3.Технология получения заготовки 3.1.Возможные способы получения заготовки 3.1.1.Плавка сплавов

Из схемы последовательности операций изготовления отливок в разовых формах (смотри рисунок 3.1.1.) следует, что параллельно с изготовлением формы идет плавка металла и после сборки формы расплавленной металл заливают в нее. Известно большое многообразие литейных сплавов на основе железа, алюминия, магния, меди, титана, цинка и др. Каждый из сплавов характеризуется комплексом прочностных, эксплуатационных, физических и технологических свойств. В связи с тем, что из этих сплавов получают отливки, они должны обладать комплексом специфических технологических свойств, обеспечивающих получение качественной отливки. К таким свойствам – их называют литейными – относятся жидкотекучесть, склонность к образованию усадочных раковин, трещин, склонность к газонасыщению и ликвации.

3.1.2. Литейные свойства сплавов

Жидкотекучесть – способность металла заполнять литейную форму и воспроизводить очертания ее внутренней полости. Существует несколько методов оценки жидкотекучести, но наибольшее распространение нашло устройство в виде длинного тонкого канала, обычно свернутого в спираль, по длине заполнения которого судят об уровне жидкотекучести. При низкой жидкотекучести расплава возможен брак отливок по недоливам и спаям. На жидкотекучесть оказывают влияние свойства формы и расплава. Естественно, что с ростом коэффициента теплопроводности, содержания влаги и теплоемкости смеси жидкотекучесть падает, так же как и при росте коэффициента теплопроводности сплава, поверхностного натяжения на границе расплав-воздух и ширины температурного интервала кристаллизации сплава. Несмотря на обилие факторов, влияющих на жидкотекучесть, в реальных условиях производства манипулировать ими сложно, так как в цехе существует сложившийся технологический процесс получения отливки, а материал ее задан конструктором. Основным фактором, с помощью которого удается регулировать жидкотекучесть, является температура перегрева расплава. С ростом перегрева резко повышается жидкотекучесть. Поэтому тонкостенные, ажурные отливки с развитой сложной поверхностью отливают первыми горячими порциями расплава сразу после его выдачи в ковш из печи, а толстостенные отливки получают из остывшего в ковше металла.

Различают три вида усадки металла: в жидком состоянии, В процессе кристаллизации и в ходе остывания металла от температур кристаллизации. Наиболее безобиден первый вид усадки, который легко компенсируется снижением уровня расплава в заливочной чаше или в стояке.

Усадка в процессе кристаллизации приводит к образованию усадочных раковин и пористости в отливках, и связана она с разницей плотностей металлов в твердом и жидком состояниях. Если кристаллизация металла протекает в узком интервале температур, что способствует так называемому направленному затвердению, при котором сравнительно гладкий фронт кристаллизации продвигается от поверхности к термическому центру отливки, увеличение плотности металла при переход е из жидкого состояния в твердое приводит к снижению уровня расплава и образованию в верхней центральной части отливки концентрированной усадочной раковины. При широком температурном интервале кристаллизации (объемное затвердевание) концентрированной усадочной раковины не образуется, зато появляется большое количество пор, рассеянных по всему объему отливки. Для устранения усадочных дефектов над массивными частями отливки устанавливают прибыли, толщина которых больше толщины питаемого ими узла, в результате чего усадочная раковина выводится в прибыль и удаляется вместе с ней после охлаждения отливки.

Основным фактором, определяющим объем усадочной раковины или суммарный объем пор, является разность плотностей в жидком и твердом состояниях. Для разных сплавов она различна, что и определяет различную склонность сплавов к образованию усадочных раковин. Известно, что стали, ковкие чугуны, высокопрочные чугуны, сплавы меди, сплавы на основе алюминия (кроме Al-Si) склонны к образованию раковин и пористости, В то время как серые чугуны, силумины, наоборот, дают плотные отливки и не требуют установки прибылей.

Неравномерная усадка отливки в процессе ее остывания от температур кристаллизации приводит к возникновению в ней напряжений, а возможно, и трещин. Различные сплавы характеризуются различными коэффициентами линейной усадки, что и предопределяет их склонность к образованию трещин. Кроме термических напряжений в отливке, связанных с неравномерностью охлаждения отдельных ее частей, могут возникать механические (усадочные) напряжения, обусловленные торможением усадки формой или стержнем, и фазовые, связанные с неодновременным протеканием фазовых превращений в сплаве. Необходимо отметить, что термические напряжения могут быть вызваны тем, что поверхностные слои отливок охлаждаются быстрее центральных зон, в результате чего в них возникнут растягивающие напряжения, а в нижележащих слоях – сжимающие.

Разрушение металла (образование трещин) под действием внутренних напряжений происходит в различные периоды кристаллизации и охлаждения отливки, в связи с чем различают кристаллизационные, горячие и холодные трещины.

Помимо усадочных процессов и жесткости форм существенное влияние на склонность к образованию трещин оказывают состав сплава и, особенно, наличие примесей, образующих легкоплавкие эвтектики. Например, увеличение содержания в стали серы и фосфора повышает опасность возникновения горячих и холодных трещин.

Так как основной причиной образования напряжений является неравномерность охлаждения различных частей отливки, то главным средством борьбы с напряжениями, короблением и трещинообразованием считается выравнивание скоростей охлаждения путем утепления тонких сечений (установкой сухих стержней) и захолаживания внутренними или наружными холодильниками массивных частей.

Газы (водород, азот, кислород, метан и оксиды углерода) наиболее часто встречаются в металле. Оксиды углерода СО и СО₂ присутствуют в виде отдельных пузырей, появившихся как следствие незавершенности процесса раскисления сплава. Кислород и основная масса азота находятся в связанном состоянии в виде оксидов и нитридов и на качество отливки существенного влияния не оказывают. Наиболее вредным газом считается водород, который в атомарном состоянии хорошо растворяется в жидких сплавах. По мере снижения температуры расплава в форме растворимость водорода снижается, и он в виде пузырьков выделяется из расплава и скапливается перед фронтом кристаллизации. Если прибыль затвердевает позже питаемого ею узла, то пузырьки газа вытесняются в прибыль. В противном случае образуются подкорковые газовые пузыри, вскрываемые при механической обработке.

Для предотвращения насыщения расплава водородом исходная шихта должна быть сухой, плавку необходимо вести форсированно, защищая металл толстым слоем шлака, и, конечно, весьма эффективно применение нейтральных атмосфер (Ar₂, Не₂) и вакуума.

Для удаления газов из металла после плавки применяют продувку инертным газом и обработку вакуумом.

Газовые раковины в отливке могут появится и в связи с неудовлетворительным качеством форм и стержней. Высокая газотворная способность смеси, высокая влажность и плотная набивка, а также низкая газопроницаемость приводит к прорыву образующихся газов и паров в расплав и образованию поверхностных газовых включений.

Ликвация – это химическая неоднородность по сечению отливки, возникающая в процессе ее затвердевания. Различают внутрикристаллическую и зональную ликвации. Внутрикристаллическая неоднородность является следствием кристаллизации сплава в интервале температур, когда центральная часть кристаллов содержит меньше растворенного в расплаве элемента по сравнению с наружной. Эта неоднородность легко устраняется термической обработкой (высокотемпературным отжигом). Зональная ликвация характерна для сплавов, дающих при затвердевании гладкий фронт кристаллизации. В этом случае легкоплавкие при меси. газовые и неметаллические включения оттесняются фронтом в термический центр отливки. Основным средством борьбы считается вывод ликвата в прибыль.