Лекція № 8

Навчальні питання:

1. Виготовлення виливків із різних сплавів. Ливарні властивості сплавів - рідко текучість, ливарна усадка, ліквація.

2. Виробництво виливків із сірого, ковкого i високоміцного чавунів.

3. Особливості виготовлення стальних виливків.

4. Виготовлення виливків з алюмінієвих, мідних та магнієвих сплавів

Навчальне питання 1. Виготовлення виливків із різних сплавів. Ливарні властивості сплавів - рідко текучість, ливарна усадка, ліквація.

Ливарними властивостями, які значною мірою впливають на якість виливків, є рідкотекучість, усадка і ліквація.

Рідкотекучість — це властивість металів і сплавів швидко заповнювати складні і щілинні порожнини ливарної форми. Рідкотекучий метал легко обгинає всі виступи у формі, проникає в заглибини малого перерізу, завдяки чому з нього можна виготовляти тонкостінні виливки. В’язкий метал погано запов­нює форму і може захолонути раніше, ніж заповнить її. Оскіль­ки в’язкість рідкого металу знижується з підвищенням його температури, то перед заливанням у форму метал нагрівають до температури, трохи вищої за температуру плавлення. Із сплавів, які використовують у ливарному виробництві, найбільшу рідко- текучість має сірий чавун, олов’яна бронза, силумін, наймен­шу— сталь (особливо легована) і чисті метали.

Усадка — це властивість металів і сплавів зменшувати свій об’єм і лінійні розміри в процесі кристалізації і охолоджен­ня виливка у формі. Розрізняють об’ємну і лінійну усадку.

Об’ємна усадка металу відбувається в процесі кристалі­зації, коли метал переходить з рідкого стану з більшим об’ємом у твердий стан з меншим об’ємом. Внаслідок нестачі металу в про­цесі кристалізації у виливку може утворитись усадочна ракови­на або пористість в тих місцях, де метал кристалізується останнім, тобто в товстих стінках виливка. Щоб запобігти утворенню усадочних раковин, у товстих місцях вилив­ка (особливо для виливків із сталі) встановлюють додаток 2, який живить рідким металом виливок у процесі кристалізації або ставлять холодильники для вирів­нювання швидкості охолодження тонких і товстих стінок ви­ливка.

Лінійна усадка металу відбувається при охолодженні виливка в твердому стані до нормальної температури. Лінійна усадка супроводиться зменшенням лінійних розмірів виливка. Ливарна форма і стержні перешкоджають лінійній усадці, вна­слідок чого у виливку виникають внутрішні напруження, які іно­ді призводять до утворення тріщин. Якщо формова і стержнева суміш мають достатню піддатливість, то ці напруження значно зменшуються. З ливарних сплавів найменшу усадку має сірий чавун (близь­ко 1%). дещо більшу — вуглецева сталь (близько 2%) і най­більшу— леговані сталі (більше 2%). Сплави кольорових мета­лів мають усадку в межах 1,2—1,7%.

Ліквація — неоднорідність хімічного складу металу в різ­них частинах виливка. Ліквація може бути дендритна (внутрі- кристалічна) і зональна.

Дендритна ліквація виникає внаслідок неоднорідності хіміч­ного складу первинних і наступних кристалів, які утворюються при кристалізації виливка. Дендритну ліквацію можна усунути дифузійним відпалюванням.

Зональна ліквація виникає при повільній кристалізації різно- стінного виливка: тонкі стінки виливка, які кристалізуються першими, чистіші за хімічним складом, ніж товсті, які криста­лізуються останніми. Термічною обробкою зональну ліквацію усунути неможливо, тому для боротьби з нею треба замінити конструкцію виливка на рівностінну або встановити додаток над масивною частиною виливка, щоб лікваційні включення скупчи- лись у додатку.

Навчальне питання 2. Виробництво виливків із сірого, ковкого i високоміцного чавунів.

Найбільш поширеним агрегатом для плавлення чавуну в ли­варних цехах є вагранка. Вона проста за конструкцією і в обслу­говуванні, порівняно з іншими плавильними печами витрачає мало палива, високопродуктивна.

Вагранка (рис. 56) являє собою циліндричну шахтну піч. Кожух 6 шахти зварний, ізсередини футерований вогнетривкою цеглою 7. Спирається шахта на опорну плиту 2, яку закріплено На чотирьох колонах 1. Отвір у плиті закривають відкидним Дном 16. Крізь вікно 3 (яке на час роботи вагранки замуро­вують) дно набивають формовою сумішшю. Зверху вагранка закінчується трубою 10 і іскровловлювачем 11. Шахту вагранки завантажують крізь вікно 9. Щоб захистити футеровку від уда­рів, на рівні завантажувального вікна шахту викладають чавун­ною цеглою 8. Рідкий чавун і шлак крізь отвір 12 перетікають у копильник 13, де вони поступово нагромаджуються і від­стоюються. У міру потреби чавун випускають через чавунну льотку 15, а шлак — через шлакову льотку 14. Повітря для горіння палива подають у вагранку з кільцевого повітропрово­ду 5 через фурми 4.

Рис. 56. Схема вагранки з ко­пальником.

Вихідні матеріали для виготовлення рідкого чавуну нази­вають шихтою. Металева частина шихти складається з ЗО—40% доменного ливарного чавуну, 40—60% повороту власного вироб­ництва, 0—20% стального брухту і 0—10% феросплавів. У неме­талеву частину шихти входять паливо і флюси. Паливом у ваг­ранці є кокс і природний газ. Призначення флюсів — сплавляти в шлак золу палива, формові і стержневі суміші, які пригоріли до повороту власного виробництва;

Плавлення чавуну у вагранці. Дровами розпалюють вагранку і завантажують шар коксу, висота якого на 800— 1600 мм вища від нижнього ряду фурм. Цей шар коксу, нази­вають холостою колошею. На холосту колошу коксу заванта­жують металеву частину шихти, потім робочу колошу коксу і потім — флюс. Таке пошарове засипання шихти повторюють по всій висоті вагранки аж до завантажувального вікна. У процесі плавлен­ня шихтові матеріали по­ступово опускаються, а вагранку крізь вікно за­вантажують новими пор­ціями шихти. Гази, які утворюють­ся внаслідок горіння вуг­лецю коксу, піднімаються назустріч шихті і від­дають їй своє тепло. Пла­витися шихта починає над холостою колошею, і краплини чавуну, які сті­кають по кусках розжаре­ного коксу, розчиняють у собі вуглець. Тому міст­кість вуглецю у ваграноч­ному чавуні не нижча за 3,2—3,5%. Щоб знизити його місткість, у шихту добавляють більше сталь­ного брухту. Крім вуглецю, чавун збага­чується також сіркою, яку міс- Л тять кокс і газ. Нестачу мар­ганцю і кремнію компенсують введенням у шихту дзеркаль­ного чавуну (до складу його входить марганець) і фероси­ліцію. Останнім часом для під­вищення продуктивності ваг­ранки і температури рідкого чавуну у вагранку почали вду­вати цідігріте повітря, збага­чене киснем. При цьому про­дуктивність вагранки збільшу­ється на 20—25%, а витрати коксу зменшуються на 25— 30%.

Виготовлення виливків із сірого чавуну. Сірий чавун найдешевший ливарний сплав. Добра рідкотекучість, незначна усадка, порівняно невисока температура плавлення зумовили широке застосування його для виготовлення виливків у машино­будуванні.

На ливарні властивості сірого чавуну значною мірою впли­ває хімічний склад. Кремній сприяє процесу графітизації і тим самим зменшує усадку виливків. Фосфор збільшує рідкотеку­чість чавуну. Тому чавуни із значним вмістом фосфору викори­стовують у виробництві тонкостінного або художнього литв^ У литві відповідального призначення місткість фосфору обме­жують 0,2—0,3%; у виливках, які працюють на спрацювання,— 0,7—0,8% (фосфор підвищує стійкість проти спрацювання); у тонкостінному і художнь'ому литві — близько 1%. Сірка погір­шує ливарні властивості чавуну: знижує рідкотекучість, збіль­шує усадку. Тому місткість сірки в чавуні обмежують до 0,12%.

Процес утворення графіту в чавуні (графітизація), який зменшує усадку, протікає більш інтенсивно при високій темпе­ратурі і повільному охолодженні. Швидкість охолодження зале­жить від матеріалу ливарної форми (піщана або металева) і від товщини стінок виливка. Значна швидкість охолодження в мета­левих формах сприяє утворенню небажаної структури білого чавуну, твердого і важкооброблюваного. Щоб цього не сталося, металеві форми перед заливанням металу треба нагрівати і зсе­редини наносити в них тонкий шар глини для зменшення тепло­віддачі форми. Повільне охолодження в піщаних формах забез­печує структуру сірого м’якого чавуну.

Виготовлення виливків з ковкого чавуну. Якщо в звичай­ному сірому чавуні форма графітних включень пластинчаста, то в ковкому чавуні вона пластівчаста. Така форма графіту утворюється внаслідок графітизуючого від­палювання виливків з білого чавуну із значним витримуванням цри температурі 950—1000° С. Щоб утворилася структура білого чавуну, вміст кремнію повинен бути невисоким, але достатнім для проходження' процесу графітизації при відпалюванні виливка.

Треба враховувати, що, порівняно з сірим, білий чавун має низьку рідкотекучість, а виливки з нього — значно більшу усад­ку. Тому для підвищення рідкотекучості перед заливанням білий цавун треба перегріти, що в свой) чергу потребує використання формових і стержневих сумішей підвищеної вогнетривкості. Значна усадка білого чавуну потребує від формових, а особливо стержневих, сумішей також підвищеної піддатливості. Ковкий чавун використовують для виготовлення тонкостінних вилив­ків, щоб забезпечити потрібну швидкість охолодження. Отже, виливки з ковкого чавуну потребують складної технології форм, відпалювання, подвійного очищання (після вибивання і відпа­лювання).

Виготовлення виливків з високоміцного чавуну. Виливки із сталі і ковкого чавуну виготовити значно складніше і еконо­мічно менш вигідно, ніж із сірого чавуну. Проте звичайний сірий чавун з пластинчастою формою графіту внаслідок значної концентрації напружень біля гострих кінців цих пластинок має низькі механічні властивості. Модифікування сірого перегрітого рідкого чавуну сумішшю магнію з феросиліцієм або церієм перед заливанням у ливарну форму дає можливість дістати в структурі графіт кулястої форми.Внаслідок цього збільшується міцність і пластичність чавуну.

Чавун з кулястою формою графіту називають високоміцним. Границя міцності високоміцного чавуну наближається до грани­ці міцності вуглецевої сталі і значно перевищує міцність сірого звичайного і ковкого чавунів; пластичність його в 5—15 раз пере­вищує пластичність сірого звичайного чавуну і наближається до пластичності сталі. У деяких випадках високоміцний чавун може замінити сталь, а виливки з нього на 25—30% дешевші за стальні.

Навчальне питання 3. Особливості виготовлення стальних виливків.

Для плавлення сталі в ливарних цехах використо­вують мартенівські, електрич­ні дугові та індукційні печі, а також малі бесемерівські конвер­тори (див. частину другу). У мартенівських і електричних печах, як правило, плавлять леговані високоякісні сталі для виливків відповідального призначення. У малих бесемерівських конверто­рах незначні порції чавуну (1,5—2,5 т) продувають повітрям ^киснем) крізь бічні фурми. Увесь процес плавлення проходить у дві стадії: спочатку у вагранці розплавляють чавун, а потім у конверторі окислюють домішки. Якість конверторної сталі нижча за якість мартенівської або виплавленої в електричних печах, але простота устаткування і висока продуктивність вигідно відрізняють конвертор від інших агрегатів для плавлення сталі.

Особливості виготовлення форм для стального литва. Порів­няно з чавуном сталь має вищу температуру плавлення, значну усадку, ліквацію і низьку рідкотекучість, внаслідок чого в сталь­ному литві утворюються усадочні раковини, значні внутрішні напруження, гарячі тріщини. Тому виготовлення стальних фасон­них виливків є найскладнішим завданням ливарної технології. Стальне литво потребує значних витрат рідкого металу на до­датки, складної технології виготовлення ливарних форм, відрі­зування додатків, очищання від пригару і відпалювання вилив­ків. Названі операції збільшують вартість стальних виливків і подовжують цикл виробництва. Особливостями технології виготовлення форм для стального литва є застосування формо- вих і стержневих сумішей підвищеної вогнетривкості і міцності, сушіння ливарних форм, установлення додатків і холодильників, щоб запобігти утворенню у виливках усадочних раковин.

Термічна обробка стальних виливків є обов’язковою заключною операцією, оскільки в процесі кристалізації і охо­лодження в них утворюються ліквація і крупнозеркиста структу­ра, а також виникають значні внутрішні напруження. Поперед­ньою термічною обробкою є відпалювання або нормалізація для зміни структури виливків, знімання внутрішніх напружень і під­готовки їх до заключної термічної обробки. Остання полягає в гартуванні і відпусканні для надання стальним виливкам потрібної міцності, твердості або пластичності.

Галузь застосування стального литва поширюється на фасонні деталі, до яких ставлять досить високі вимоги щодо міц­ності, ударної в’язкості і деяких інших властивостей. З конструк­ційних сталей виготовляють литі деталі, що працюють в умовах значних статичних, динамічних і вібраційних навантажень;

інструментальні сталі використовують для виготовлення литого різального, вимірювального, штампувального та іншого інстру­менту; із спеціальних сталей відливають вироби, які зазнають дії агресивних середовищ, Високих температур і навантажень (нержавіючі, жароміцні, кислототривкі, стійкі проти спрацю­вання).

Навчальне питання 4. Виготовлення виливків з алюмінієвих, мідних та магнієвих сплавів.

Для плавлення кольорових сплавів застосовують тигельні, електричні і полуменеві печі місткістю від 50 кг до 5—10 т. На рис. 57,а подано схему тигельної печі, футерованої вогнетривкою кладкою 2. Газ і повітря подано через пальник /, а метал розплавляють у металевих або вогнетривких тиглях 3. Паливо — газ або мазут. Алюмінієві і магнієві сплави розплав­ляють у тиглях з чавуну або сталі, а мідні — в графітових або графіто-шамотних.

У дугових електропечах (рис. 57,6) місткістю 100—1000 кг розплавляють мідні сплави. Дуга горить між горизонтально розміщеними електродами 4, стала відстань між якими підтри­мується автоматично механізмом 5. Під час роботи піч розхи­тують за допомогою механізму повороту печі 6, що прискорює перегрівання металу завдяки стиканню з розжареними стінками печі.

Рис. 57. Печі для плавлення сплавів кольорових металів.

Індукційні електричні печі зручніші для проведення швидкого плавлення і виготовлення металу високої якості. Піч має індук­тор, усередині якого розміщується тигель з вогнетривкого мате­ріалу. Метал плавиться за рахунок тепла, яке виникає внаслідок протікання електричного струму, що індукується в самому металі або в стінках тигля. Залежно від частоти електричного струму індукційні печі поділяють на високочастотні і печі промислової частоти. На рис. 57, в подано схему печі промислової частоти з вертикальним каналом 10. Кількість каналів може бути від одного до трьох залежно від кількості електричних фаз. Прин­цип роботи печі полягає в тому, що до первинної котушки з осердям 9 підводять струм промислової частоти (50 гц). У вер­тикальний канал 10 заливають рідкий метал, що відіграє роль вторинного витка, в якому індукується електричний струм знач­ної сили. Метал витка розігрівається і передає тепло твердій шихті, завантаженій у шахту 7. Рідкий метал зливають через 8.

Характеристика кольорових металів. Сплави кольорових металів значно дорожчі від сталі і чавуну, проте внаслідок висо­ких фізико-хімічних властивостей у деяких випадках е незамін­ним конструкційним матеріалом. У сплавах на мідній основі поєднуються високі електро- і теплопровідність з корозіестій- кістю і немагнітністю. Сплави на основі алюмінію, магнію і титану мають малу питому вагу, високу міцність, а деякі з них .жаростійкі. Є ливарні титанові сплави, які при температурах до 600° С мають більшу міцність, ніж леговані сталі, і високу антикорозійну стійкість. Особливості виготовлення форм для кольорового литва.

Піщані форми для кольорового литва виготовляють з більш дрібнозернистих і менш вогнетривких формових матеріалів, ніж для стального і чавунного литва. Значно важче підібрати фер­мові матеріали для разових форм при виготовленні виливків з титану і його сплавів, оскільки титан активно взаємодіє з крем­неземом. Тому головним вогнетривким матеріалом тут є графіт. Для виготовлення якісного виливка з титану і його сплавів ливарна форма повинна бути практично негазоутворювальною і газонепроникною.

Інформаційні джерела:

1. Технологія конструкційних матеріалів./За ред. А.М. Сологуба. - К.: Вища школа, 1993 –

300 с.

2. Большаков В.І., Береза О.Ю., Харченко В.І. Прикладне матеріалознавство: Підручник. Дніпропетровськ: РВА „Дніпро VAL”.2000 – 290 с.

3. Технология конструкционних материалов. /Г.А. Прейс, М.А. Сологуб, И.А. Рожнецкий/ - К.: Вища школа 1991 – 391 с.

4. Дальский А.М. и др. Технология конструкционных материалов, М.: Машиностроение. 1990 - 351 с.