Специальные виды литья
Применение специальных видов литья позволяет повысить производительность труда, точность размеров, качество поверхности и механические свойства отливок. Это достигается за счет каких-либо принципиальных изменений технологии (способа формовки, заливки) или средств технологического оснащения (моделей, форм), что увеличивает себестоимость отливок. Поэтому каждый из этих способов имеет определенные области применения, в которых достигается наибольшая эффективность.
Литьё в оболочковые формы (ЛОФ)
ЛОФ основано на применении горячетвердеющих формовочных смесей со связующими из термореактивных смол. При нанесении смеси на горячую модельной плиту смола переходит из твердого в вязкотекучее состояние, воспроизводит очертания моделей и затем необратимо затвердевает, сохраняя полученную конфигурацию.
230
Рис. 12.13. Схема формовки при литье в оболочковые формы: а – подготовка; б – обсыпка; в – переворот; 1 – формовочная смесь; 2 – бункер; 3 – модельная плита; 4 –модель; 5 – оболочка; 6 – готовая полуформа.
Технологический процесс изготовления оболочковых полуформ, осуществляемый на одно - и многопозиционных машинах, состоит из нескольких этапов: Вначале (
рис.
12.13, а) производится нагрев модельной плиты 3 до температур 200…250°С и покрытие ее разделительным составом для предупреждения прилипания оболочки. Затем производится засыпка нагретой модельной плиты термореактивной смесью, состоящей из кварцевого песка и связующего - термореактивной смолы, например фенолформальдегидной. Для этого бункер 2 со смесью 1 накрывают модельной плитой и переворачивают на 180° (
рис.
12.13, б). Формовочная смесь нагревается, смола переходит в вязко-текучее состояние, и смесь воспроизводит очертания модели, образуя оболочку 5, которая через 20…30 с отверждается. Затем бункер переворачивают, и незатвердевшая смесь ссыпается в него, а оболочка толщиной 6…12 мм остается на модельной плите (
рис.
12.13, в). Окончательное отверждение полуформы происходит при нагревании ее на модельной плите в печи при 280…320°С. При этом процесс поликонденсации смолы завершается, и полуформа приобретает заданную прочность. Оболочковая полуформа 6 снимается с модельной плиты при помощи толкателей.
Вторую полуформу получают аналогично на другой модельной плите. Затем производится склеивание полуформ и заливка формы расплавом.
231
Относительно крупные оболочковые формы перед заливкой засыпают чугунной дробью в опоках для повышения прочности.
К достоинствам ЛОФ относятся: Минимальный брак отливок по горячим трещинам и газовым раковинам, т.к. после заливки формы и ее прогрева расплавом, термореактивная смола начинает разлагаться (при t > 450°С), чем обеспечивается, как незатрудненная усадка отливки, так и отвод газов.
Простота механизации и автоматизации процесса. Повышенная точность размеров (IT 13…14) и качество поверхности отливок (Rz 40…10 мкм). К недостаткам относятся: высокая стоимость и вредность термореактивных смол, сложность регенерации смесей.
ЛОФ традиционно получают ответственные отливки, прежде всего из чугуна, такие как ребристые цилиндры двигателей воздушного охлаждения, коленчатые и распределительные валы и др. Однако, в связи с вредностью и энергоемкостью процесса, его все чаще заменяют на литье в песчаные формы из холоднотвердеющих смесей.
Литьё по выплавляемым моделям (ЛВМ)
ЛВМ основано на применении моделей из легкоплавкого состава, которые после формовки выплавляются из формы (не извлекаются механически), что позволяет получать отливки наиболее сложной конфигурации с высокой точностью размеров.
Технологический процесс литья, осуществляемый на автоматических линиях, состоит из следующих этапов: Модели отливок 1 (
рис.
12.14, а) с элементами литниковой системы изготавливают в разъемной пресс-форме 2 запрессовкой в нее легкоплавкого модельного состава, например 50% парафина и 50% стеарина.
232
Рис. 12.14. Технология литья по выплавляемым моделям: а – изготовление модельных звеньев; б – сборка модельного блока; в – формовка окунанием; г – обсыпка огнеупором; д – сушка; е – выплавление моделей; ж – засыпка; з – прокаливание формы; и – заливка; 1 – модель; 2 – пресс-форма; 3 – блок моделей; 4 – слой суспензии; 5 –огнеупор; 6 – нагревательная печь; 7 – расплав.
Полученные звенья моделей собирают в блоки с моделью воронки пайкой, сваркой или механически на металлической оправке. Формовка осуществляется погружением моделей в жидкую формовочную смесь. Блок моделей 3 (
рис.
12.14, б) окунают в сосуд с огнеупорной суспензией, содержащей около 90 % тонко измельченного огнеупорного материала
(кварцевого песка, корунда) и жидкого связующего (раствора гидролизованного этилсиликата). На поверхности модели образуется тонкий слой суспензии 4 (
рис.
12.14, в). С целью увеличения толщины этого слоя его
233 обсыпают огнеупором
5 (
рис.
12.14,
г). Для получения необходимой толщины формы нанесение суспензии и обсыпку производят несколько раз с промежуточной сушкой. Каждый слой высушивают горячим воздухом (
рис.
12.14,
д). Просушенную форму помещают в сосуд с горячей водой (
рис.
12.14,
е) или ванну с модельным составом и выплавляют модели. После выплавления модельного состава форму сушат на воздухе, а затем помещают в металлический контейнер (опоку) и засыпают снаружи песком,
который уплотняют вибрацией, что повышает жесткость формы (
рис.
12.14,
ж). Для упрочнения формы ее прокаливают в нагревательной печи 6 (
рис.
12.14,
з).
Одновременно происходит выгорание остатков модельного состава, которые могли бы привести к образованию газовых раковин в отливках. Раскаленная форма заливается расплавом
7 (
рис.
12.14,
и). Высокая температура формы обеспечивает повышение жидкотекучести расплава и получение тонкостенных отливок сложной конфигурации. После кристаллизации расплава и охлаждения отливки форму разрушают. Остатки растрескавшейся керамической оболочки на поверхности отливки удаляют выщелачиванием в растворе едкого натра при температуре 120°С.
К достоинствам ЛВМ относятся: Возможность получения отливок самой сложной конфигурации с тонкими стенками – от 1 мм, т.к. нет механического извлечения моделей, а заливка осуществляется в горячую форму. Высокая точность размеров (
IT 8…11) и качество поверхности (
Rz 40…10 мкм), т.к. нет механического извлечения моделей и используется мелкий огнеупор.
Отсутствие перекосов в отливках (форма неразъемная).
К недостаткам процесса можно отнести: Сложность технологического процесса и, соответственно, высокая стоимость отливок. Возможность окисления, обезуглероживания поверхностного слоя, крупнозернистость.
Газонасыщенность отливок из-за низкой газопроницаемости формы.
ЛВМ применяют, прежде всего, при производстве небольших отливок сложной конфигурации из стали и тугоплавких сплавов. Способ особенно эффективен, если отливки по качеству поверхности и точности
234 удовлетворяют предъявляемым к детали требованиям, и нет необходимости в последующей обработке резанием. Этим способом получают коромысла клапанов двигателей, детали швейных машин, стрелкового оружия, ювелирные изделия, а также лопатки газотурбинных двигателей, мерительный и режущий инструмент.
Кокильное литье (КЛ)
КЛ (или литье в кокиль) – это литье, осуществляемое свободной заливкой многократной металлической формы. Главной особенностью КЛ является высокая скорость охлаждения отливок из-за большой теплопроводности формы, что имеет весьма разнообразные последствия (высокие механические свойства продукции, но пониженная стойкость самого кокиля; высокая производительность, но ограниченность минимальной толщины стенки и т.д.).
Изготавливаются кокили литьем из чугуна (СЧ20, ВЧ40 и др.) или стали
(15Л, 20Л и др.) с последующей обработкой резанием (для повышения точности размеров и получения вентиляционной системы для вывода газов).
Кокили бывают разъемные и неразъемные (вытряхные), с горизонтальным и вертикальным разъемом. Для получения отверстий и полостей используют стержни, чаще всего металлические, изготовленные из жаропрочных легированных сталей (30ХГС, 35ХГСА и др.). При сложной конфигурации отверстий и полостей применяют песчаные или разъемные металлические стержни.
На рисунке (
рис.
12.15) изображен кокиль для получения поршня. Кокиль состоит из двух половин 1, 5 и нижней плиты 6. Для получения отверстий в поршне используются металлические стержни. Причем, если боковые стержни под поршневые пальцы 7, будут затем извлекаться из отливки без особых затруднений, то извлечь центральный стержень можно только, если он разъемный. После охлаждения отливки сначала извлекается центральная клиновая часть 2, а затем боковые 3.
235
Рис. 12.15. Кокиль для получения поршня: 1 – левая половина кокиля; 2 – клиновая часть центрального стержня; 3 – боковые части центрального стержня; 4 - полость формы; 5 – правая половина кокиля; 6 – нижняя плита; 7
– боковые стержни.
Технология ЛК включает следующие операции: Подогрев кокиля перед заливкой до 150…350ºC и нанесение защитного огнеупорного покрытия толщиной 0,3…0,5 мм (например, окиси цинка на жидкостекольном связующем при литье алюминиевых сплавов). При литье чугуна наносят достаточно толстый слой огнеупорной футеровки (футерованные кокили).
Сборка кокиля, включающая соединение его частей, установку стержней.
Заливка расплава через литниковую систему. Кристаллизация и охлаждение отливок до заданной температуры. Раскрытие кокиля, извлечение стержней и отливок.
К достоинствам ЛК относятся: Комплекс высоких механических свойств отливок (прочности, пластичности, ударной вязкости) благодаря образованию мелкозернистой структуры из-за высокой скорости охлаждения расплава. Повышенные точность размеров (IT 12…15) и качество поверхности отливок (Rz 80…10 мкм). Высокая производительность в результате автоматизации и сокращения трудоемких операций смесеприготовления, формовки, очистки отливок.
236
К недостаткам процесса можно отнести: Трудность получения тонкостенных отливок из-за высокой скорости охлаждения расплава и плохой заполняемости кокиля. Из-за интенсивного охлаждения возможно появление нежелательных структурных изменений, например отбела в отливках из чугуна. Высокие внутренние напряжения в отливках из-за большой разности температур по сечению отливки и неподатливости кокиля. Относительно высокая стоимость кокиля.
Наиболее широко ЛК применяется для получения ответственных отливок из цветных сплавов (на основе алюминия, меди и др.) в серийном и массовом производстве, например головок блоков цилиндров, поршней и т.д. отливки из чугуна ЛК получают при необходимости искусственно вызванного отбела на поверхности и, соответственно, высокой износостойкости у прокатных валков, распределительных валов и др.
Литьё под давлением (ЛД).
ЛД характеризуется принудительным заполнением формы расплавом под избыточным давлением. Металлические формы для ЛД, называемые пресс- формами, имеют более сложную конструкцию и изготавливаются более тщательно, чем кокили. Формы и стержни для литья под давлением делают стальными. Применение песчаных стержней исключено, т.к. струя металла под давлением может их разрушить. Для осуществления процесса необходимо применение специальных машин, которые могут быть с вертикальной и горизонтальной, с горячей и холодной камерой прессования.
Принципиальная схема получения отливки на машине для ЛД с холодной горизонтальной камерой прессования поршневого типа приведена на рис.
12.16.
237
Рис. 12.16. Схема литья под давлением: 1 - стержень, 2 - неподвижная половина пресс-формы: 3 - рабочая полость; 4 – ковш; 5 – расплав; 6 - камера прессования; 7 – поршень; 8 - подвижная половина пресс-формы; 9 – выталкиватель.
Технология литья под давлением обычно включает следующие операции:
Подогрев пресс-формы до 120…300°С для снижения температурного перепада и повышения разгаростойкости; Смазка - опрыскивание полости пресс-формы разделительным составом. Соединение половин пресс-формы 2 и 8, установка стержня 1. Заливка расплава 5 в окно камеры прессования 6 и подача металла под давлением поршня 7 в полость пресс-формы 3
(запрессовка). Кристаллизация и охлаждение металла до заданной температуры. Извлечение стержня из отливки, раскрытие пресс-формы, извлечение отливки из формы с помощью выталкивателей 9.
Преимущества ЛД перед другими способами: Наиболее высокая для литья производительность (до 1000 отливок/час). Наиболее высокие точность размеров (IT 8…13) и качество поверхности отливок (Rz 10…40 мкм).
Наименьшая толщина стенок отливок (от 0,4 мм для сплавов на основе цинка). Недостатки способа: Газовая пористость отливок (из-за быстрого заполнения формы и затрудненного выхода газов), что ведет к снижению плотности, механических свойств и ограничивает возможности упрочнения сплавов термообработкой. Прочность повышают путем армирования отливок
– установки в пресс-форму стальных упрочняющих элементов, которые остаются в отливке. Габаритные размеры отливок ограничиваются усилием
238 запирания пресс-формы (до 12,5МН). С увеличением температуры заливки резко снижается стойкость пресс-форм, которые выдерживают: 150…300 тыс. запрессовок при литье сплавов алюминия; 50…80 тыс. – магния; 5…10 тыс. - меди.
ЛД широко применяется в серийном и массовом производстве тонкостенных отливок из цветных сплавов. В машиностроении способ применяют для изготовления широкой номенклатуры корпусных отливок, в том числе в автомобилестроении – для блоков цилиндров, картеров, а также крышек генераторов и других армированных отливок. Для решения проблем газонасыщенности отливок применяют вакуумирование пресс-формы, регулирование состава газов в ней.
Центробежное литьё (ЦЛ)
ЦЛ – это литье, осуществляемое при заливке расплава в металлическую вращающуюся форму. При ЦЛ заливка и кристаллизация расплава происходит в поле действия центробежных сил, что благоприятно сказывается на строении и свойствах отливок.
Для центробежного литья применяют специальные формы - центробежные изложницы, изготавливаемые обычно из чугуна с внутренней огнеупорной облицовкой. Процесс осуществляется на специальных машинах с горизонтальной (
рис.
12.17, а), вертикальной (
рис.
12.17, б) или наклонной осью вращения.
239
Рис. 12.17. Схемы центробежного литья: а – с горизонтальной осью вращения; б - с вертикальной осью вращения; в - центрифугирование; 1 – заливочный желоб; 2 – ковш; 3 – отливка; 4 – изложница; 5 - дефектный слой; 6 - полуформы; 7 - стояк; 8 - питатели; 9 – форма; d – диаметр дефектного слоя.
Технология ЦЛ включает следующие операции (
рис.
12.17): Покрытие внутренней поверхности изложницы 4 огнеупорным составом для снижения термохимического взаимодействия с расплавом; Установка крышки, препятствующей вытеканию металла из формы или позволяющей усложнить конфигурацию отливки. Приведение изложницы во вращение. Заливка расплава из ковша 2 по желобу 1 во вращающуюся форму. Охлаждение отливки до заданной температуры. При этом происходит направленная кристаллизация расплава - от наружной поверхности отливки к внутренней.
Более тугоплавкие составляющие литейного сплава, закристаллизовавшиеся первыми (как более тяжелые), центробежными силами смещаются к периферии, а менее тяжелые (в том числе шлаковые включения и газы) - к внутренней свободной поверхности. За счет этого происходит очистка
240 металла от примесей и повышение механических свойств. Снятие крышки и извлечение отливки 3 из формы.
На машинах с вертикальной осью вращения (
рис.
12.17, б) металл из ковша заливают в изложницу сверху. Центробежными силами расплав прижимается к боковой цилиндрической стенке, образуя жидкий кольцевой слой. Форма вращается до полного затвердевания и охлаждения металла, после чего ее останавливают и извлекают отливку. При вертикальной оси вращения отливки имеют параболическую внутреннюю поверхность. Толщина верхней части отливки меньше, чем нижней, т.к. под действием силы гравитации металл стекает вниз. Таким способом получают отливки небольшой высоты
(короткие втулки, кольца, венцы червячных зубчатых колес и др.). Получать отливки без центрального отверстия (
рис.
12.17, б) нежелательно, т.к. центральная их часть всегда будет иметь дефекты строения 5 – пористость и неметаллические включения. Для производства труб применяют труболитейные машины с наклонной осью вращения. Ось вращения изложницы имеет наклон (5°), что наряду с наличием подвижного желоба, позволяет получать трубы длиной до 10 м.
Достоинства ЦЛ: Высокое качество металла отливки из-за плотной структуры, отсутствия неметаллических включений и пористости. Способ характеризуется наиболее высоким технологическим выходом годного из-за отсутствия затрат металла на литниковую систему. Отсутствие стержней для оформления центральных отверстий ведет к существенной экономии. На рис.
12.17, в приведена схема использования центробежных сил для повышения плотности отливок – центрифугование. Дефекты в этом случае располагаются в стояке 7, а качество самих отливок повышается. Этим способом трудно получать отливки из сплавов, склонных к ликвации, которая, в данном случае, инициируется центробежными силами.
Получаемые центральные отверстия имеют невысокую точность размеров и качество поверхности, что вызывает необходимость снятия больших припусков при последующей обработке резанием.
241
ЦЛ чаще всего применяется для получения отливок из чугуна и медных сплавов в форме тел вращения: труб, втулок, колец и др., например, гильз цилиндров и поршневых колец двигателей.
Кроме описанных выше применяют много других специальных видов литья: литье под регулируемым давлением, вакуумным всасыванием, электрошлаковое и др., которые позволяют повысить качество отливок.
12.3. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОТЛИВОК ИЗ РАЗЛИЧНЫХ СПЛАВОВ
В отечественном машиностроении около 70% всех отливок изготавливают из чугуна, около 17% - из стали, остальное - из цветных сплавов.
Производство отливок из чугуна
Плавка чугуна осуществляется в вагранках и в электропечах. Вагранка - это печь шахтного типа, принцип работы которой похож на принцип действия доменной печи. Стальной кожух футеруется изнутри огнеупорным материалом, обычно шамотом. Загрузка шихты осуществляется порциями
(колошами) с помощью подъемника. В состав металлической колоши могут входить доменные чушковые чугуны, чугунный и стальной лом, возврат
(литники и брак), брикетированная стружка, природно-легированные чугуны и ферросплавы. Вагранка обычно работает на коксе, а в качестве флюса используется известняк. Топливо (кокс) - сгорает в струе воздуха, вдуваемого через фурмы, шихта расплавляется и происходят химические реакции, необходимые, прежде всего, для удаления из чугуна избытка примесейn.
Жидкий чугун вытекает в копильник, установленный перед вагранкой и оттуда раздаточными ковшами подается на заливку. Электрические плавильные печи - дуговые и индукционные, широко использующиеся в современных литейных цехах, - позволяют повысить технико-экономические и санитарно-гигиенические показатели плавки.
Важнейшими факторами, определяющими структуру чугунной отливки, являются химический состав и скорость охлаждения. Углерод и кремний способствуют образованию графита, т.е. являются графитизирующими
242 элементами. Сера и хром препятствуют графитизации - увеличение их содержания приводит к образованию структуры белого чугуна (отбелу).
Содержание серы и фосфора в чугуне должно быть ограничено, так как сера, кроме того, снижает жидкотекучесть, а фосфор придает чугуну хрупкость.
Скорость охлаждения отливки влияет на образование той или иной структуры чугуна. С увеличением скорости охлаждения отливки повышается содержание в чугуне цементита (уменьшается содержание свободного углерода), с уменьшением скорости охлаждения отливки увеличивается содержание в чугуне графита. Поэтому отливки со стенками разной толщины
(охлаждающиеся с различной скоростью) при одном и том же химическом составе имеют разную микроструктуру, а, следовательно, и прочность.
Толстая часть отливки, охлаждающаяся медленнее, содержит больше графита, ее металлическая основа мягкая, ферритная. По мере уменьшения толщины стенки отливки (увеличения скорости охлаждения) уменьшается количество графита, металлическая основа становится более прочной, так как в ней увеличивается доля перлита. В самых тонких частях отливки может образоваться структура белого чугуна. Отбел, получающийся в тонких частях и на поверхности отливки, охрупчивает ее и затрудняет дальнейшую обработку резанием, так как цементит, входящий в состав белого чугуна имеет очень высокую твердость и хрупок. Для устранения отбела отливки подвергают отжигу, т.е. нагреву, выдержке при температуре 900
С и медленному охлаждению. При этом цементит распадается с образованием углерода отжига - в виде хлопьевидного графита. Иногда получение отбеленного слоя на поверхности отливок необходимо для увеличения его твердости и износостойкости (например, поверхность кулачка распределительного вала). В этом случае в форму устанавливаются холодильники (чугунные или стальные вставки), обеспечивающие увеличение скорости охлаждения поверхности отливок.
Серый чугун является самым дешевым и наиболее распространенным материалом для изготовления различных отливок. Он обладает хорошими
243 литейными свойствами - высокой жидкотекучестью и низкой усадкой (1%), что позволяет получать из него отливки самой сложной конфигурации.
Механические свойства серого чугуна повышаются путем модифицирования.
При модифицировании в жидкий чугун за 5…10 минут до разливки вводят в измельченном виде небольшое количество (до 1%) модификатора - ферросилиция, силикокальция и др. Мелкие частицы модификатора увеличивают число центров кристаллизации (зародышей) и тем самым приводят к измельчению зерен в структуре отливки, а, следовательно, и к увеличению ее прочности. Так получают чугуны СЧ24…СЧ35.
Заэвтектический ферритный серый чугун состоит из мягкого и пластичного феррита и пластинок графита, т.е. почти весь углерод находится в свободном состоянии. Из-за низкой прочности его применяют для отливок неответственного назначения: СЧ10 - малоответственные отливки
(строительные колонны, фундаментные плиты); СЧ15 - малонагруженные детали сельскохозяйственных машин, станков, автомобилей.
Доэвтектический перлитно-ферритный серый чугун в своей структуре содержит перлит, феррит и графит. В этом чугуне часть углерода находится в графите, а часть - связана с железом (в цементите, входящий в состав перлита) и феррите. Этот чугун обладает повышенной прочностью, его широко используют для получения машиностроительных отливок: (СЧ20,
СЧ25, СЧ30, СЧ35 - станины станков, картеры коробок передач, тормозные барабаны). Эвтектический перлитный серый чугун состоит из перлита и пластинчатого графита. Углерод, как и в феррито-перлитном чугуне, находится частично в свободном состоянии – в виде графита, а частично в виде цементита перлита. Этот чугун обладает высокой прочностью
(благодаря прочности перлита) и используется для получения отливок ответственного назначения.
Чугун с вермикулярным графитом имеет более высокую прочность, чем серый чугун, и превосходит его по показателям пластичности (
до 3%).
Обладая, кроме того,
хорошими литейными свойствами, чугун с
244 вермикулярным графитом позволяет изготавливать ответственные отливки с толщиной стенок до 500 мм.
В высокопрочном чугуне графит имеет наиболее компактную шаровидную форму. Для получения графита шаровидной формы чугун модифицируют магнием, церием иттрием. Чугун, подвергаемый модифицированию, должен быть низкосернистым, так как повышенное содержание серы приводит к увеличению расхода модификатора и к образованию дефектов структуры.
Жидкотекучесть высокопрочного чугуна почти такая же, как и у серого чугуна, при одном и том же химическом составе и прочих равных условиях
(температуре заливки, скорости охлаждения и др.). Линейная усадка высокопрочного чугуна выше, чем серого, что затрудняет изготовление отливок без усадочных дефектов и часто требует применения прибылей.
Высокопрочный чугун используется его для изготовления ответственных отливок: коленчатые и распределительные валы автомобилей, детали прокатного, кузнечно-прессового и горнорудного оборудования, а также дизелей, паровых, газовых и гидравлических турбин и т.д. Отливки изготавливаются всеми рассмотренными выше способами, кроме литья под давлением.
Ковкий чугун используется для изготовления ответственных деталей, работающих при динамических и знакопеременных нагрузках. Из ферритных чугунов (КЧ 30-6, КЧ 33-8, , КЧ 35-10 КЧ 37-12) изготавливают фланцы, кронштейны рессор, картеры редукторов, ступицы, пробки системы охлаждения. Из перлитных чугунов (КЧ 45-7, КЧ 50-5, КЧ 55-4, КЧ 60-3, КЧ
65-3, КЧ 70-2, КЧ 80-1,5) - вилки карданных валов, втулки, муфты, тормозные колодки, звенья и ролики цепей конвейеров.
Однако, в связи со сложностью технологии получения и высокой стоимостью, ковкий чугун все чаще заменяется чугуном с вермикулярным графитом.
Из легированного чугуна изготавливают детали, работающие в условиях значительного износа и больших механических нагрузок. хромистые чугуны
245
ЖЧХ1…ЖЧХ30 применяются для изготовления жаростойких и износостойких отливок, никелевые – ЧНХТ, ЧН15Д3Ш (нирезист),
ЧН20Д2Ш (никросилал) и др. – для износостойких и коррозионностойких.
Производство стальных отливок
Стали, применяемые для изготовления отливок по ГОСТ 977-88, делятся на углеродистые и легированные. Углеродистые стали – качественные - содержат от 0,15 до 0,55 % С (ГОСТ 977-88) и маркируются, соответственно,
15Л…55Л, где буква "Л" обозначает принадлежность к литейным сталям.
Низкоуглеродистая сталь имеет феррито-перлитную структуру (с преобладанием феррита) с невысокой прочностью. С повышением содержания углерода увеличивается количество перлита в структуре отожженной стали, при этом прочность возрастает, а пластичность падает.
Литейные стали имеют более низкие литейные свойства, чем чугуны. Усадка углеродистой стали значительно больше усадки серого чугуна, что приводит к необходимости борьбы с усадочными дефектами путем установки в форме прибылей, питающих бобышек и холодильников. Жидкотекучесть стали меньше, чем чугуна, что требует более высокой температуры заливки, повышенной суммарной площади сечения питателей и применения прибылей.
Для плавки литейных сталей обычно используют электропечи. В качестве шихтовых материалов применяют стальной лом, отходы собственного производства, передельный чугун, флюсы и др. Отливки из сталей чаще всего получают литьем в песчаные формы, по выплавляемым моделям, под давлением. Литая сталь имеет крупнозернистую структуру и низкие механические свойства. Для измельчения структуры, снятия внутренних напряжений и повышения свойств отливки подвергают отжигу, нормализации и другим видам термической обработки.
Область применения литейных углеродистых сталей: сталь 15Л - неответственные детали; сталь 25Л - корпусные детали; сталь 30Л - станины,
246 ступицы колес; сталь 35Л - балки задних мостов; сталь 45Л - зубчатые колеса, тормозные диски; сталь 55Л - валки горячей прокатки.
Легированные стали используют в энергомашиностроении, химической и нефтегазовой промышленности, металлургии и пр. Из них изготавливают турбинные лопатки, клапаны гидропрессов, арматуру химической промышленности и др. Например, высоколегированная сталь 110Г13Л (сталь
Гадфильда), содержащая 1,1% углерода и 13% марганца, применяется для производства особоизносостойких деталей.
Производство отливок из алюминиевых сплавов Для производства отливок применяют алюминиевые сплавы на основе систем
Al-Si, Al-Cu, Al-Mg и др. по ГОСТ 1583-93.
Литейные алюминиевые сплавы отличаются высокой удельной прочностью, пластичностью, обрабатываемостью резанием, стойкостью к окислению.
Наиболее распространенные сплавы - силумины (сплавы на основе системы
Al-Si) - имеют высокую жидкотекучесть и небольшую усадку, большинство остальных литейных алюминиевых сплавов имеют более низкую жидкотекучесть, повышенную усадку, в расплавленном состоянии сильно поглощают водород, что ухудшает свойства.
Плавку алюминиевых сплавов осуществляют обычно в электрических печах сопротивления и индукционных печах. Для защиты расплава от окисления и газонасыщения плавку ведут под слоем покровного флюса, представляющего собой смесь хлористых солей натрия и калия. Перед
разливкой алюминиевые сплавы подвергают рафинированию, задача которого заключается в очищении жидкого сплава от газов, оксидов и неметаллических включений.
Рафинирование производят, например, пропусканием через ванну жидкого металла газообразного хлора, который захватывает растворенные газы и неметаллические включения. Для повышения механических свойств силумины подвергают модифицированию хлористыми и фтористыми солями натрия и калия, в результате чего улучшается структура сплава.
247
Основными методами получения отливок из алюминиевых сплавов являются литье в кокиль, под давлением, в песчаные формы. Из-за высокой склонности к газонасыщению алюминиевых сплавов применяют фильтрацию расплавов через сетчатые фильтры в литниковой системе (для удаления неметаллических включений), расширяющиеся литниковые системы (для плавного заполнения литейных форм и уменьшения окисления) и т.д.
Отливки из алюминиевых сплавов широко используются в авиационной и ракетной технике, автомобильной, приборостроительной, машиностроительной, судостроительной и электротехнической промышленности. Из алюминиевых сплавов изготавливают блоки цилиндров, головки блоков, корпуса насосов, судовые винты, авиационные детали и др.
Производство отливок из магниевых сплавов
Магниевые сплавы имеют малую плотность и, соответственно, высокую удельную прочность при
в до 450
МПа, приемлемую пластичность (
до
9%). Они хорошо работают при динамических нагрузках, имеют удовлетворительную коррозионную стойкость, хорошо обрабатываются резанием. Упрочняющая термическая обработка значительно повышает механические свойства магниевых сплавов. Магниевые сплавы легко окисляются, сильно растворяют водород и склонны к самовозгоранию при плавке и заливке форм. Поэтому плавку магниевых сплавов проводят в тигельных электрических печах сопротивления и индукционных печах под слоем хлористых флюсов или в среде защитных газов. Для измельчения зерна сплавы модифицируют, например, введением углеродсодержащих веществ (мела, мрамора и др.). Для предотвращения возгорания сплава при заливке форм струю расплавленного металла припыливают порошком серы, связывающий кислород воздуха.
Магниевые сплавы имеют низкие литейные свойства - пониженную жидкотекучесть, повышенную усадку, склонны к образованию трещин. Для
248 получения отливок из магниевых сплавов применяют литье в песчаные формы, в кокиль и другие способы. Для предупреждения образования усадочных раковин и пористости в формах предусматривают прибыли и холодильники, в формовочные смеси добавляют серу и борную кислоту, обеспечивают плавный подвод расплава через расширяющиеся литниковые системы, сам расплав фильтруют для очистки от неметаллических включений.
Для отливок наибольшее применение нашли сплавы систем Mg-Al-Zn и Mg-
Zn. Из этих сплавов изготавливают корпуса приборов, детали двигателей - крышки головок блоков цилиндров, картеры, бензомасляную аппаратуру и др.
Производство отливок из медных сплавов
Медные сплавы обладают достаточно высокой прочностью, пластичностью, коррозионной стойкостью и высокими антифрикционными свойствами.
Оловянные бронзы имеют хорошую жидкотекучесть, относительно высокую усадку (до 1,6%), в отливках из этих бронз из-за большого интервала кристаллизации часто образуется пористость. Безоловянные бронзы также обладают высокой жидкотекучестью, но усадка у них выше, чем у оловянных
(до 2…2,4 %), что вызывает опасность образования усадочных раковин.
Литейные латуни отличаются довольно высокой прочностью (
в до 705
МПа), пластичностью (
до 20%), антикоррозионными и антифрикционными свойствами. Латуни имеют удовлетворительную жидкотекучесть, но высокую усадку (до 2,2 %), в отливках часто имеются и усадочные раковины и пористость. Все медные сплавы склонны к образованию трещин.
Медные сплавы плавят в индукционных канальных низкочастотных печах, дуговых с горизонтальным расположением электродов под слоем древесного угля, либо в среде защитных газов или в вакууме.
Для получения отливок из медных сплавов применяют литье в песчаные и оболочковые формы, реже - кокильное, центробежное, под давлением. Для
249 предупреждения образования усадочных раковин и пористости, в форме предусматривают прибыли и холодильники. Для предупреждения появления трещин используют литейные смеси с высокой податливостью. Способы борьбы с неметаллическими включениями те же, что и для других цветных сплавов – применение фильтров, расширяющихся литниковых систем и др.
Из оловянных бронз изготавливают арматуру, шестерни, подшипники, втулки и др. Безоловянные бронзы используют как заменители дорогих оловянных. Их применяют для изготовления гребных винтов крупных судов, шестерен и зубчатых колес, корпусов насосов, деталей химической аппаратуры. Латуни применяют для изготовления различной арматуры для морского судостроения, втулок и сепараторов подшипников, деталей прокатных станов.
Производство отливок из сплавов на основе никеля Для производства отливок используют жаропрочные сплавы никеля с хромом (до 22%), вольфрама и молибдена (для твердорастворного упрочнения), с добавками алюминия и титана (для дисперсного упрочнения), микродобавок бора и циркония (для измельчения зерен и очистке их границ).
После закалки и старения сплавы имеют высокую длительную прочность при температурах 800…1200ºС благодаря мелкодисперсным частицам интерметаллидов
Ni3Al и
Ni3(Al, Ti). Это позволяет изготавливать из них особо ответственные детали для высокотемпературной эксплуатации –
лопатки газовых турбин, сопла и камеры сгорания газотурбинных двигателей, и др.
Литейные никелевые сплавы плавят в индукционных печах под слоем флюса с последующей продувкой инертными газами для дегазации. Отливки получают литьем по выплавляемым моделям, что позволяет получать почти готовые изделия с высокой точностью размеров и минимальной шероховатостью поверхности, требующие только электрополировки.
250
Наиболее высокое качество отливок достигается при плавке и заливке в вакууме, и при направленной кристаллизации металла в форме.
Изготовление отливок из тугоплавких сплавов
Поскольку температурный порог эксплуатации сплавов напрямую связан с температурой плавления основы, для изделий, работающих при высоких температурах применяются сплавы тугоплавких металлов – молибдена, вольфрама, титана и др. Для повышения жаропрочности литых сплавов используется механизм дисперсионного твердения.
Все тугоплавкие металлы склонны к поглощению газов при высоких температурах, что ведет к охрупчиванию изделий. Поэтому плавку и заливку проводят в вакууме или в среде инертных газов. Поскольку сплавы трудно обрабатываются резанием, сложные отливки из них получают литьем по выплавляемым моделям в формы из графита и тугоплавких оксидов циркония.
В машиностроении широко применяются сплавы на основе титана. Благодаря низкой плотности титана его сплавы отличаются наиболее высокой удельной прочностью, а также коррозионной стойкостью. Благодаря узкому интервалу кристаллизации титановые литейные сплавы отличаются хорошими литейными свойствами – жидкотекучестью, малой линейной усадкой (около
1%). Литые заготовки получают, как правило, в разовых графитовых и керамических оболочковых формах. Для повышения механических свойств дополнительно может проводиться термоводородная обработка и горячее изостатическое прессование. Титановые сплавы их применяются в судостроении, авиастроении, электронной и вакуумной технике.
12.4. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ ЛИТЫХ ДЕТАЛЕЙ
Конструкция литой детали должна обеспечивать высокий уровень механических и служебных характеристик. При разработке такой конструкции обычно удается спроектировать ее в нескольких вариантах, равноценных с точки зрения работоспособности. Однако эти варианты могут
251 существенно отличаться по сложности изготовления отливки, обусловленной особенностями литейного производства. Нерациональность конструкции литой детали приводит к увеличению трудоемкости изготовления моделей, перерасходу формовочных и стержневых смесей, усложнению процесса формовки, образованию различных дефектов в отливках.
Особенное влияние на процесс формовки оказывает конфигурация внешней поверхности отливки. В ряде случаев изменение внешних очертаний детали, не влияющее на ее работоспособность, приводит к упрощению технологического процесса и снижению себестоимости изготовления отливки.
Бобышки необходимо выполнять на одной высоте (
рис.
12.18, а), чтобы при изготовлении модели была возможность их совместной обработки за один проход без переналадки станка. Криволинейное очертание кронштейнов (
рис.
12.18, б), неоправданно усложнит изготовление модели. Выступающие бобышки, расположенные выше плоскости разъема (
рис.
12.18, в), приведут к необходимости использовать формовку с отъемными частями или применить дополнительные стержни. Желательно избегать конструкций с консольными стержнями (
рис.
12.18, г). В корпусных деталях желательно выполнять открытые полости (
рис.
12.18, д). При выполнении внутренних полостей желательно избегать многоступенчатости, так как из-за усадки отливки в ней могут возникнуть горячие или холодные трещины. Ребра жесткости желательно располагать во взаимно-перпендикулярных направлениях относительно плоскости разъема (
рис.
12.18, е). В конструкциях с внутренней полостью необходимо учитывать высокую вероятность пригара из-за перегрева стержня внутри полости (
рис.
12.18, ж). На отливках, подвергаемых механической обработке, имеются базовые поверхности, которые служат опорой для крепления отливки на станке при механической обработке.
252
Рис. 12.18. Нетехнологичные и технологичные конструкционные исполнения (а…ж) литых деталей.
Базовую и обрабатываемую поверхности располагают в одной полуформе или стержне, не допуская пересечения их плоскостью разъема. При конструировании литой детали желательно предусмотреть равномерную толщину стенок в отливке, так как различные по толщине части отливки охлаждаются неравномерно, что приводит к образованию внутренних напряжений, вызывающих коробление отливок, образование трещин. Для крупных отливок, изготовленных из сплавов, имеющих большую объемную усадку, при изготовлении формы предусматривают прибыли. Прибыль должна затвердевать в последнюю очередь, поэтому она должна быть массивной. Располагают прибыль на самых толстых частях отливки. При производстве сравнительно небольших по сечению отливок устранение усадочных дефектов достигается созданием конструкции отливки с равномерной толщиной стенок без большого скопления металла в отдельных местах.
При конструировании литой детали желательно предусмотреть равномерную толщину стенок отливки, т.к. различные по толщине части охлаждаются
253 неравномерно, следовательно, и уменьшение их размеров происходит с различной скоростью. Эта неравномерная усадка тонких и толстых частей отливки приводит к образованию внутренних напряжений, которые могут вызвать коробление и даже образование трещин в отливках. Возникновение внутренних напряжений в отливке маховика, имеющего тонкие спицы и массивный обод (
рис.
12.19,
а), объясняется тем, что спицы охлаждаются быстрее, чем обод. Однако отрыва спиц от обода не происходит, т.к. при усадке спицы вытягивают из обода металл, который находится в пластичном состоянии. Таким образом, длина спиц после охлаждения не меняется. После того, как в процессе охлаждения обод приобретает упругие свойства, усадка его будет затруднена остывшими жесткими спицами. Возникающие при этом напряжения могут привести к образованию в отливке трещин. Для уменьшения внутренних напряжений спицы в таких отливках выполняют изогнутыми (
рис.
12.19,
б). В этом случае при усадке обода уменьшение диаметра приведет к дополнительному их изгибу. При этом изгибающие
напряжения в изогнутой спице будут незначительны, по сравнению со сжимающими в прямой спице. Снижению внутренних напряжений способствуют также наклонные спицы в шкивах и маховиках (
рис.
12.19,
в).
Конструкция детали оказывает существенное влияние на образование усадочных пустот. Затвердевание отливки начинается с образования корочки металла на ее поверхности, температура этой корочки ниже, чем температура расплава внутри нее. После полного охлаждения отливки объем жидкости, заключенной в первоначальной твердой оболочке, уменьшится больше, чем объем самой оболочки, в результате чего внутри отливки образуются полости, не заполненные металлом. Поскольку давление внутри усадочной раковины ниже атмосферного, последнее деформирует корку и на поверхности отливки образуется утяжина. В местах скопления металла будут образовываться концентрированные усадочные раковины и пористость.
Такие скопления металла образуются обычно при неправильном сопряжении стенок корпусных деталей при конструировании. a б
254
Рис. 12.19. Примеры конструирования маховиков: а – нетехнологично; б, в – технологично.
Специальные виды литья предъявляют дополнительные требования к технологичности конструкции деталей. Так, литьем по выплавляемым моделям можно получать отливки с толщиной стенки от 1 мм при соотношении толщин стенок до 1:4. Увеличение прочности отливок достигается применением ребер жесткости, а не увеличением толщины стенок, т.к. в толстых стенках вероятно появление газовой и усадочной пористости. Следует избегать узких полостей и глубоких пазов, их глубина не должна превышать двойной ширины. Внутренние полости в деталях нежелательно проектировать с уширениями. Отверстия под крепеж
(диаметром от 2 мм) выполняют с посадочными поверхностями на выступах и бобышках на наружных поверхностях детали - во избежание усложнения пресс-форм для получения моделей.
Литьем в оболочковые формы получают отливки с толщиной стенки, как правило, 2…12 мм с отверстиями диаметром от 6 мм. Желательно, чтобы конфигурация наружной поверхности детали была не очень сложной, чтобы можно было получать отливку в форме с одной плоскостью разъема без отъемных частей у модели.
При литье в кокиль следует учитывать главные особенности процесса – использование металлической формы и высокую скорость охлаждения отливки. Наружная конфигурация литой детали должна быть, по
255 возможности, не очень сложной, чтобы обеспечить минимальное количество разъемов кокиля (желательно плоских). Желательно, чтобы и конфигурация внутренней поверхности обеспечивала ее получение одним металлическим стержнем. Применение песчаных и разъемных металлических стержней допустимо, но снижает технико-экономические показатели процесса.
Минимальная толщина стенок отливки ограничена пониженной жидкотекучестью, определяется площадью поверхности и составляет: 2,2 мм для алюминиевых сплавов, 3 мм – магниевых, 4 мм – медных сплавов и чугуна, 8 мм – для стали. Кокильное литье требует особого внимания к развязыванию тепловых узлов и предотвращению трещинообразования из-за низкой податливости формы. Необходимо предусматривать конфигурацию отливок без острых углов, резких переходов поверхностей и сечений, без высоких ребер и глубоких полостей. Например, толщина ребер жесткости должна составлять 0,7 толщины стенки.
При литье под давлением удается решить проблемы получения тонкостенных отливок и на первый план выходят другие: газовая пористость в отливках, продление срока службы дорогих пресс-форм и обеспечение высокой производительности. Поэтому детали должны проектироваться тонкостенными (с толщиной стенки 0,5…5 мм в зависимости от сплава и площади поверхности) и, по возможности, с близкой толщиной стенок.
Повышение прочности и жесткости достигается применением ребер жесткости (с толщиной стенок 0,8…0,9 толщины стенки отливки) и армированием стальными вставками. Сложность наружной поверхности целесообразно уменьшать для упрощения процесса и повышения производительности, а внутренней – просто необходимо, т.к. применение песчаных стержней недопустимо, а разъемных металлических – нежелательно из-за снижения производительности.
При центробежном литье следует обратить внимание на то, что наряду с высоким качеством металла отливки, ее внутренняя поверхность всегда будет иметь дефекты строения и невысокую точность размеров. При
256 получении же отливок без центрального отверстия дефектной будет их осевая часть. Поскольку под действием центробежных сил ускоряются ликвационные процессы, для отливок, как правило, следует выбирать малоликвирующие сплавы.
Контрольные вопросы
1.
Как получают полости в отливках?
2.
Что такое модель?
3.
Зачем на модели и стержнях предусматривают знаки?
4.
Какие технологические требования предъявляются к заготовке полученной литьем в песчаные формы?
5.
С какой целью наносят покрытия на внутреннюю поверхность кокиля?
6.
Какие технологические требования предъявляются к заготовке полученной литьем в кокиль?
7.
Почему при литье под регулируемым давление получают более качественные отливки, чем при литье под высоким давлением?
8.
Какие технологические требования предъявляются к заготовке полученной литьем под давлением?
9.
Можно ли на литейных машинах с горизонтальной осью вращения получать отливки с глухой центральной полостью?
10.
Каковы общие принципы конструирования литых деталей?
11.
В чем заключаются особенности конструирования внешней поверхности литых деталей?
12.
В чем заключаются особенности конструирования внутренней поверхности литых деталей?
13.
Каковы особенности конструирования деталей, получаемых литьем по выплавляемым моделям и в оболочковые формы?
14.
Каковы особенности конструирования деталей, получаемых литьем в кокиль и под давлением?
Скачать 4.56 Mb.