступают на сборку.

Изготовление стержней осуществляют в стержневых ящиках вручную и на машинах (при серийном и массовом производствах). Используют несколько видов машин: пескострельные, пескодувные, встряхивающие и др. Они отличаются между собой различными методами уплотнения стержневой смеси в ящиках.

Сушка форм является нежелательной операцией, т.к. она увеличивает продолжительность процесса изготовления отливок. Однако в ряде случаев (изготовление стальных и крупных чугунных отливок) она необходима. Температура сушки форм должна быть ниже температуры, при которой глина теряет связующую способность. В некоторых случаях сушку заменяют поверхностной подсушкой рабочей полости формы на глубину, зависящую от толщины стенки отливки.

От правильности сборки форм в значительной степени зависит точность изготовляемых отливок и их качество. Операцию сборки начинают с установки нижней полуформы на заливочную площадку, рольганг или тележку конвейера. Затем полость полуформы продувают сжатым воздухом, устанавливают в нее стержни и нижнюю полуформу осторожно по фиксирующим штырям накрывают верхней. Для предотвращения подъема верхней полуформы статическим давлением жидкого металла ее скрепляют с нижней полуформой скобами или ставят грузы.

Заливка форм, выбивка, обрубка и очистка отливок

Заливку жидкого металла в формы производят при помощи литейных разливочных ковшей: ручных (емкостью до 60 кг), крановых чайниковых (емкостью до 1 тонны), крановых стопорных (емкостью до 10 т). Перед заливкой форму подготавливают к заливке: сушат, покрывают термостойкой краской, собирают.

При заливке металла необходимо соблюдать некоторые условия, от которых будет зависеть качество отливки. Основными из них являются: температура перегрева заливаемого металла, длительность заливки, степень заполнения литниковой системы расплавом, высота струи. Например, недостаточно перегретый металл плохо заполняет щелевидные полости формы, приводя к недоливу. Превышение температуры перегрева металла приводит к образованию усадочных и газовых раковин, увеличивает пригар смеси. Оптимальная температура заливки металла в форму составляет: для стального литья 1450…1550 ⁰С; чугунного - 1350…1450 ⁰С; бронзового - 1050…1200 ⁰С и силуминов - 700…750 ⁰С.

При этом для тонкостенных отливок температура перегрева металла примерно на 100 ⁰С выше, чем для толстостенных. Струя металла при заливке должна быть спокойной, без перерывов и завихрений металла, литниковая система должна быть полностью заполнена металлом. Перед заливкой металл, как правило, некоторое время выдерживают в ковше для выделения газов и всплывания неметаллических и шлаковых включений.

После кристаллизации производится выбивка отливки из формы.

Мелкие и средние отливки выбивают из форм на вибрационных выбивных решетках. По роду привода их разделяют на эксцентриковые (привод от шатунно-кривошипного механизма) и инерционные (привод от вала с неуравновешенным грузом). При колебании выбивной решетки форма подпрыгивает на ней, разрушается, куски смеси проваливаются на транспортер, а опока с отливкой остается на решетке.

Для выбивки крупных отливок используют вибрационное коромысло. При этом форму подвешивают краном на коромысле и с помощью вибраторов подвергают вибрации. Смесь просыпается через неподвижную решетку на транспортер, а отливка остается на решетке.

Стержни из отливки выбивают на пневматических вибрационных машинах. Крупные стержни вымывают мощной струей воды.

Отливки, освобожденные от форм и стержней, подвергают обрубке. Обрубкой удаляют литниковую систему и прибыли. Для этого используют прессы-кусачки, ленточные или дисковые пилы, газокислородную и газовую резку. Заливы и неровности на отливке обрубывают пневмозубилом или зачищают абразивным кругом.

После обрубки поверхность отливки очищают от пригоревшей формовочной смеси.

В индивидуальном производстве очистку производят вручную стальными щетками или пневмозубилом. В серийном или массовом производствах - во вращающихся барабанах, дробеструйными, дробеметными машинами или напором сжатого воздуха с песком.

3. Специальные способы получения отливок

Изготовление отливок в песчано-глинистых разовых формах при машинной и особенно при ручной формовке имеет ряд существенных недостатков: невысокая точность и недостаточная чистота поверхности отливок; необходимость оставлять значительные припуски на механическую обработку; образование крупнозернистой литой структуры и др. Поэтому развитие массового производства и повышение требований к отливкам привело к разработке специальных способов литья: в оболочковые формы, по выплавляемым моделям, в кокиль, под давлением, центробежного и других, позволяющих получать отливки повышенной точности, с малой шероховатостью поверхности, минимальными припусками на механическую обработку, обеспечивающих высокую производительность труда и т.д.

Литьем по выплавляемым моделям называется такой метод, при котором полость в огнеупорной оболочковой форме, необходимой для получения отливок, образуется за счет выплавления моделей, изготовленных из легкоплавкой смеси.

Из легкоплавкого модельного состава (50% парафина и 50% стеарина) в металлической пресс-форме, состоящей из двух частей, изготавливают модели отливок и литниковой системы. Полученные модели собирают в блоки, затем путем окунания наносят суспензию, состоящую из 30…40% гидролизованного этилсиликата и 60…70% пылевидного кварца. После этого блок обсыпают мелким сухим кварцевым песком и просушивают в течение 2…2,5 часов. На модельный блок наносят 4…6 слоев огнеупорного покрытия с последующим просушиванием каждого слоя. Выплавление моделей из оболочки производят в сушильных шкафах при температуре 110…120 ⁰С или погружением в горячую воду. Затем огнеупорную оболочку помещают в ящик и засыпают до самой воронки сухим кварцевым песком, помещают в электрическую печь, нагретую до 850…900 ⁰С, и выдерживают 3…4 часа. В процессе прокаливания происходит выгорание остатков модельной смеси, а оболочка приобретает прочность. Вслед за прокаливанием следует заливка формы металлом. Процессы получения отливок по выплавляемым моделям механизированы и автоматизированы. Этот метод способствует получению отливок с высокой точностью, малой шероховатостью поверхности, малой толщиной стенок и сложной конфигурации, массой от нескольких граммов до десятков килограмм.

Кроме выплавляемых моделей в литейном производстве используют выжигаемые (газифицируемые) модели при изготовлении ответственных отливок массой до 3,5 т из чугуна, стали и цветных сплавов в индивидуальном производстве. Для изготовления выжигаемых моделей используют пенополистирол.

При литье в кокиль отливки получают путем заливки расплавленного металла в металлические формы. По конструкции различают кокили неразъемные (вытряхные); с вертикальным разъемом и горизонтальным разъемом. Лучшим материалом для изготовления кокилей является серый чугун.

Технологический процесс состоит из следующих операций. Подготовка кокиля к заливке: на нагретый до 200 ⁰С кокиль наносят пульверизатором слой теплоизоляционной краски, затем подогревают вновь до 300 ⁰С, т.к. заливка металла в холодный кокиль может привести к выбросу; заливка кокиля жидким металлом; охлаждение отливки до ее затвердевания; выемка отливки; удаление стержней; удаление литников и зачистка отливки. Все операции механизированы и автоматизированы. Применяют в массовом и серийном производствах. Кокильные отливки имеют высокую степень точности, малую шероховатость поверхности, высокие механические свойства. К недостаткам относят высокую трудоемкость изготовления кокилей, их ограниченную стойкость, ограниченность получения отливок по массе и размерам.

Центробежным литьем называется такой метод, при котором жидкий металл заполняет полость формы под действием центробежной силы, возникающей во вращающейся форме. Этим методом изготавливают отливки, имеющие форму тел вращения. Он применяется в массовом и серийном производствах. Направленная кристаллизация отливки от наружной поверхности к внутренней обеспечивает получение плотных отливок, свободных от неметаллических включений. В зависимости от положения оси вращения формы центробежные машины подразделяются на машины с вертикальной, горизонтальной и наклонной осью. Если диаметр отливки значительно меньше ее длины, то ось вращения располагают горизонтально. Если же диаметр отливки больше, чем ее высота, то ось вращения располагают вертикально. Преимущества этого метода: получение трубных заготовок без стержней; большая экономия сплава за счет отсутствия литниковой системы; возможность получения двухслойных заготовок.

Литьем под давлением называется такой метод, при котором жидкий металл заполняет полость металлической формы (пресс-формы) под принудительным давлением 30…100 МПа.

Получение отливок производится на специальных машинах с холодной или горячей камерами прессования.

Технологический процесс получения отливок на машинах первого типа заключается в следующем: металл заливается в заливочное окно камеры сжатия ковшом, затем поршнем под давлением сплав заполняет пресс-форму; после затвердевания сплава извлекают металлический стержень, открывают пресс-форму и выталкивают толкателем отливку; далее процесс повторяется. С целью повышения срока службы формы перед началом работы нагревают до температуры 150…300 ⁰С и периодически наносится смазка на трущиеся части пресс-формы.

При правильной эксплуатации срок службы пресс-форм в зависимости от сложности отливок и типа сплава может достигать для цинковых сплавов 300…400 тыс. отливок, для алюминиевых - 80…100 тыс., для медных - 5…20 тыс. Преимущества этого способа: очень высокая производительность; высокая точность и низкая шероховатость поверхности, возможность получения отливок сложной конфигурации. Недостатки: высокая стоимость пресс-форм и оборудования; ограниченность габаритных размеров и массы отливок; образование пористости, раковин в массивных частях отливок. В настоящее время создаются автоматизированные установки литья под давлением.

4. Изготовление отливок из различных сплавов

Теоретические основы производства отливок. Литейные свойства металлов и сплавов

При конструировании литой детали следует учитывать ход процесса затвердевания отливки. В отливках из сплавов, имеющих большую усадку и ликвацию, необходимо, чтобы затвердевание происходило снизу вверх, вследствие чего усадочная раковина, а также ликвирующие включения перемещаются в верхнюю часть отливки, где устанавливается прибыль (элемент литниковой системы для питания отливок в период затвердевания с целью предупреждения образования усадочных раковин).

После заливки металл затвердевает послойно, начиная от стенок формы. При затвердевании и охлаждении уменьшается объем металла, поэтому уровень жидкого металла в прибыли опускается, и последующие слои в ней затвердевают на более низких уровнях. Так как в прибыли металл затвердевает в последнюю очередь, именно в ней и образуется усадочная раковина.

Для производства отливок целесообразно применять сплавы, обладающие хорошими литейными свойствами, позволяющими получать из них отливки весьма сложной конфигурации. К хорошим литейным свойствам сплавов относятся высокая жидкотекучесть, малая усадка при затвердевании и дальнейшем охлаждении, незначительная ликвация, низкая способность сплавов поглощать газы при плавке и заливке.

Жидкотекучестью сплава называется его способность заполнять полость литейной формы и точно воспроизводить очертания этой полости. Жидкотекучесть зависит от химического состава и температуры заливаемого в форму сплава, от температурного интервала кристаллизации, вязкости и поверхностного натяжения расплава, свойств литейной формы и других факторов.

Чистые металлы и сплавы, затвердевающие при постоянной температуре, обладают лучшей жидкотекучестью, чем сплавы, образующие твердые растворы и затвердевающие в интервале температур. Чем выше вязкость, тем меньше жидкотекучесть. С увеличением поверхностного натяжения жидкотекучесть понижается, и тем больше, чем тоньше канал в литейной форме; с повышением температуры заливки расплавленного металла и температуры формы жидкотекучесть улучшается. Увеличение теплопроводности материала формы уменьшает жидкотекучесть, т.е. песчаная форма отводит теплоту медленнее, и расплавленный металл заполняет ее лучше, чем металлическую, которая интенсивно охлаждает расплав.

Усадкой называется свойство металлов и сплавов уменьшаться в линейных размерах и объеме при кристаллизации и охлаждении отливки. Различают линейную и объемную усадку.

Линейная усадка сопровождается уменьшением линейных размеров при кристаллизации и охлаждении отливки. Так, отливки из серого чугуна имеют линейную усадку 0,9…1,3%, из углеродистой стали - 2…2,4%, из алюминиевых сплавов - 0,9…1,5%, из медных - 1,4…2,3%. Стержни и форма оказывают сопротивление линейной усадке металла, в результате в отливке возникают внутренние напряжения, вызывающие коробление, а иногда и образование трещин (горячих или холодных). С целью уменьшения сопротивления линейной усадке формовочные и стержневые смеси изготавливают податливыми. Линейную усадку учитывают при изготовлении модели и стержневых ящиков, увеличивая (уменьшая) размеры, по сравнению с размерами отливки на величину линейной усадки соответствующего сплава.

Объемная усадка сопровождается уменьшением объема металла при кристаллизации и дальнейшем охлаждении, и поэтому в массивном сечении отливки может образовываться усадочная пористость или концентрированная усадочная раковина. Ее устранение осуществляют установкой прибыли или холодильников в этом месте. Прибыль изготавливают более массивной, чем стенки отливки.

Ликвацией называется образование неоднородности химического состава в различных частях отливки. Различают два основных вида ликвации: зональную, когда отдельные зоны отливки имеют различный химический состав, и внутрикристаллическую, характеризующуюся неоднородностью зерна металла. На ликвацию оказывают значительное влияние химический состав сплава, скорость охлаждения и масса отливки.

Газопоглощение - это способность литейных сплавов в жидком состоянии поглощать различные газы (кислород, водород и азот), причем их растворимость растет с повышением температуры жидкого металла. В литейной форме газонасыщенный расплав охлаждается, понижается растворимость газов, и они, выделяясь из металла, могут образовывать в отливке газовые раковины. Технологические литейные сплавы должны обладать хорошей жидкотекучестью, малой усадкой и газопоглощением, а также не ликвировать.

Изготовление отливок из чугуна

В отечественном машиностроении 74% всех отливок изготавливают из серого чугуна, 21% из стали, 3% из ковкого чугуна и 2% из цветных сплавов (алюминиевых, медных и др.). Если принять среднюю стоимость отливки из серого чугуна за 100%, то стоимость отливок составляет: из ковкого чугуна - 130%; из стали - 150%; из цветных сплавов - 300…600%. Поэтому отливки из чугуна находят широкое применение в различных областях промышленности: в станкостроении - станины станков, стойки, колодки, планшайбы, корпуса насосов, втулки, вкладыши и др.; в автостроении - блоки цилиндров, гильзы, поршневые кольца, кронштейны, картеры, тормозные барабаны и др.; в тяжелом машиностроении - корпуса машин, редукторов и др.

Серый чугун, содержащий 2,7…3,5% С; 0,5…4,0% Si; 0,3…1,5% Mn; до 0,2% Р и менее 0,15% S, обладает хорошей жидкотекучестью, минимальной усадкой, сравнительно невысокой температурой плавления, незначительными газопоглощением и склонностью к ликвации, достаточно высокими механическими свойствами (s_в=100…400 МПа; d=0,2…0,5%). Хорошо работает при сжимающих и ударных нагрузках, не чувствителен к внешним надрезам, гасит вибрацию, имеет высокие антифрикционные свойства, легко обрабатывается резанием.

При изготовлении литейных песчано-глинистых форм для отливок из серого чугуна особое внимание нужно уделить литниковой системе. Жидкий металл подводят к тонкому сечению отливки для его подогрева и одновременного затвердевания с более массивными частями. Для получения сложных и крупных отливок металл подводят несколькими питателями для равномерного заполнения всей полости. Прибыли устанавливают только в массивных крупных отливках. В обычном сером чугуне графит кристаллизуется в виде пластинок, которые действуют как внутренние микротрещины.

Высокопрочный чугун получают присадкой в жидкий серый чугун 1,0% смеси магния с ферросилицием или церием. В результате кристаллизации графит принимает не пластинчатую форму, а шаровидную. Состав высокопрочного чугуна до 3,3% С; до 2,5% Si; 0,5…0,8% Mn; менее 0,2% Р и 0,14% S. Эти чугуны имеют более высокие механические свойства, не уступающие литой углеродистой стали, сохраняя при этом положительные свойства чугуна. Так, s_в=373…1180 МПа, d=2…17%. Отливки из высокопрочного чугуна применяют для изготовления деталей прокатного, кузнечно-прессового и горнорудного оборудования, а также дизелей, паровых, газовых и гидравлических турбин, прокатных валков, коленчатых валов и др. Технология изготовления форм для отливок из высокопрочного чугуна ничем не отличается от технологии формовки для получения отливок из серого чугуна.

Ковким называется чугун, который получается при длительном отжиге отливок из белого чугуна. Для этого выплавляют чугун такого химического состава, чтобы при затвердевании в форме он получился белым. Из белого чугуна обычным способом получают отливки, которые затем подвергают отжигу с целью разложения цементита и получения необходимой конечной структуры с выделившимся свободным графитом хлопьевидной формы. Химический состав исходного чугуна: 2,2…2,9% С; 0,8…1,4% Si; 0,3…0,5% Mn; 0,05…0,07% Cr; не более 0,2% Р и 0,1% S. Отливки из ковкого чугуна применяют для изготовления деталей автомобилей, тракторов и других машин, испытывающих в процессе работы сложные напряжения и ударные нагрузки. Особенности изготовления форм для отливок из ковкого чугуна обусловлены повышаемой усадкой белого чугуна, а поэтому необходимо предусматривать установку прибылей в каждом местном утолщении отливки и металлических холодильников, особенно в местах, где скапливается наибольшее количество металла. Ковкий чугун обладает высоким временным сопротивлением 300…630 МПа, относительным удлинением 2…12%, высокими износостойкостью и сопротивлением ударным нагрузкам, хорошо обрабатывается резанием.

В настоящее время до 90% серого чугуна выплавляют в вагранках, а остальное приходится на долю дуговых и индукционных печей.

Производство стальных отливок

Фасонные отливки изготавливаются из углеродистых и легированных сталей. Литейные свойства сталей, особенно легированных, ниже, чем у чугуна. Это может привести к образованию усадочных раковин и трещин в отливках. Для предупреждения образования усадочных раковин в формах предусматривают прибыли, питающие жидким металлом массивные части отливок. Для повышения огнеупорных свойств формовочных смесей в них вводят хромистый кварц, хромистый железняк и магнезит, готовые формы и стержни красят огнеупорной краской. Литниковую систему и расположение отливки в форме выполняют так, чтобы полость формы заполнялась спокойно, а затвердевание отливки было направлено снизу вверх. После охлаждения, выбивки и обрубки отливки подвергаются термической обработке (отжигу). Отжиг производится для снятия внутренних напряжений, измельчения зерна и повышения механических свойств.

В зависимости от назначения отливок применяют углеродистые стали 15Л…60Л, легированные - 30ХГСЛ, 15Х18Н9ТЛ и др., с пределом прочности на растяжение 400…600 МПа и относительным удлинением 10…24%.

Для плавки литейных сталей, как правило, используют дуговые и индукционные печи, иногда мартеновские.

Изготовление отливок из сплавов цветных металлов

Для производства фасонных отливок используют медные сплавы: бронзы и латуни.

Бронзы применяются оловянные и специальные (безоловянные). Оловянные бронзы имеют хорошую жидкотекучесть, высокую усадку, большой интервал кристаллизации, что обуславливает образование в отливках рассеянной пористости.

Безоловянные бронзы обладают хорошей жидкотекучестью и большой усадкой, но малым интервалом кристаллизации, что приводит к образованию в отливках сосредоточенных усадочных раковин.

Латуни имеют удовлетворительную жидкотекучесть, высокую усадку, небольшой интервал кристаллизации, что обуславливает образование усадочных раковин и пористости.

Отливки из медных сплавов в основном (до 80%) изготавливают литьем в песчаные и оболочковые формы, а остальные - литьем в кокиль, под давлением, центробежным и др. Для предупреждения образования усадочных раковин и пористости в массивных узлах отливок устанавливают прибыли и холодильники.

Медные сплавы плавят в индукционных, тигельных и дуговых печах на воздухе, в среде защитных газов или вакууме. Для предохранения металла от окисления плавку производят под слоем древесного угля. Готовый сплав перед заливкой в формы раскисляют фосфористой медью. В качестве противопригарной добавки в формовочную смесь вводят мазут.

Из оловянистых бронз изготавливают зубчатые колеса, подшипники, втулки и др. Безоловянные бронзы используют для изготовления различной арматуры для морского судостроения, червячные винты, санитарно-техническую арматуру.

Алюминиевые литейные сплавы, применяемые для изготовления фасонных отливок, имеют хорошие технологические и механические свойства, которые изменяются в зависимости от состава сплава, методов литья и термической обработки. Отливки из алюминиевых сплавов преимущественно изготавливают литьем в кокиль, под давлением, реже - в песчаные формы. Формовочные и стержневые смеси должны обладать достаточной податливостью.

Учитывая сильную окисляемость алюминиевых сплавов, форму следует заливать непрерывной струей во избежание образования окисных плен.

Плавку алюминиевых сплавов производят в газовых и электрических, тигельных, в пламенных отражательных и индукционных печах.

Отливки из алюминиевых сплавов широко используют в авиационной и ракетной технике, автомобильной, приборостроительной, электротехнической промышленности.

Магниевые сплавы имеют более низкие литейные и механические свойства, чем алюминиевые, но обладают меньшей плотностью (1,8…1,9 г/см³), благодаря чему широко используются в автомобильной, текстильной, приборостроительной, авиационной и ракетной технике. Они при температурах, близких к температуре плавления, вследствие сильного окисления, подвержены возгоранию. Поэтому при изготовлении из них отливок применяют защитные средства: плавку ведут под слоем флюса или в нейтральной среде, в формовочную смесь добавляют до 8% фтористых солей, а в стержневую - смесь борной кислоты и серы (» до 1,0%). Струю металла при заливке в форму припылят серым цветом, а термическую обработку ведут в шахтных печах с защитной атмосферой. Плавку ведут в тигельных электрических печах сопротивления и индукционных печах.

К достоинствам титановых сплавов относят малую их плотность (4,5 г/см³) и высокую прочность (до 1500 МПа). Они особенно широко применяются в ракетной и авиационной технике, в судостроении, турбостроении. Наряду с высокой температурой плавления титана (1665 ⁰С), он обладает высокой химической активностью, поэтому для плавки титановых сплавов применяют специальные вакуумные индукционные печи с графитовым тиглем. Основной способ производства отливок из титановых сплавов - литье в графитовые формы, литье в оболочковые формы, изготовленные из нейтральных оксидов магния, циркония или графитового порошка, в качестве связующего используют фенолформальдегидные смолы.

. Технологичность конструкции литых деталей. Виды брака. Технический контроль

Основным законом конструирования является технологичность отливки.

При разработке технологии отливки необходимо учитывать литейные свойства сплава, технологию изготовления модельного комплекта, формы и стержня, технологию обрубки и очистки отливки. Исходя из условий работы, себестоимости и количества отливок выбирают вид производства (единичное, серийное, массовое), способ литья (в разовые формы, в постоянные и др.), способ формовки (ручная, машинная). Правильно разработанная технология уменьшает брак литья и способствует быстрому освоению отливки в производстве.

Отливки должны иметь по возможности равномерную толщину и прямолинейные очертания стенок, это упрощает конструкцию модели и способствует повышению качества литой детали. Конструкция отливки должна предусматривать наиболее простой разъем модели, что способствует получению литой детали с наиболее точными размерами и облегчает применение формовочных машин. Для облегчения извлечения модели из песчаной формы необходимо на поверхностях, перпендикулярных плоскости разъема, предусмотреть литейные уклоны.

При соединении стенок все острые и прямые углы следует сопрягать радиусом от 1/3 до 1/4 толщины стенки; переход от толстого сечения стенки к тонкому должен быть плавным.

Иногда сложные и крупные отливки при конструировании целесообразно делить на отдельные составляющие, соединяемые затем болтами или сваркой.

Для образования в отливках отверстий минимальные диаметры стержней рекомендуются: для стали 8…10 мм, чугуна 6…8 мм, медных сплавов 5…7 мм, для легких сплавов 4…5 мм.

Основными задачами технического контроля являются: выявление причин отклонения качества отливок от заданного и нарушений технологического процесса, разработка мероприятий по повышению качества продукции; установление соответствия режимов и последовательности выполнения технологических операций, предусмотренных технической документацией; установление соответствия качества материалов, требуемых для производства отливок. Контроль отливок прежде всего осуществляют визуально для выявления окончательного или исправительного брака. Правильность конфигурации и размеров проверяют разметкой, плотность металла отливки - гидравлическими испытаниями под давлением воды до 200 МПа. Внутренние дефекты выявляют в специализированных лабораториях или в литейных цехах (на месте) специальными приборами. Тщательному контролю подвергают литейную оснастку (модели, стержневые ящики и др.) и весь технологический процесс на всех этапах производства отливок (контроль свойств формовочных и стержневых смесей, химического состава, температуры заливки металла и др.).

Дефекты отливок подразделяют на наружные и внутренние. Основными из них являются:

1 Недолив - не полностью выполненная конфигурация отливки в связи с низкой температурой заливки, недостаточной жидкотекучестью, неправильно рассчитанной литниковой системой, уходом металла из формы.

2 Заливы - различные выступы и приливы на теле отливки, не предусмотренные чертежом. Образуются они из-за неплотного прилегания полуформ, чрезмерно больших зазоров у знаков стержней.

3 Пригар - шероховатая поверхность отливки, получающаяся в результате проникновения жидкого металла в стенки формы или в результате химического взаимодействия материала формы с жидким металлом. Возникает при чрезмерно высокой температуре заливки и недостаточной огнеупорности формовочных и стержневых смесей.

4 Коробление - искажение конфигурации и размеров отливки под действием напряжений, вызванных неравномерной усадкой. Этот дефект возникает в результате неравномерного остывания отдельных частей отливки в форме, а также после выбивки.

5 Усадочные раковины, рыхлость и пористость - открытые или закрытые пустоты в теле отливки, имеющие шероховатую поверхность. Образуются в утолщенных местах отливки, а также при неправильном подводе металла в форму или из-за слишком высокой температуры заливаемого металла.

6 Газовые раковины - имеют гладкую и чистую поверхность. Их образование связано с заливкой форм газонасыщенным металлом, пониженной газопроницаемостью или повышенной влажностью форм и стержней, с захватом воздуха струей заливаемого металла.

7 Шлаковые раковины - полости в теле отливки, частично или полностью заполненные шлаком. Возникают при некачественной очистке от шлака заливаемого металла, от неправильно выбранной литниковой системы, не обеспечивающей улавливание шлака.

8 Песчаные раковины - полости в теле отливки, содержащие формовочный материал. Этот дефект появляется в результате недостаточной прочности формовочной и стержневой смесей, слабой набивки формы.

9 Горячие трещины - разрывы или надрывы в теле отливки с окисленными поверхностями. Образование горячих трещин вызывается резкими переходами в конструкции отливок от толстых сечений к тонким, затрудненной усадкой металла, при плотной набивке формы, слишком высокой температурой заливки.

10 Холодные трещины - разрывы или надрывы в теле отливки с чистыми поверхностями. Образуются, когда затруднена усадка отливки, при преждевременной ее выбивке из формы, а также от сильных ударов при обрубке или выбивке.

Дефекты отливок выявляются различными методами контроля. Соответствие размеров отливок размерам чертежа устанавливают путем разметки. Механические свойства отливок контролируют испытаниями отдельных изготовленных образцов, а также образцов, вырезаемых из тела отливки.

Отливки, которые по условиям работы должны выдерживать повышенное давление жидкости или газа, подвергают гидравлическим и пневматическим испытаниям при давлениях, несколько превышающих рабочее давление.

Внутренние дефекты отливок выявляются методами радиографической и ультразвуковой дефектоскопии.

Сущность радиографических методов заключается в облучении отливок рентгеновскими или гамма лучами. Благодаря малой длине волны, эти лучи легко проходят сквозь толщу отливок. Когда внутри отливок имеются дефекты, которые в меньшей степени поглощают лучи, чем сам металл, то на рентгеновской пленке лучи, проходя через такие дефекты, дают более интенсивное почернение.

Для выявления наружных поверхностных дефектов применяются люминесцентный контроль, магнитная и цветная дефектоскопия.

Литература

1.      Материаловедение и технология металлов: Учебник для ВУЗов по машиностроительным специальностям / Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюнин и др. - М.: Высшая школа, 2010. - 637 с.: ил.

.        Материаловедение: Учебник для ВУЗов, обучающих по направлению подготовки и специализации в области техники и технологии / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др. - 5-е изд., стереотип. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013. - 646 с.: ил.

.        Лахтин Ю.М., Леонтьева В.Н. Материаловедение. Учебник для ВУЗов технич. спец. - 3-е изд. - М. Машиностроение, 2010. - 528 с.

.        Технология конструкционных материалов: Учебник для студентов машиностроительных ВУЗов / А.М. Дальский, Т.М. Барсукова, Л.Н. Бухаркин и др.; Под общ. ред. А.М. Дальского. - 5-е изд., испр. - М. Машиностроение, 2013. - 511 с.: ил.

.        Технология конструкционных материалов. Учебник для студентов машиностроительных специальностей ВУЗов в 4 ч. Под ред. Д.М. Соколова, С.А. Васина, Г.Г Дубенского. - Тула. Изд-во ТулГУ. - 2007.

.        Материаловедение и технология конструкционных материалов. Учебник для ВУЗов / Ю.П. Солнцев, В.А. Веселов, В.П. Демьянцевич, А.В. Кузин, Д.И. Чашников. - 2-е изд., перер., доп. - М. МИСИС, 2006. - 576 с.

.        Богодухов С.И. Курс материаловедения в вопросах и ответах: Учеб. пособие для ВУЗов, обуч. по направлению подгот. бакалавров «Технология, оборуд. и автомат. машиностр. пр-в» и спец. «Технология машиностроения», «Металлорежущие станки и инструменты» и др. / С.И. Богодухов, В.Ф. Гребенюк, А.В. Синюхин. - М.: Машиностроение, 2003. - 255 с.: ил.