2. Физические основы производства отливок.

ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА ЛИТЬЯ

Определяется тремя важнейшими понятиями: «жидкотекучесть», «кристаллизация», «усадка».

ЖИДКОТЕКУЧЕСТЬ – способность материала заполнять форму в жидком состоянии. Жидкотекучесть зависит от вязкости и удельной теплоты плавления материала, а также от теплопроводимости и начальной температуры пресс-формы.Испытание материала на жидкотекучесть проводят по спиральной пробе

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ – образование и рост кристаллов в затвердевающем металле. Процесс происходит в направлении, перпендикулярном поверхности теплоотдачи. Вследствие этого образовавшиеся зерна – монокристаллы в наружных областях мельче (рис. 3).

УСАДКА - Свойство литейных сплавов уменьшать объём при затвердевании и охлаждении. Усадочные процессы в отливках протекают с момента заливки расплавленного металла в форму вплоть до полного охлаждения отливки. Различают объёмную и линейную усадку, выражаемую в относительных единицах.

ЛИНЕЙНАЯ УСАДКА - уменьшение линейных размеров отливки при её охлаждении от температуры, при которой образуется прочная корка, способная противостоять давлению расплавленного металла, до температуры окружающей среды. Линейную усадку определяют соотношением, %:

где l_ф и l_отл - размеры полости формы и отливки при комнатной температуре.

На линейную усадку влияют химический состав сплава, температура его заливки, скорость охлаждения сплава в форме, конструкция отливки и литейной формы. Так, усадка серого чугуна уменьшается с увеличением содержания углерода и кремния. Усадку алюминиевых сплавов уменьшаем повышение содержания кремния. Усадку отливок уменьшает снижение температуры заливки. Увеличение скорости отвода теплоты от залитого в форму сплава приводит к возрастанию усадки отливки.

При охлаждении отливки происходит механическое и термическое торможение усадки. Механическое торможение возникает вследствие трения между отливкой и формой. Термическое торможение обусловлено различными скоростями охлаждения отдельных частей отливки. Сложные по конфигурации отливки подвергаются совместному воздействию механического и термического торможения.

Линейная усадка для серого чугуна составляет 0,9-1,3%, для высокопрочного чугуна до 1.7%, для ковкого чугуна …%, для углеродистых сталей 2-2,4%, для алюминиевых сплавов 0,9-1,5%, для медных 1,4-2,3%.

ОБЬЕМНАЯ УСАДКА - уменьшение объёма сплава при его охлаждении в литейной форме при формировании отливки. Объёмную усадку определяют соотношением, %: 

где V_ф и V_отл – объем полости формы и отливки при температуре 20C. Объемная усадка приблизительно равна утроенной линейной усадке.

ЛИКВАЦИЯ возникает в рез-те того, что сплавы, в отличие от чистых металлов, кристаллизуются не при одной темп-ре, а в интервале темп-р. При этом состав кристаллов, образ, в начале затвердевания, может существ, отличаться от состава последних порций кристаллиз. маточного р-ра. Чем шире темп-рный интервал кристаллизации сплава, тем большее развитие получает л., причем наиб, склонность к ней проявляют те компонеты сплава, к-рые наиб, сильно влияют на ширину интервала кристаллизации

Литье

1. Классификация способов изготовления отливок.

Основными способами изготовления металлических заготовок и деталей являются литье, обработка давлением и обработка резанием. Изделия, сложной формы могут быть получены также сваркой, пайкой или клепкой деталей, полученных предварительно литьем или обработкой давлением. Все большее количество заготовок и деталей машин производят с использованием методов порошковой металлургии.

Литейное производство является одной из отраслей машиностроения. Задача литейного производства – изготовление изделий любой массы, разнообразных по форме и размерам (в том числе с внутренними полостями) из металлов и сплавов, обладающих жидкотекучестью. Доля литых деталей в большинстве изготовляемых машин составляет в 40-50%, а по стоимости изготовления их– 10-15%.

При литье металлический расплав заливают в заранее приготовленные литейные формы, которые бывают разовыми или постоянными.

Выбор способа литья определяется служебным назначением детали, производственной программой, экономической целесообразностью, а также требуемой точностью и качеством поверхности отливок.

Большая часть отливок изготовляется литьем в песчаные формы. В некоторых случаях применяют специальные способы литья: в оболочковые формы, по выплавляемым моделям, в постоянные металлические формы – кокили, под давлением, под регулируемым давлением, центробежное, электрошлаковое и др.

Основные операции технологического процесса изготовления отливок могут быть объединены в три группы: формовки; плавки и заливки; выбивки и очистки отливок.

Виды литья

Известно множество разновидностей литья:

1) в песчаные формы (ручная или машинная формовка);

2) в многократные (цементные, графитовые, асбестовые) формы; 3) в оболочковые формы; 4) по выплавляемым моделям; 5) по замораживаемым ртутным моделям;

+6) центробежное литьё;7) в кокиль; 8) литьё под давлением; 9) по газифицируемым (выжигаемым) моделям; 10) вакуумное литьё; 11) электрошлаковое литьё; 12) литьё с утеплением.

Так как разновидности литья различаются одновременно по многим разнородным признакам, то возможны и комбинированные варианты, например, электрошлаковое литьё в кокиль.

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО — отрасль машиностроения, за­нимающаяся изготовлением фасонных заготовок или деталей путем заливки расплавленного металла в специальную форму, полость ко­торой имеет конфигурацию заготовки (детали). При охлаждении залитый металл затвердевает и в твердом состоянии сохраняет кон­фигурацию той полости, в которую он был залит. Конечную продук­цию называют отливкой. В процессе кристаллизации расплавленного металла и последующего охлаждения формируются механические и эксплуатационные свойства отливок.

ЛИТНИКОВАЯ СИСТЕМА- Это система, каналов через которые расплавленный металл подают в полость формы. Обеспечивает заполнение форм с заданной скоростью. Задержание шлака не Ме включениях , выход газов и паров из полости формы, непрерывную подачу расплавленного Ме в затвердевающие отливки .

Основные элементы лит. Сист.

1.Литниковая чаша (воронка) предназначена для приема расплава из разливочного ковша и задержание шлаков.

2.Стояк – вертикальный канал, передающий расплав из литниковой чаши к другому элементу лит. Системы.

3.шлакоуловитель – горизонтальный канал, который служит для задержания шлака и передачи расплава от стояка к питателю

4.Питатель – каналы для подачи расплава в пол лит. Формы. Должны обеспечить пост. плавное поступление. Обычно нижний пол.

5.Выпор служит для отвода газов из полости форм, для контроля окончания заливки.

6.Коллектор – распределительный канал для направления расплава к разным частям отливки. Расположен горизонтально по разъему формы; 7.Прибыль – для компенсации усадки

4. Изготовление отливок в оболочковые формы (схема, сущность, особенности).

При изготовлении отливок в объемных песчано-глинистых формах лишь небольшой слой смеси, прилегающий к отливке, участвует вформировании ее поверхности и внутреннего строения. Остальная же часть смеси нужна лишь для придания форме необходимой прочности. Из-за малой прочности песчано-глинистых смесей толщина наполнительной части формы в несколько десятков раз превышает толщину ее рабочей части. Вследствие этого в литейных цехах вынуждены использовать большоеколичество формовочных материалов (от 4 до 12т на 1т отливок).Литье в оболочковые формы - способ, запатентованный в 1940-х гг.в Германии И.Кронингом (отсюда распространенное за рубежом название«кронинг-процесс»). Традиционно способ относили у нас к специальнымвидам литья, так как он требует использования для изготовления формнагреваемой модельной оснастки.Оболочковые разъемные формы обычно изготовляют из сыпучихтермореактивных песчаных смесей с органическими связующими. Вкачестве связующего чаще всего используют фенолформальдегидные смолы(СФ-12, СФ-15 и др.) с добавкой 8...12% уротропина от содержания смолы.Расход смолы в смеси составляет 4... 5 % массы огнеупорнойосновы—кварцевогопескаилидругогоогнеупорногозернистого материала.В оболочковых формах получают отливки массой от нескольких сотграммов до 100кг из чугуна, стали и цветных сплавов.Преимущества способа.Применение оболочковых форм, преждевсего, уменьшает расход и объем переработки формовочных материалов до0,5-1,0т на 1т отливок с соответствующим высвобождением транспортного итехнологического оборудования и площадей цеха.Высокая прочность оболочковой формы позволяет снимать ее смодельной оснастки без расталкивания, что повышает размернуюточность отливок.Небольшаятолщинаформыобеспечиваетеехорошуюгазопроницаемость даже при использовании мелкозернистых формовочныхматериалов, тем самым снижается шероховатость поверхности отливок.Тонкая газовая рубашка, образующаяся при выгорании органическогокрепителя на внутренней поверхности формы при заливке ее жидкимметаллом, защищает поверхность отливки от пригара.Оболочковая форма к моменту окончания затвердевания отливкипрактически полностью разупрочняется. Все это позволяет устранитьтрудоемкие операции по выбивке и очистке литья.

Оболочковая форма состоит из двух полуформ с горизонтальной иливертикальной плоскостью разъема.Процессизготовленияоболочекизпесчано-смолянойтермореактивной смеси включает в себя следующие последовательныеоперации: нагрев модельной оснастки; нанесение на поверхность оснасткиразделительного покрытия; нанесение на модельную оснастку песчано-смоляной смеси; формирование и затвердевание оболочки; съем готовойполуформы с модельной оснастки.Способы изготовления оболочек различаются в основном поприемам нанесения песчано-смоляной смеси на модельную оснастку.Наиболее распространен способ свободной засыпки модельной оснасткисмесью с помощью поворотного бункера (рис. 9.1).

При изготовлении верхней оболочковой полуформы металлическую модельную плиту7(рис. 9.1,а)с моделью отливки (отливок)2илитниковой системой3нагревают до 200...300 ºС электронагревателями илигазовыми горелками и наносят на нее тонкий слой разделительногопокрытия. В качестве покрытия используют раствор синтетическоготермостойкого каучука в бензине-растворителе. Этот состав обладаетнаиболее высокой стойкостью (до 50 съемов), реже применяют мазут.Формовочную смесь6из бункера5насыпают на модельную плиту(рис. 9.1,б)и выдерживают. Время выдержки обусловливает толщинупрогретого слоя смеси до температуры плавления и частичнойполимеризации (последний процесс развивается в более горячих зонах,расположенных непосредственно у плиты) и, соответственно, толщинуформирующейся оболочки. За 30 с толщина оболочки1достигает 20 мм(обычно используют оболочки толщиной 6...20 мм).

Плиту вместе с бункером переворачивают на 180° для удалениялишней непрогретой части смеси. После того, как смесь ссыпалась в бункер(рис. 9.1,в),плиту с оболочкой снимают с бункера и помещают в печь(рис. 9.1,г),где при 300...400 ºС ее выдерживают 1 ...4 мин дляокончательного затвердевания оболочки. При этом смола полимеризуется ипереходит в необратимое твердое состояние.После извлечения оснастки из печи твердую прочную оболочковуюполуформу снимают с модельной плиты толкателями, приводимыми вдвижение через плиту толкателей4механизмом съема (рис. 9.1,д).Таким же образом изготовляют нижнюю полуформу.Перед сборкой обеих полуформ с верха стояка срезаютзакрывающую его часть оболочки, в нижнюю полуформу устанавливают,если необходимо, стержни и, наконец, оболочки склеивают по разъему наспециальных многоштыревых прессах (рис. 9.1,е).Для склеиванияоболочковых полуформ используют жидкие или порошкообразные клеи наоснове термореактивных смол. Центрируются полуформы за счет выступови впадин на разъеме8,оформленных при изготовлении оболочексоответствующими элементами модельной оснастки.К форме с горизонтальной плоскостью разъема приклеиваютоболочку с полостью литниковой чаши. При вертикальной плоскостиразъема формы в этом нет необходимости, так как все элементы литниковойсистемы располагаются в плоскости разъема основных оболочек.Заливают оболочковые формы в контейнерах с засыпкой чугуннойдробью (рис. 9.1,ж).Засыпка увеличивает прочность формы, препятствуяее деформации и распариванию при заливке. Кроме того, чугунная дробьбыстрее отводит теплоту от формы, предотвращая тем самым ее быстрыйперегрев до температур деструкции (разложения) связующего,сопровождающийся потерей прочности оболочки. Последнее наиболееважно при производстве массивных отливок.Специальной операции по выбивке отливок в оболочковом литье нетребуется. Вследствие того, что пульвербакелит является органическимсвязующим он, в значительной степени, выгорает во время затвердевания иохлаждения отливки. К моменту выбивки оболочковая форма практическиполностью деструктурируется и легко разрушается. Отработаннуюформовочную смесь вместе с остатками оболочки регенерируют:прокаливают при температуре порядка 700ºС, при которой крепительполностью выгорает.Формы для мелких отливок (менее 8 кг) заливают в ряде случаев беззасыпки их дробью. Оболочковые формы с горизонтальным разъемом безопорного слоя устанавливают на поддон с песчаной постельютолщиной 100...200 мм.В оболочковых формах можно получать отливки массой до 100 кгпрактически из любых сплавов — чугуна, углеродистой и легированной стали, легких и тяжелых цветных сплавов. Большая прочность оболочек(1... 1,5 МПа на растяжение в горячем состоянии и 3...4 МПа в холодном)обеспечивает выполнение всех необходимых манипуляторных операций приизготовлении форм. Точность отливок и шероховатость поверхности в этомспособе сопоставимы или несколько выше (на 1 — 2 класса), чем при литьев песчано-глинистые формы из современных формовочных смесей спрочностью сырых форм более 160 кПа и качественных способахуплотнения форм (ГОСТ 26645 — 85 (изм. № 1, 1989))

5. Изготовление отливок литьем в кокиль (схема, сущность, особенности).

Сущность метода и область применения. Сущность заклю­чается в том, что вместо разовой песчано-глинистой используют металлическую форму, называемую кокилем. Обладая по срав­нению с песчано-глинистыми формами приблизительно в 60 раз более высокой теплопроводностью, кокили обеспечивают мелко­зернистую структуру отливок, что повышает их прочность. При кокильном литье отпадает необходимость в модельно-опочной оснастке, в формовочных и стержневых смесях, что не только дает большую экономию, но и снижает количество пыли и улуч­шает санитарные условия труда; повышается точность и чистота поверхности отливки; обслуживание кокилей не требует рабочих высокой квалификации; значительно повышается производи­тельность и уменьшаются необходимые производственные пло­щади. Технологический процесс кокильного литья можно легко механизировать. Механизированные кокили имеют устройство, позволяющее закрывать и раскрывать их от пневматического или гидравлического привода. При массовом производстве несколько кокильных машин устанавливают на вращающиеся карусели, по­ворачивающиеся на необходимый угол через определенное вре­мя, за которое производится заливка кокиля.

Наряду с преимуществами у кокильного литья есть и недо­статки: высокая стоимость кокилей позволяет использовать их только в серийном и массовом производствах; опасность образо­вания трещин в отливках из-за неподатливости металлического кокиля; чугунные отливки в кокиле получают отбеленными и тре­буют длительного отжига, что удорожает их производство.

Кокильное литье применяют в условиях крупносерийного и массового производства при изготовлении несложных по конфи­гурации отливок с толщиной стенок 3...100 мм из чугуна, стали и цветных металлов.

2. Конструкция кокиля. По конструкции различают кокили неразъемные вутряхные (рис. I. 9, а) и разъемные с горизонталь­ным (рис. I. 9, б) и вертикальным (рис. I. 9, е) разъемами. Разъ­емные кокили состоят из двух половин 6, центрирующихся направ­ляющими штырями 10. Чтобы избежать коробления, кокиль снаб­жают ребрами жесткости 5 либо делают коробчатой формы. На наружной стенке кокиля для его ускоренного охлаждения иногда отливают пальцы 8. Отверстие или внутреннюю полость в отливке образует песчаный стержень 1 либо металлический 9. Металл зали­вают в литниковую чашу 3, и по стояку 4 и питателям 7 он запол­няет полость формы 2. Поскольку металлические стержни непо­датливы, то во избежание образования в отливке трещин их уда­ляют из формы до начала усадки металла. Если внутренняя кон­фигурация отливки очень «ложна, то металлические стержни де­лают из нескольких частей или заменяют песчаными. Литниковая система размещается в плоскости разъема кокиля. Для выхода воз­духа из формы во время ее заливки кроме выпоров 11 в плоскости разъема по всей высоте кокиля прорезают щели глубиной 0,3...0,5 мм (на рисунке не показаны).

Изготавливают кокили из серого чугуна, стали, а также из цветных сплавов литьем с последующей механической обработкой.

3. Особенности технологии изготовления отливок в кокилях. Изготовление отливок в кокиле состоит из таких операций: очистка кокиля от старой облицовки; нанесение огнеупорного защитного покрытия или покраска рабочей поверхности кокиля; сборка формы с установкой стержней; заливка кокиля; выдержка отливки в форме; раскрытие кокиля и удаление из него отливки.

Во избежание отбеливания чугунных отливок подбирают хими­ческий состав чугуна, обеспечивающий графитизацию в условиях повышенной скорости охлаждения. С этой же целью перед заливкой чугуна кокиль нагревают до 250...300 °С и время выдержки отливок в кокиле сокращают до минимума.

Если в кокиле получают отливки из силумина (сплав алюминия с кремнием), то отпадает необходимость вводить натрий в сплав перед заливкой формы для измельчения структуры, так как быстрое охлаждение измельчает кремний в образующейся эвтектике.