Теоретические основы производства отливок
Возможность получения тонкостенных, сложных по форме или больших по размерам отливок без дефектов предопределяется литейными свойствами сплавов. Наиболее важные литейные свойства сплавов: жидкотекучесть, усадка (линейная и объемная), склонность к образованию трещин, склонность к поглощению и образованию газовых раковин и пористости в отливках и др.
Свойства металлов
Различают физические, механические, технологические и химические свойства металлов.
Физические свойства
К ним относят плотность, теплопроводность, электропроводность и температуру плавления. Перечисленные свойства называются физическими потому, что они обнаруживаются в явлениях, не сопровождающихся изменением химического состава вещества. Чистые металлы плавятся при t=const, а сплавы в интервале t-p.
Механические свойства
Характеризуют способность детали, изготовленной из определенного материала, выдерживать различные нагрузки или хорошо сопротивляться истиранию при работе машины. К механическим свойствам относятся прочность, твердость, упругость, пластичность и др. Прочность сплава определяется величиной усилия, необходимого для разрушения стандартного образца. При этом стальные, алюминиевые и другие образцы испытывают на растяжение (разрыв) и относительное удлинение, а чугунные на изгиб. Кроме того, все литейные сплавы испытывают на твердость. Твердость сплавов определяют на приборе Бринелля непосредственно на деталях или на отливках (НВ). Твердость закаленных сталей определяют на приборе Роквелла путем вдавливания в изделие алмазной пирамиды (HRC). Упругость – способность металла принимать первоначальную форму и размеры после прекращения действия нагрузки. Пластичность (вязкость) – способность металла изменять первоначальную форму и размеры под действием нагрузки и сохранять новую форму и размеры после прекращения ее действия. Это свойство особенно важно при выборе сплавов для ковки, штамповки и прокатки. Обрабатываемость резанием – способность металла изменять свою форму под действием режущего инструмента. Ковкость – способность металла принимать новую форму и размеры под влиянием прилагаемой нагрузки без нарушения его целости (малоуглеродистая сталь). Свариваемость – способность металлов образовывать прочные соединения при нагреве свариваемых частей до расплавленного или до пластического состояния. Хорошей свариваемостью обладают стали с низким содержанием углерода. Плохо свариваются чугун, медные и алюминиевеы сплавы. Жидкотекучесть – способность металла заполнять тонкие очертания полости формы. При недостаточной жидкотекучести расплавленный металл не полностью заполняет форму и отливка становится браком. Жидкотекучесть прежде всего зависит от химического состава, от температуры перегрева: чем она выше, тем больше жидкотекучесть. Величину жидкотекучести определяют по технологической пробе – длин заполненной сплавом части полости контрольной литейной формы. Усадка — свойство литейных сплавов уменьшать объем при затвердевании и охлаждении. Усадочные процессы в отливках протекают с момента заливки расплавленного металла в литейную форму вплоть до полного охлаждения отливки. Различают линейную и объемную усадку, выражаемую в относительных единицах. Линейная усадка - усадка линейных размеров отливки при ее охлаждении от температуры, при которой образуется прочная корка, способная противостоять давлению расплавленного металла, до температуры окружающей среды.
Линейную усадку Eлин (%) определяют соотношением:
где lф и lот - размеры полости формы и отливки при температуре 20°С, мм.
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. Увеличение скорости отвода теплоты от залитого в форму сплава приводит к возрастанию усадки отливки. Объемная усадка – уменьшение объема сплава при его охлаждении в литейной форме при формировании отливки.
Объемную усадку Еоб (%) определяют соотношением:
где Vф и Vот – объем полости формы и отливки при температуре 20°С, мм.
Усадочные раковины – сравнительно крупные полости, расположенные в местах отливки, затвердевающих последними. Усадочная пористость – скопление пустот, образовавшихся в отливке в обширной зоне в результате усадки в тех местах отливки, которые затвердевали последними без доступа к ним расплавленного металла. Получить отливки без усадочных раковин и пористости возможно за счет непрерывного подвода расплавленного металла в процессе кристаллизации вплоть до полного затвердевания. Горячие трещины в отливках возникают в процессе кристаллизации и усадки металла при переходе из жидкого состояния в твердое при температуре близкой к температуре солидуса. Горячие трещины проходят по границам кристаллов и имеют окисленную поверхность. Склонность сплавов к образованию горячих трещин увеличивается при наличии неметаллических включений, газов (водорода, кислорода), серы и других примесей. Холодные трещины возникают в области упругих деформаций, когда сплав полностью затвердел. Тонкие части отливки охлаждаются и сокращаются быстрее, чем толстые. В результате в отливке образуются напряжения, которые и вызывают появление трещин. Холодные трещины чаще всего образуются в тонкостенных отливках сложной конфигурации и тем больше, чем выше упругие свойства сплава, чем значительнее его усадка при пониженных температурах и чем ниже его теплопроводность. Коробление — изменение формы и размеров отливки под влиянием внутренних напряжений, возникающих при охлаждении.
Разновидности специальных видов литья:
- литье по выплавляемым моделям;
- литье в оболочковые формы;
- литье в металлические формы (в кокиль);
- литье под низким давлением;
- центробежное литье;
- литье вакуумным всасыванием;
- непрерывное литье;
- литье выжиманием;
- жидкая штамповка;
- электрошлаковое литье и др.
Литье по выплавляемым моделям.
Литьем по выплавляемым моделям называют технологический процесс, в ходе которого модель из воска, специального фотополимера или другого легкоплавкого состава заливают специальной формовочной смесью, которая впоследствии затвердевает, превращаясь в прочный блок. Далее этот блок помещают в прокалочную печь, где из него, в ходе определенного цикла вытапливается воск, фотополимер или прочий состав, и где он обретает большую прочность. После завершения цикла прокалки форма готова к литью. Технологический процесс изображен на рисунке 1.
Рисунок 1 – Изготовление отливок по выплавляемым моделям;
1 – изготовление моделей в пресс-форме; 2 – сборка моделей в модельный блок на металлический стояк; 3 – нанесение на модельный блок огнеупорной суспензии; 4 – обсыпка слоя суспензии зернистым материалом.
Литье в оболочковые формы.
Литье в оболочковые формы - это способ получения отливок свободной заливкой расплава в формы из термореактивных смесей.
Оболочковые формы отличаются высоким комплексом технологических свойств: достаточной прочностью, газопроницаемостью, податливостью, негигроскопичностью. Технология литья в оболочковые формы особенно хорошо подходит для крупных отливок - например скульптур. Детали, отлитые в оболочковые формы, имеют в 1,5 раза меньший припуск на механическую обработку.
Литье в металлические формы.
Кокильным литьем называют процесс получения отливок посредством свободной заливки расплавленного металла в многократно используемые металлические формы – кокили.
Литье под низким давлением.
В практике производства отливок, особенно отливок из цветных сплавов, применяют метод литья под низким регулируемым давлением. При литье отливок этим способом повышаются их физико-механические свойства; улучшается заполняемость кокиля и, следовательно, повышается геометрическая точность отливок и уменьшается шероховатость их поверхности; увеличивается до 95—98% коэффициент использования расплава; обеспечивается точное дозирование расплава при заливке и строгое соблюдение заданного температурного режима заливки.
Центробежное литье.
Центробежное литье – это способ формирования отливок под действием центробежных сил при свободной заливке металла во вращающиеся формы. Центробежным способом получают отливки из чугуна, стали, сплавов на основе меди, алюминия, цинка, магния, титана и др. Пример центробежного литья представлен на рисунке 2.
Рисунок 2 – Центробежное литьё
Литье вакуумным всасыванием.
Литье (заливка) вакуумным всасыванием заключается в заполнении формы металлом за счет создаваемого в ней вакуума. При данном способе литья полость формы заполняется за счет перепада давлений от атмосферного (над зеркалом расплава) до пониженного —10—80 кПа (в полости формы).
Непрерывное литье.
Непрерывное литье металлов – процесс получения слитков-заготовок, основанный на непрерывном перемещении металла относительно зон заливки и кристаллизации. Осуществляется на машинах непрерывного литья. Разновидность непрерывного литья — непрерывная разливка стали.
Литье выжиманием.
Литье выжиманием - процесс получения тонкостенных крупногабаритных отливок путем свободной заливки расплавленного металла в раскрытые металлические формы с последующим их сдвиганием и выжиманием жидкого металла (рис. Л-12). Литьем выжиманием получают отливки из цветных сплавов размерами до 1х2,5 м и толщиной стенок 2,5 - 5 мм.
Жидкая штамповка.
Технологию жидкой штамповки можно рассматривать, с одной стороны, как технологию литья под давлением, с другой — как процесс горячей штамповки в закрытых штампах. Металл заливается в штамп в жидком состоянии, а окончательное формообразование (штамповка) детали происходит в момент, когда металл находится в полужидком состоянии, а затем в твердом. Это позволяет получать заготовки с высокой плотностью металла и с повышенными механическими свойствами. Пример жидкой штамповки изображен на рисунке 3.
Рисунок 3 – Жидкая штамповка;
1 – расплавленный металл; 2 – матрица; 3 – пуансон.
Электрошлаковое литье.
Электрошлаковос литье (ЭШЛ) – это способ получения фасонных отливок в водоохлаждаемой металлической литейной форме – кристаллизаторе, основанный на применении электрошлакового переплава расходуемого электрода. Отливку получают переплавом электродов из металла требуемого химического состава. Источником теплоты при ЭШЛ является шлаковая ванна, нагреваемая проходящим через нее электрическим током.