Понятие о литейном производстве

Литейное производство относится к процессам горячей обработки металлов. Сущность его состоит в том, что расплавленный металл определенного химического заполняет литейную форму – полость, которая по своим очертаниям и размерам соответствует конфигурации требуемой литой заготовки или детали (отливке). После затвердевания металла получается отливка.

Литейное производство позволяет получать отливки различных размеров и веса, самой разнообразной конфигурации, с небольшими припусками на обработку. Литье является наиболее простым, быстрым и дешевым промышленным способом получения заготовок, имеющих сложную геометрическую форму.

По сравнению с поковками, получаемыми при ковке и штамповке, отливки более пористы и отличаются неоднородным химическим составом, механические свойства отливок вследствие чего ниже.

Для изготовления отливки необходимо осуществить следующие процессы:

шихтовка и загрузка шихты, для чего необходимо произвести расчет, сколько каких материалов нужно ввести в шихту для их плавки, подготовить эти материалы (раздробить, просеять, отвесить), загрузить материалы в плавильное устройство;

плавка: необходимо получить жидкий металл необходимой температуры, жидкотекучести, должного химического состава, без неметаллических (посторонних) включений и газов;

до окончания плавки необходимо приготовить литейные формы, способные, не разрушаясь, выдерживать высокую температуру металла, его гидростатическое давление, размывающее действие струи, а также способные пропускать через поры или каналы выделяющиеся из металла и образующиеся вновь газы;

произвести выпуск металла из печи в ковш, осуществить транспортировку ковша с металлом к литейным формам, произвести заливку форм жидким металлом, не допуская перерывов струи попадания в форму шлака;

после затвердевания металла раскрыть формы и извлечь из них отливки (выбивка отливок);

отделить от отливки все литники (металл, застывший в литниковых каналах, шлакоуловителях, стояке чаше, выпоре);

очистить отливки от налипших на их поверхности частиц формовочной или стержневой смеси (операция очистки отливок);

произвести внешний осмотр готовых отливок с целью выявления возможных их дефектов (процесс разбраковки отливок), осуществит контроль качества и размеров отливок.

2 Сущность процесса получения отливок

Для того чтобы получить отливку необходимо изготовить литейную форму. Для этого используются формовочные смеси и литейная оснастка, которая включает в себя опоки, модельный комплект или формовочные шаблоны, подмодельные и подопочные плиты, стержневые ящики.

Опока представляет собой жесткую раму, в которую набивается формовочная смесь. Полость в литейной форме для заливки расплавленного металла образуется с помощью моделей или формовочных шаблонов.

Модель – это приспособление, конфигурация которого соответствует форме отливки, но без отверстий, впадин и углублений. Отверстия, впадины и углубления в отливке образуются с помощью стержней.

Процесс изготовления литейной формы называется формовкой.

Для получения отливки, модель заформовывается в опоках. За тем опоки разнимаются и модель удаляется. В образовавшуюся полость, в то место, где должно быть отверстие в отливке, устанавливается стержень, который заранее изготавливается в стержневом ящике.

Через приготовленные в литейной форме специальные каналы – литниковую систему в полость формы заливается расплавленный металл. Когда металл затвердеет, отливка извлекается из формы, после чего отливка очищается и от нее обрубается литники.

3 Модели и стержневые ящики

В зависимости от получаемых отливок, их размеров, сложности литейных форм и характера производства модели изготовляются из дерева, металлических сплавов, гипса, пластмасс и других материалов. В единичном производстве применяют деревянные модели, в крупносерийном – металлические.

Деревянные модели изготавливают из плотной хорошо просушенной древесины. Для предотвращения коробления модель изготавливается не из целого куска древесины, а склеивают из отдельных частей (брусочков) с тем, чтобы направление волокон было разное. Модель уложенная в форму, соприкасается с влажной формовочной смесью, поэтому древесина модели может отсыреть и разбухнуть. Во избежание этого готовые деревянные модели окрашиваются масляной краской или покрываются модельным лаком. Для чугунного литья модели окрашивают в красный цвет, для стального – синий, цветные металлы – желтый. Знаки в модели окрашивают в черный цвет.

Преимущество деревянных моделей – их дешевизна, простота изготовления, при больших размерах небольшая масса; основной недостаток – недолговечность.

Модели из пластмасс устойчивы к действию влаги, не подвергаются короблению, имеют небольшую массу.

Перспективным является применение моделей из вспененного полистирола, газифицирующего при заливке металла в форму. Применение таких, неудаляемых из формы моделей упрощает формовку, способствует улучшению качества литья.

Металлические модели долговечны, имеют высокую прочность и чистую рабочую поверхность. Чаще всего металлические модели изготовляются из алюминиевых сплавов.

Размеры модели делают больше, чем соответствующие размеры отливки на вкличину линейной усадки сплава, которая составляет для углеродистой стали 1,8 – 2%, для чугуна 0,8 – 1,2%. Размеры модели увеличиваются еще на размер припуска для тех мест отливки, которые в дальнейшем будут подвергать механической обработке.

Чтобы не повредить литейную форму при удалении модели, вертикальные стенки ее выполняются с небольшими формовочными уклонами. В модели делаются выступы, называемые стержневыми знаками. Они образуют в форме углубления, являющиеся опорами для укрепления стержня. В тех случаях, когда пустота в отливке глухая (со всех сторон окружена металлом) стержень укрепляется в форме с помощью жеребеек (подставок и распорок из тонкой листовой стали).

По конструкции модели бывают цельными и разъемными. Чтобы обеспечить набивку литейной формы и извлечение модели, модель большей частью изготавливается разъемной. Разъемная модель состоит из нескольких (обычно двух) частей, причем плоскости разъема модели в большинстве случаев выполняется по плоскостям симметрии отливки.

В зависимости от формы и размеров изготавливаемых стержней стержневые ящики делают цельными и разъемными. Последние применяются чаще и обычно состоят из 2-х частей, соединенных шипами. В стержневом ящике образуется полость, очертания которой соответствует наружному контуру стержня, а, следовательно, и контуру полости в отливке. Стержневые ящики бывают деревянные и металлические. Размеры полости в стержневом ящике делаются больше размера отверстия в готовой отливке, т.к. металл при охлаждении и заливании претерпевает усадку.

4 Опоки

При изготовлении литейной формы опока устанавливается на подмодельную плиту. В опоку укладывается модель, засыпается формовочная смесь, которая затем утрамбовывается. Опока ограничивает приготовленную земля и не позволяет ей деформироваться во время заливки жидкого металла.

Опоки бывают деревянные и металлические (чугунные, стальные, из алюминиевых сплавов), литые и сварные.

Для соединения верхней нижней опок делают проушины (приливы) с отверстиями, в которые вставляются направляющие штыри. Тем самым предупреждается сдвиг верхней опоки относительно нижней и обеспечивается плотное соприкосновение поверхностей обеих опок перед заливкой форм.

Для предупреждения высыпания формовочной смеси опоки имеют буртики, а в крупных опоках дополнительно устанавливаются продольные и поперечные перегородки.

В стенках опоки есть отверстия для выходов газов из литейной формы. На боковых стенках газов верхней и нижней опок имеются ручки, скобы, либо цапфы, служащие для транспортировки опок.

5 Формовочный инструмент и приспособления

Для выполнения работ по изготовлению литейных форм необходимо иметь набор инструментов и приспособлений: Наименование

Назначение

1. Сита

Просеивание формовочных и стержневых смесей

2. Лопатки и совки

Для заполнения опок и стержневых ящиков смесями

3. Ручные и пневматические трамбовки

Для уплотнения смесей в литейных формах и стержневых ящиках

4. Линейки

Для удаления лишней смеси

5. Душники, иглы

Для образования вентиляционных каналов и накола отверстий в форме длят выхода газов

6. Киянки

Для раскачивания модели в форме и частей стержневого ящика

7. Крючки, шпильки и подъемники

Для вынимания модели из формы

8. Ложечки, ланцеты, гладилки, угольники, щетки, кисточки, помазки

Для очистки, отделки и исправления форм, а также смачивания отдельных мест формы в целях предупреждения осыпания смеси

9. Шланги и обдувочные сопла

Для выдувания мусора и очистки форм

10. Грузоподъемные устройства

Для поднятия и перемещения опок и стержневых ящиков.

6 Материалы для формовочных и стержневых смесей

6. 1 Свойства

Материалы, применяемые для изготовления формовочных и стержневых смесей должны обладать определенными свойствами.

6.1.1 Механические

Пластичность – это способность смеси воспринимать отпечаток модели при изготовлении литейной формы и сохранять ее после удаления модели.

Прочность – это способность смеси сопротивляться действующим внешним силам и не разрушаться при изготовлении формы, перемещении и заливке (0,1 – 1 кгс/мм2).

Поверхностная прочность (осыпаемость) – сопротивление истирающему действию струи металла при его заливке.

Податливость – способность смеси сокращения в объеме при усадке затвердевшего в форме металла.

6.1.2 Технологические

1. Текучесть - способность смеси обтекать модели при формовке, заполнять полость стержневого ящика.(Не должно быть рыхлых мест и пустот.)

2. Огнеупорность – это способность смеси не размягчаться и не расплавляться под действием жидкого металла, а также не пригорать к поверхности получаемой отливки. (Термохимическая устойчивость или противопригарность.)

3. Негигроскопичность - способность смеси после сушки не поглощать влагу из воздуха в течение длительного вемени.

4. Выбиваемость – способность легко удаляться из форм и полостей отливок при их выбивании после охлаждения.

5. Долговечность – способность смесей сохранять свои свойства при многократном использовании.

6. Газопроницаемость – способность смеси пропускать газы, выделяющиеся из остывающего металла или образующиеся при сгорании органических веществ, входящих в состав смеси.

6.1.3 Теплофизические свойства

Теплопроводность, удельная теплоемкость – существенно влияют на скорость кристаллизации металла и его последующего охлаждения и тем самым на структуру и свойства отливок.

6.2 Состав смесей

Формовочный материал представляет собой в основном смесь песка и глины в различных пропорциях.

Песок увеличивает пористость и газопроницаемость смеси. Эти свойства повышаются с увеличением размеров песчинок. Однако, чем крупнее песок, тем более грубой получается поверхность отливки. Лучшие свойства имеет речной и озерный песок.

Глина, смоченная водой, придает форме прочность и пластичность. Помимо основных материалов, смеси содержат различные добавки.

Каменноугольная пыль и молотый уголь – повышают огнеупорность;

Древесные опилки – повышают газопроницаемость и податливость;

Связующие материалы – масло, битум, декстрин, патока, жидкое стекло, олифа, искусственные смолы и т.д. – увеличивают почность и пластичность смеси.

7 Формовочные и стержневые смеси

7.1 Формовочные смеси

По назначению формовочные смеси подразделяются на облицовочные, наполнительные и единые.

Облицовочная смесь, применяемая обычно в единичном производстве при ручной формовке, покрывает модель на 20-30 мм. Она наиболее ответственная, т.к. соприкасается с расплавленным металлом. Смесь приготовляется в основном из мелкопросеянных свежих формовочных материалов с небольшими добавками бывшей в употреблении фомовочной смеси.

Наполнительная смесь располагается над уплотненной облицовочной смесью и заполняет оставшуюся часть формы. Она состоит в основном из бывшей в употреблении формовочной смеси, переработанной после выбивки ее из опок, с последующим добавлением 5 – 10% свежих материалов.

Единой формовочной смесью набивается весь объем формы. Она применяется в массовом производстве при машинной формовке тонкостенных и мелких отливок. Эта смесь приготовляется путем переработки выбитой из опок смеси с добавлением 10 – 20% свежих материалов и каменноугольной пыли.

7.2 Стержневые смеси

Стержневые смеси отличаются более высокими технологическими свойствами. Они подразделяются на песчано-глинистые и песчано-масляные.

Песчано-глинистые смеси применяются при изготовлении стержней простой формы и крупных размеров. В зависимости от конфигурации, толщины сечения, размещения в форме стержни делятся на пять классов.

В особо тяжелых условиях находятся стержни I класса – сложной формы, с тонкими сечениями, соприкасающимися с расплавленными металлами по всей поверхности. Стержневая смесь должна иметь высокую прочность, термохимическую устойчивость, податливость, газопроницаемость. Наименьшее требование предъявляют к смеси для массивных стержней простой конфигурации, образующих внутренние или внешние поверхности отливки (IV-V кл.).

Специальные формовочные смеси. Основным их компонентом является кварцевый песок с минимальным содержанием глинистых веществ. В качестве связующих используют синтетические смолы, жидкое стекло; в смеси вводят катализаторы.

По условиям отверждения специальные смеси делят на следующие типы:

отверждающиеся при продувке CO2 и другими способами обработки;

горячего отверждения (стержневые ящики с нагревателями);

самоотверждающиеся на воздухе – смеси холодного твердения (ХТС) и жидкие (ЖСС).

Жидкие самотвердеющие смеси (ЖСС) исключают формовку: формы и стержни изготовляют путем заливки. ЖСС имеют различный состав. Основным наполнителем является кварцевый песок (95 – 97%). В качестве связующих и веществ, обеспечивающих затвердевание смеси на воздухе, обычно используют жидкое стекло, иногда цемент с добавками соответствующих катализаторов.

Для перевода смеси в жидкоподвижное состояние применяют пенообразователи, обеспечивающие образование и устойчивость пены в течение 5-15 мин. Применение ЖСС снижает трудоемкость и повышает качество отливок и производительность труда.

8 Приготовление формовочных и стержневых смесей

Материалы, входящие в состав формовочных и стержневых стержней, необходимо соответствующим образом приготовить.

Бывшая в употреблении горелая смесь после выбивки ее из опок размельчается на вальцах и сепарируется. В сепараторах при помощи электромагнитов от нее отделяются металлические частицы (например брызги металла). Затем она просеивается через сита и освобождается от посторонних предметов.

Отдельно подготавливаются свежие материалы и добавки. Песок просушивается при t»2000C, затем просеивается через сита. Глину сушат при t»200 – 2500C в печах барабанного типа, затем размалывают в шаровых мельницах или бегунах и просеивают.

Древесный и каменный уголь, кокс дробят на шаровых мельницах, в которых стальные шары, перекатываясь внутри медленно вращающегося барабана, размельчают загруженные материалы. После измельчения они просеиваются через сита.

Подготовленные свежие материалы, горячая земля смешиваются на смешивающих бегунах, представляющих собой гладкие чугунные колеса, перекатывающиеся внутри чугунной обычно неподвижной чаши. В процессе движения катки растирают и перемешивают поступившие в чашу материалы. Готовая смесь выгружается в лоток.

Полученные формовочные и стержневые смеси подаются в бункерадля дальнейшего хранения или прямо поступают к местам изготовления литейных форм и стержней.

9 Способы формовки

Литейные формы делятся на разовые и формы многократного использования. Разовая форма, изготовленная из формовочных смесей, используется для получения только одной отливки. При выбивке отливки она разрушается. Многократные формы служат длительное время и являются постоянными. Они изготовляются из чугуна и стали, а в отдельных случаях – из меди или алюминия и применяются в крупносерийном и массовом производстве для изготовления отливок сравнительно простых очертаний, а также при специальных видах литья.

В зависимости от того, где изготавливается литейная форма, различают формовку в почве (в грунте) и в опоках.

По методу уплотнения формовочной смеси в опоках, а также извлечения модели из формы формовка подразделяется на ручную и машинную.

По состоянию литейных форм перед заливкой в них жидкого металла различают формовку всырую и всухую. Сырые формы перед заливкой металла не просушиваются.

Большинство форм крупных и средних ответственных литых изделий, к которым предъявляются высокие требования в отношение механических качеств и чистоты отливки, перед заливкой просушивается. Сушке подвергаются также формы для мелких отливок, имеющих сложные очертания.

9.1 Ручная формовка по разъемной модели

При изготовлении сложных отливок применяется формовка в двух опоках по разъемной модели.

На подмодельную плиту устанавливается нижняя часть модели плоскостью разъема вниз и нижняя опока. Поверхность нижней части модели, находящейся в опоке припудривается тальком или графитом. Сверху засыпается слой облицовочной земли, которую уплотняют руками. Затем засыпается и уплотняется наполнительная формовочная смесь. Нижняя полуформа готова. Сверху на нее накладывается подмодельная плита.

Далее заформованная нижняя полуформа вместе с плитами поворачивается на 1800. Подмодельная плита снимается. Поверхность нижней полуформы посыпается разделительным слоем песка, чтобы она не прилипала к верехней.

На нижнюю часть модели накладывается верхняя ее часть , затем ставится верхняя опока. Опоки фиксируются направляющими штырями, вставляемые в проушины. В верхнюю опоку модели элементов литниковой системы и она заформовывается также как и нижняя. Верхняя полуформа снимается с нижней. С помощью крючков и шпилек вынимаются разъемные части модели отливки, а также модели элементов литниковой системы. Полуформы при необходимости подправляются, осыпавшаяся часть смеси из полости удаляется. Для предупреждения пригорания формовочной смеси к отливке полость сырой формы припудривается смесью древесноугольного порошка и чистого графита, полость сухой формы окрашивается формовочными чернилами, приготовленными из графита, молотого кокса, глины и других веществ.

В нижней полуформе прорезается канал, соединяющий литник с полостью формы. В углубления, образованные знаками укладывается стержень. Обе опоки вновь собираются. В собранной форме над литником вырезается чаша и накалываются вентиляционные каналы. Литниковая форма готова для заливки металлом.

9.2 Машинная формовка

Машинная формовка повышает качество и точность литья, облегчает труд формовщика и обеспечивает более высокую производительность и меньшую стоимость отливок. Она применяется в крупносерийном и массовом производстве.

При машинной формовке механизированы две операции: уплотнение формовочной смеси и извлечение модели из формы; остальные операции ручные.

Существуют три способа уплотнения смеси:

а) ручными или механическими трамбовками;

б) прессованием;

в) встряхиванием.

Уплотнение прессованием может быть осуществлено по разным схемам: в машинах с верхними прессованием (уплотняющее давление действует сверху) и в машинах с нижним прессованиям (формовочная смесь уплотняется самой моделью и модельной плитой). Недостатки: неравномерность уплотнения формовочной смеси, поэтому такая схема применяется для изготовления полуформ в невысоких опоках.

Встряхивание – уплотнение за счет инерции смеси в результате многократно повторяющихся встряхиваний. Под давлением сжатого воздуха стол поднимется на высоту 30 – 100 мм, затем падает и ударяется о торец направляющего цилиндра.

Встряхивающие машины дают возможность уплотнять смеси в высоких опоках, изготавливать формы по сложным моделям с высокими ребрами и впадинами.

10 Литниковая система

Литниковая система представляет собой совокупность каналов, по которым заливаемый расплавленные металл поступает полость формы.

Литниковая чаша принимает в процессе разливки жидкий металл и равномерно, без ударов, непрерывной струей направляет его в стояк – вертикальные канал, суживающийся книзу.

Шлакоуловитель – канал обычно трапециидального сечения для улавливания и задерживания неметаллических включений (частиц формовочной смеси, шлака и т.д.), имеющий меньший удельный вес и более низкую плотность во избежание попадания их в полость формы. Из шлакоуловителя жидкий металл попадает в отверстие питателей 4 – каналов, через которые он поступает непосредственно в полость формы.

Количество питателей и их размещение в литейной форме зависят от размеров и сложности получаемой отливки.

Выпоры – это вертикальные каналы, которые делаются в форме на самых высоких местах отливки для обеспечения выхода газов, образующихся во время заливки формы.

В литниковой системе у наиболее у наиболее толстого сечения отливки размещают прибыль – излишек расплавленного металла, предназначенный питания полостей формы жидким металлом во время охлаждения и усадки. Литниковая система для данной отливки должна быть устроена наиболее рационально, чтобы обеспечить наименьший расход металла и незначительное его окисление.

Литниковая система в зависимости от формы, размера отливки, состава и свойств литейного сплава имеют различное устройство:

А) Верхняя литниковая система наиболее проста. Ее применяют для мелких деталей небольшой высоты. С увеличением высоты происходит размывание формы струей металла, его разбрызгивание и окисление, увеличивается количество неметаллических включений в теле отливки.

Б) Нижняя (сифонная) литниковая система применяется для средних и толстостенных отливок значительной высоты. Она обеспечивает спокойное заполнение формы расплавом.

В) Ярусная литниковая система обеспечивает последовательное питание отливки снизу вверх и ее применяют для крупных отливок. Недостатки – сложность в изготовлении и значительный расход расплава.

Г) Вертикально – щелевая система – разновидность ярусной. Предназначена главным образом для цветных сплавов.

11 Литейные свойства сплавов

Качества литья зависит от литейных свойств металлов.

Температура разливки сплавов всегда превышает температуру их плавления, т.к. иначе сплавы не будут обладать нужной жидкотекучестью. Кроме того, в ряде случаев повышение температуры разливки благополучно влияет на строение сплавов, например, такого как серый чугун, вызывая измельчение графитовых включений. При более высокой температуре разливки из жидкой стали выделяются неметаллические включения. Однако перегрев сплава должен быть ограничен определенными пределами, зависящими как от свойств самого сплава, так и от особенностей отливок, получаемых из него. Повышение температуры разливки в ряде случаев вызывает рост кристаллитов сплава, усиливает усадочные явления, увеличивает поглощение газов, повышает склонность сплава к горячим трещинам, ликвации и т.д.

Чем сложнее отливки и чем тоньше их стенки, тем более высокий перегрев должен иметь сплав при разливке его по формам.

11.1 Жидкотекучесть – способность сплава в жидком состоянии заполнять литейную форму и воспроизводить контуры полостей формы и стержней. Она определяется по специальным технологическим пробам, заполняемым жидким сплавом при некоторой постоянной температуре заливки.

Жидкотекучесть стали, магниевых и др. сплавов определяют по прутковой пробе, получаемой в песчаной форме.

Жидкотекучесть чугуна, бронзы и алюминиевых сплавов принято определять с помощью спиральной пробы трапециидального сечения.

Кроме того, для определения жидкотекучести стали пользуются пробами U-образного вида. В пробах этих трех типов жидкотекучесть определяют по длине (в см) заполненной части полости форм.

11.2 Плотность – свойство металла давать отливку без углублений, внутренних пузырей, пустот и газовых пор, возникающих в ней вследствие выделения газов, растворенных в жидком металле при охлаждении.

11.3 Усадка – при охлаждении сплава в форме происходит довольно быстрое уменьшение его объема. В течение нескольких секунд на всей поверхности сплава образуется мелкозернистая корочка, постоянно увеличивающаяся по толщине.

В связи с этим дальнейшее охлаждение и затвердевание сплава происходит внутри оболочки почти без контакта с окружающей атмосферой. В следствие уменьшения объема в отливках из ряда сплавов при этом образуются полости (усадочные раковины или рыхлоты).

Общее уменьшение объема и размеров отливок называется усадкой.

В литейном производстве различают объемную и линейную усадку. Под объемной усадкой подразумевают разнице между объемом жидкого сплава, заполнившего полость формы, и объемом отливки после ее полного охлаждения. Линейной усадкой называют разницу линейных размеров полости формы и охлажденной отливки. Для удобства усадку обычно выражают в процентах по отношению к первоначальному объему жидкого сплава (объемная усадка) или первоначальным размером в полости формы (линейная усадка). Если при усадке сплава нет препятствий к уменьшению его объема и размеров, то такую усадку называют свободной.

Усадка меняется в зависимости от химического состава сплава. Так, усадка серого чугуна уменьшается при увеличении содержания углерода и кремния, а также при уменьшения марганца и серы. В алюминиевых сплавах уменьшает усадку увеличение содержания кремния, а также меди и магния наоборот, увеличивают усадку.

Практически при изготовлении отливок уменьшение их размеров происходит в условиях затрудненной усадки, при которой препятствиями являются выступающие части формы, стержни и т.д. Поэтому во многих случаях действительная усадка получается меньше, чем свободная. Действительная линейная усадка называется литейной и выражается в процентах. Величина литейной усадки всегда меньше свободной, причем разница между ними больше, чем крупнее и сложнее отливки.

Объемная усадка примерно в три раза больше линейной.

11.4 Ликвация – неоднородность по химическому составу как в отдельных частях отливки (зональная ликвация), так и в отдельных кристаллитах сплава (внутридендритная, внутрикристаллическая ликвация); кроме того, она может иметь место при значительно разной плотности составляющих сплава (ликвация по плотности).

Ликвация – крайне нежелательное явление в отливках, т.к. она может привести к понижению их свойств и даже к поломке в ликвационных зонах.

11.5 Поглощение газов. Металлы и сплавы способны поглощать значительное количество различных газов (водород, азот, кислород, окись углерода, углекислоту, метан и.т.), причем эти газы могут находиться в следующих состояниях:

а) в виде механических, сравнительно крупных включений, получившихся при перемешивании жидкого сплава с воздухом или др. газами;

б) в растворенном состоянии;

в) в виде химических соединений (окислы, нитриды, гидриды).

Поглощение газов при нагреве и плавлении металлов и сплавов происходит преимущественно из атмосферы печи, из ржавчины, из влаги исходных материалов и топлива.

Содержание газов может быть значительно понижено некоторыми приемами, например:

а) пропусканием через жидкий металл другого газа, не поглощаемого металлом, но способствующего удалению из него растворенных газов (например, для цветных сплавов – азот, для стали – окись углерода, для всех – инертные газы (аргон и др.);

б) плавка в вакууме.

Практически к моменту заливки в формы жидкие сплавы всегда содержат большее или меньшее количество газов, которые при понижении температуры сплава частично остаются в растворенном состоянии, а частично – выделяются.

При выделении газов в отливке при определенных условиях могут образовываться газовые раковины.

Причиной образования газовых раковин являются то обстоятельство, что по мере понижения температуры жидкого сплава уменьшается растворимость газов, и они должны выделятся из сплава, но при понижении температуры значительно увеличивается вязкость сплава, что затрудняет выведение газовых пузырьков.

12 Литейные сплавы

В качестве литейных материалов применяется чугун, сталь и сплавы цветных металлов.

12.1 Серый чугун обладает хорошей жидкотекучестью и неболь»шой линейной усадкой, стоимость его невысока. Применяется он для производства отливок простой и сложной конфигурации, разного веса и сечения. Однако он хрупок, имеет малое относительное удлинение, а поэтому не применяется для получения литых деталей, работающих под действием ударных нагрузок.

12.2 Сталь имеет более низкие литейные свойства, чем серый чугун. Однако сталь имеет более высокие механические свойства, чем серый чугун, и поэтому применяется для получения отливок, которые будут работать при больших ударных нагрузках.

12.3 Сплавы цветных металлов применяются в литейном производстве для отливок, от которых требуется прочность, малый вес, коррозионная стойкость.

13 Производство отливок из чугунов

Около 72% всех отливок по массе получают из чугунов: серого (»64%), легированного (»41%), ковкого (»3%) и высокопрочного (»1%).

Как уже говорилось выше, серый чугун имеет хорошие литейные свойства: прекрасную жидкотекучесть (600 – 700 мм), и наименьшую усадку (0,9 – 1,2%) при затвердевании. А главное состоит в том, что серый чугун – самый дешевый литейные материал. Хорошо обрабатывается на металлорежущих станках.

Но литейный чугун плохо работает на растяжение. Однако прогресс в технологии лить способствовал тому, что теперь мы можем получать отливку из того же серого чугуна, но уже с прочностью при растяжение в 3 – 4 раза большей.

Это было достигнуто, главным образом, развитием способов, так называемой, ковшовой обработки чугуна. После выпуска чугуна из печи в ковш забрасывают добавки, которые существенно влияют на качество чугуна. Одни добавки десульфируют чугун, т.е. удаляют из него вредную примесь – серу. Другие модифицируют его, измельчая и округляя зерно, как металлической основы чугуна, так и его графитовых включений. Так получается высокопрочный чугун с шаровидным графитом, имеющий значительно более высокую прочность и пластичность, чем серый чугун. Такой чугун получают модифицированием Mg, иногда Mg – FeSi лигатурой, церием и др. Третьи – легируют чугуны, т.е. повышают его механические или специальные свойства. Так литейное производство выпускает много отливок из жаростойкого, антифрикционного, коррозионностойкого, немагнитного и износостойкого чугунов. Детали ходовых частей машины, их трансмиссионных узлов испытывают знакопеременные нагрузки. Такие детали отливают из ковкого чугуна. Он имеет более высокие механические свойства. Ковкий чугун получается путем отжига отливок из белого чугуна.

14 Стальное литье

Сталь обладает более низкими литейными свойствами, чем серый чугун: она менее жидкотекуча (300 – 350 мм), дает большую усадку (1,8 – 2,5%), более склонна к образованию при затвердевании усадочных раковин и трещин. Температура плавления стали выше чем серого чугуна (1400 – 15250С, температура заливки – 1550 – 16000С), поэтому из стали труднее получить отливки высокого качества.

Тем не менее стальное литье широко распространено. Стальные детали обладают большей прочностью и вязкостью, более надежны и долговечны в работе, лучше выдерживают ударные нагрузки, чем чугунные.

Литые изделия из стали могут иметь различные очертания, и их изготовление обходится значительно дешевле, чем обработкой резанием или давлением.

Для получения мелкого литья используется более горячий металл, чем для крупного.

Формовочные материалы, применяемые для стального литья должны обладать более высокой огнеупорностью, поэтому кварцевый песок должен быть чистым, а глина без примесей.

Для повышения газопроницаемости литейной формы в ней устраивают больше вентиляционных каналов.

В качестве литейного материала применяется углеродистая и легированная сталь.

15 Литье цветных сплавов

Для получения цветного литья формовочные смеси в отличие от смесей от смесей, применяемых при изготовлении чугунных и стальных отливок, должны быть мелкозернистыми, обладать хорошей газопроницаемостью, податливостью и пластичностью.

Металлическая шихта для выплавления сплавов цветных металлов состоит из чистого цветного металла, лома и отхода производства в виде литников, прибылей и брака литья.

Перед разливкой сплавы цветных металлов раскисляют, очищают от попавших неметаллических включений и модифицируют. Область применения цветного сплава для изготовления отливок зависит от требований, предъявляемым к литым изделиям.

15.1 Литье магниевых сплавов. Отливки из литейных магниевых сплавов (Мл2, Мл3 и т.д. – цифра условный номер сплава) имеют относительно высокую удельную прочность и используются в авиастроении, приборостроении и т.д.

Выплавка сплавов связана с рядом затруднений, они обладают легкой окисляемостью при нагревании и способны воспламенятся при температуре 6000С. Выплавку производят в электрических печах сопротивления в тиглях под слоем флюсов. Для получения отливок из магниевых сплавов широко применяется литье под давлением.

15.2 Титановые сплавы, обладающие малой плотностью, высокой прочностью, нашли широкое применение.

Титан и его сплавы в жидком состоянии чрезвычайно химически активны. Они энергично растворяют O2, N2, H2 и C, вступают в химические реакции с материалами форм. Поэтому плавить и разливать Ti и его сплавы необходимо в условии вакуума или в атмосфере нейтрального газа (например, аргона). Плавка ведется в медном водоохлаждаемом тигле. Для получения отливок применяются бронзовые, керамические или графитовые формы. И тигли и формы изнутри облицовывают слоем твердого титана, называемого гарнисажем. Таким образом, расплавленный титан и его сплав находится в контакте со слоем твердого титана толщиной 25 мм и никакими примесями не загрязняется.

Марки: ВТ5-Л, ВТЛ1, ВТ6Л и т.д.

15.3 Сплавы на медной основе. Отливки, получаемые из сплавов на медной основе, отличаются износоустойчивостью, коррозионной стойкостью, повышенной кислотоупорностью, способностью работать при высоких температурах и под давлением. Медные сплавы обладают хорошей текучестью, позволяющей получать отливки любых сложных очертаний.

В обозначении марок литейных бронз и латуней дополнительно указывается буква «Л»: БрАЖ9-4Л, ЛАЖ60-1-1Л. Либо без «Л», например ЛЦ16К4. (А – Al, Ж – Fe, С – Pb, Ф – P, Н – Ni, Мц – Mn).

15.4 Сплавы на основе алюминия отличаются хорошими литейными свойствами. Отливки из этих сплавов имеют малый вес, и обладают высокой коррозионной стойкостью и удельной прочностью.

16 Плавка

16.1 Вагранка.Для перевода металла из твердого состояния в жидкое в литейном производстве используют ряд плавильных агрегатов. Для плавки чугуна во всех странах мира применяются преимущественно вагранки.

Вагранка – это вытянутая кверху шахтная печь. Сверху через загрузочное окно в нее загружают шихту, состоящую из чугуна, топлива (кокса) и флюсов. Снизу через фурмы подают воздух, необходимый для горения кокса – основного топлива. Чугун плавится и перегревается на 1000С выше температуры его плавления, т.е. до 1200 – 14000С (температура плавления 1150 – 12500С). Расплавленный чугун выпускают в ковш, либо в копильник, пристроенный к вагранке, либо в специальный агрегат – обогреваемый миксер, в который сливается чугун из нескольких печей. В копильнике и миксере чугун выравнивается по температуре и составу и может быть подогрет.

Вагранка – это самый простой и самый дешевый плавильный агрегат. Ее легко ввести в работу.

Через 2 – 4 часа после разогрева можно получить жидкий металл.

16.2 Пламенные печи.Плавку литейного материала можно производить и в пламенных печах. В них топка отделена от рабочего пространства, нагрев и расплавление металла производится газами. Это позволяет получить жидкий чугун более однородного состава с меньшим содержанием серы и сразу в больших количествах для заливки крупных литейных форм. В пламенных печах большей частью плавятся медные сплавы.

Для плавки специальных сортов серого, а также ковкого чугуна, стали и сплавов цветных металлов применяются электрические печи. В таких печах электроэнергия превращается в тепловую. Топливо здесь не нужно. Печи бывают дуговые, индукционные и сопротивления.

16.3 В дуговых печах теплота выделяется за счет электрической дуги. Ток большой силы и низкого напряжения пропускается через 2 или 3 электрода так, что между концами электродов вспыхивает электрическая дуга. В центре дуги возникает высокая температура (до 30000С). Дуга может гореть над металлом, нагревая его сверху (независимая), или пропускаться через металл. В дуговых печах можно плавить чугун, сталь, можно вводить тугоплавкие добавки.

16.4 Индукционные печи применяются для плавки чугуна, стали, цветных металлов. Индукционная печь – это своего рода трансформатор, имеющий первичную и вторичную обмотки. Если по первичной обмотке пропускать электрический ток, то вокруг нее образуется электромагнитное поле, которое индуцирует вихревые токи во вторичной обмотке. Если в электромагнитное поле вместо вторичной обмотки поместить тигель с загруженным в него металлом, то вихревые токи будут возникать в металле. Чем больше сопротивление прохождения электрического тока в тигле, тем больше электроэнергии будет превращаться в тепловую. Чем больше частота тока, тем легче происходит это преобразование.

Индукционные печи проще дуговых, но для них требуется более дорогое электрооборудование. Главное достоинство индукционных печей – легкость управления, возможность достижения высокой температуры, быстрый нагрев, равномерность температуры металла во всем объеме, нет выбросов в атмосферу пыли и газа.

Однако, производительность индукционных печей меньше, чем вагранок. Работают они прерывисто. Металл из них выдается по окончании каждой плавки. Вагранки же практически выдают металл непрерывно, что очень важно для современных автоматических формовочных линий.

16.5 Печи сопротивленияПри плавке цветных металлов такая высокая температура, как для чугуна и стали, не нужна. Для плавки олова, цинка, свинца, магния и алюминия наряду с дуговыми печами нередко используют электропечи иного типа – печи сопротивления. В электрическую цепь включают металлическую спираль или пластины с низкой электрической проводимостью (например, из нихрома). Большое сопротивление прохождения электрического тока вызывает нагрев спиралей или пластин .

17 Дефекты отливок и их исправление

Все дефекты отливок принято разделять на исправимые и неисправимые.

Исправимые дефекты – это дефекты, которые экономически целесообразно подвергать исправлению. В этом служебные свойства отливгок полностью восстанавливаются. Неисправимые дефекты обычно крупные по размерам исправить бывает либо невозможно, либо экономически нецелесообразно.

17.1 Несоответствия по геометрии

Недолив – дефект в виде неполного образования тела отливки вследствие частичного незаполнения литейной формы металлом (искажение контуров, образование самых разнообразных сквозных отверстий, щелей). Наблюдается этот дефект при недостаточной жидкотекучести, при скоплении газов, препятствующих заполнению формы, при недостаточных размерах питателей литниковой системы.

Спай – дефект отливки в виде углубления на поверхности, образовавшегося неполностью слившимися потоками прерванного при заливке или преждевременно застывшего в форме металла. Внешне это проявляется в виде углубления, рубцов или швов на поверхности отливок. Причины образования спаев те же, что и у недолива.

Коробление – дефект в виде искажения конфигурации отливки под влиянием напряжений, возникающих при охлаждении, а также в результате нетехнологичности отливки или коробления модели.

Разностенность – дефект в виде взаимного увеличения и уменьшения толщины стенок отливки вследствие смещения, деформации или всплытия стержня.

Перекос – дефект в виде смещения одной части отливки относительно осей или поверхностей другой части по плоскости разъема модели, стержнового ящика или опок, возникшего вследствие их неточной фиксации при формовке и сборке.

17.2 Дефекты поверхности

Пригар – дефект, характеризующийся тем, что вся или часть поверхности отливки покрыта грубым слоем формовочного материала, пропитанного металлом и его окислами. Для предотвращения этого брака необходимо увеличение прочности смеси, окрашивание форм прочными противопригарными красками и т.д.

Залив – дефект отливки в виде неопределенной формы ребер, выступов или приливов на теле отливки, не предусмотренных чертежом. Обычно они располагаются по разъему формы или в зазорах между раздельными ее частями. Удаление заливов почти не поддается механизации и требует больших затрат тяжелого ручного труда.

17.3 Несплошности в теле отливки

Горячая трещина – дефект в виде разрыва тела отливки, возникшего при температурных затвердеваниях и ниже их до прекращения свечения отливки вследствие усадки. Горячая трещина располагается по границам кристаллов, имеет неровную окисленную поверхность.

Холодная трещина – дефект в виде разрыва тела отливки, возникшего ниже температуры свечения отливки, вследствие внутренних напряжений или механического воздействия. Этот дефект обычно имеет чистую светлую поверхность или с цветами побежалости зернистую поверхность. Причиной образования трещин являются чрезмерные напряжения, возникающие в отливках вследствие механического или теплового торможения усадки, превышающие прочность металла при данном его состоянии.

Газовая раковина – раковина, образовавшаяся при затвердевании металла вокруг пузырька газа; имеет обычно округлую форму с чистой и гладкой, иногда окисленной поверхностью.

Усадочная раковина – это раковина с грубой шероховатой, иногда окисленной поверхностью, образовавшаяся вследствие неравномерной усадки металла при затвердевании. Усадочные раковины образуются в результате того, что при затвердевании отливки сперва застывает наружная поверхностная корка, а заключенный внутри этой корки жидкий металл, испытывающий при своем охлаждении и затвердевании также уменьшение в объеме, оказывается лишенным источника его наполнения.

Причинами образования усадочных раковин являются:

- отклонение от заданного химического состава сплава;

- высокая температура заливаемого металла;

- нетехнологичность отливки;

- высокая скорость заливки металла.

17.4 Отклонения размера и массы

Дефект в виде несоответствия размеров и массы требованиям ГОСТ или техническим условиям на отливку. Возникает вследствие неточности в изготовлении модели, износа модели, некачественном удалении модели из формы и т.д.

17.5 Отклонение структуры

Отклонение структуры – дефект в виде несоответствия структурных составляющих по количеству, величине, форме, характеру распределения требованию стандартов (например – отбел в чугунах).

17.6 Отклонение химического состава

Отклонение химического состава – несоответствие металла отливки химическому составу. Выражается в повышенном или пониженном содержании некоторых химических элементов по сравнению с установленными пределами по ГОСТ.

17.7 Отклонение механических свойств

Отклонение механических свойств – это несоответствие отливок по механическим свойствам требованиям ГОСТ. Необходимые механические свойства отливок обеспечиваются правильным расчетом шихты, модифицированием.

18 Основные способы исправления дефектов отливок

18.1 Для устранения дефектов отливок широко применяются сварочные процессы.

18.2 Механическая заделка путем ввертывания или запрессовывания пробок и вставок с твердостью, приближенной к твердости металла отливки. Таким образом, например, исправляется брак в виде раковин, рыхлот.

18.3 Замазка несквозных раковин на необрабатываемых поверхностях специальными составами (например, на основе эпоксидных смол).

18.4 Для исправления неплотностей, создающих негерметичность стенок отливки осуществляется пропитка бакелитовым лаком, жидким стеклом и т.д.

18.5 Металлизация – нанесение слоя металла.

19 Специальные методы литья

Специальные методы литья являются прогрессивными способами изготовления отливок. По сравнению с литьем в песчаных формах они имеют ряд преимуществ: повышают качество, чистоту и точность литья, улучшают структуру и свойства отливок, позволяют значительно механизировать производство литых изделий и снизить их стоимость, способствуют повышению производительности и улучшению условий труда.

19.1 Кокильное литье

Кокильное литье – процесс производства отливок в металлических формах, изготовленных из чугуна, стали или алюминиевых сплавов. Используют их не один раз, как песчаную форму, а многократно. Кокили обладают высокой теплопроводностью, поэтому залитый в них металл охлаждается и закристаллизовывается значительно быстрее, чем в песчаной форме. В результате повышается производительность труда и снижается стоимость отливок.

19.2 Центробежное литье

Центробежный метод изготовления литых заготовок состоит в том, что жидкий металл заливается во вращающуюся форму. Под действием центробежной силы он «отбрасывается» к стенкам формы, где и затвердевает. Металл уплотняется (отсутствуют газовые пузыри). Шлаковые и неметаллические включения собираются на внутренней части пустотелой отливки в зоне припуска, удаляемого при последующей механической обработке.

Выгоды от такого способа литья не исчерпываются улучшением качества металла. Для получения центральных отверстий стержни не нужны, т.к. под действием центробежных сил металл сам распределяется у стенок формы и центральное отверстие получается само собою. Кроме того, форма для центробежного литья не нуждается в изготовлении всех элементов литниковой системы: не нужны чаша, стояк, шлакоуловитель, литниковые каналы. Процесс изготовления форм значительно упрощается. Формы изготовляют либо из металла, либо футеруются песчано-глинистыми смесями.

Центробежное литье выполняется на специальных машинах с горизонтальной или вертикальной осью вращения.

Машины с горизонтальной осью вращения используются для получения отливок, имеющих форму тел вращения; с вертикальной осью – для фасонного литья (колеса, шестерни, втулки). Наружные стенки отливки получаются малой толщины.

Недостаток метода – высокая стоимость литейных форм.

19.2 Литье под давлением

Способ литья под давлением заключается в том, что расплавленный заполняет металлическую форму под давлением. Литейная форма изготовляется с большой точностью, с тщательно подогнанными частями. Поверхность полости хорошо полируется. Получить под давлением чугунное или стальное литье весьма затруднительно, поскольку заливаемые расплавленные чугуны и сталь, имеющие высокую температуру, отрицательно влияют на литейную форму. Поэтому литье под давлением применяется в основном для получения отливок из сплавов цветных металлов.

Создано большое количество машин для литья под высоким и низким давлением. На них производится множество деталей машин, приборов и аппаратов настолько точных, что никакой дальнейшей обработки эти детали не требуют. Литьем под давлением можно получить миниатюрные детали с малой толщиной (до 0,8 мм), минимальный диаметр отверстия до 1 мм.

Давление на металл осуществляется либо сжатым воздухом (компрессорные машины), либо поршнем (поршневые машины). В компрессорных машинах осуществляется литье под низким давлением (обычно 5 – 8 атм.), а в поршневых – под высоким давлением, достигающим сотен или несколько тысяч атмосфер.