Раздел II. Неметаллические и композиционные материалы

2.1. Неметаллические материалы

В основе неметаллических материалов лежат полимеры природные или синтетические. Пластмассы кроме связующего – полимера – состоят из наполнителей, пластификаторов, стабилизаторов, отвердителей и др. поэтому следует знать какие пластификаторы применяют для повышения пластических свойств, гибкости, эластичности и обрабатываемости пластмассы, какие наполнители используются для повышения механической прочности и предупреждения прилипания пластмассы к стенке пресс-формы, уменьшения усадки при остывании и других физико-химических свойств, какие стабилизаторы – используют для повышения долговечности пластмасс, т.е. для борьбы с их старением от влияния кислорода воздуха, тепла, света и механических воздействий.

В зависимости от строения молекул и изменения свойств при нагреве различают термопластические и термореактивные пластмассы. Следует ознакомиться с их свойствами и применением.

Изучая резиновые материалы, рассмотрите состав резин (каучук, вулканизирующие добавки и специальные добавки), свойства резиновых изделий (эластичность, воздухо- и водонепроницаемость, масло- и кислотостойкость, диэлектрическая прочность и т.д.) и области применения резин различных марок.

2.2. Композиционные материалы

Композиционные материалы – это материалы сложного состава, образующиеся путем сочетания разнородных компонентов. Компонент непрерывный в объеме композиционного материала называется матрицей. Матрицы могут быть металлическими, неметаллическими, комбинированными и могут быть из неорганических материалов (минералов, графита, керамики). Матрица придает изделию заданную форму, обеспечивает передачу нагрузки по объему материала, защищает армирующие элементы от внешних воздействий и т.д.

Другие компоненты распределены в матрице. Их вводят в композиционные материалы для придания заданных свойств: прочности, пластичности, жесткости, электрических, теплофизических и других характеристик.

Армирующие элементы: высокопрочные усы, волокна, ткани, увеличивающие прочность в 2-10 и более раз. Дисперсные и коротковолновые наполнители также повышают прочность. Рассмотрите свойства композитов в зависимости от вида матрицы, а также формы, размеров и взаимного расположения наполнителя. Обратите внимание на применение композицион-ных материалов.

Раздел III. Технология литейного производства

Литейное производство – это изготовление фасонных заготовок или деталей путем заливки расплавленного металла в литейные формы, полость которой имеет конфигурацию заготовки (детали).

Литейное производство является выгодным способом производства, когда требуется изготовить детали больших размеров и массы или из малопластичных сплавов, которые не поддаются обработке давлением.

Технология производства слагается из следующих основных процессов: изготовление модели будущей отливки, изготовление формы, заливки металла в формы, выбивка отливок из форм, обрубка и очистка отливок, контроль отливок.

Для изготовления отливок применяются следующие способы литья: в песчаные формы, в оболочковые формы, по выплавляемым моделям, в кокиль, на машинах под давлением, центробежное литье и др.

Специальные способы литья (все, кроме литья в песчаные формы) позволяют получить отливки повышенной точности, с минимальным объемом механообработки.

Сплавы, применяемые в литейном производстве (на основе железа – сталь, чугун, алюминий, магний, медь, никель, титан и др.) отличаются по составу, температуре плавления, химической активности и др. свойствам.

Химическое взаимодействие металла и литейной формы проявляется в образовании химических соединений на поверхности контакта: отливка – форма.

При заливке формы жидким металлом силовое воздействие струи расплава может привести к размыву участков формы, а тепловое взаимодействие вызывает расширение рабочего слоя формы и нагрев формы. При охлаждении происходит выделение газов из форм и стержней.

Изучите основные литейные свойства сплавов: жидкотекучесть, усадку, склонность к трещинообразованию и газопоглощению, ликвацию, их влияние на качество отливок, и меры использующиеся для предупреждения образования дефектов.

Способы изготовления отливок

Изготовление отливок в песчаных литейных формах. Это разовые формы, после заливки в них металла и охлаждения отливки они разрушаются. Песчано-глинистые формы изготовляют из формовочной смеси в опоках при помощи модельно-опочной оснастки. Формовочные смеси состоят из кварцевого песка и связующего глины и добавок (сульфидно-спиртовой барды, смолы, пеков, битума, жидкого стекла), улучшающих податливость и газопроницаемость формовочной смеси и других добавок обеспечивающих противопригарность и газопроницаемость смеси при получении отливки.

Стержневые смеси должны иметь более высокую огнеупорность, газопроницаемость, малую газотворную способность и т.д., т.к. стержни при заливке испытывают большие тепловые и механические воздействия, чем формы.

Необходимо усвоить назначение модельных комплектов, состоящих из модели (приспособление, при помощи которого получают полость, формой и размерами, близкими к получаемой отливке), модельная (металлическая плита с закрепленными на ней моделями и элементами литниковой системы) или подмодельная плита (деревянная или металлическая для установки на них моделей и опок при формовке), опоки (стальные, чугунные или из алюминиевых сплавов, для удержания формовочных смесей; прямоугольные или круглые).

Стержневые ящики – приспособления, служащие для изготовления стержней, которые используются при выполнении внутренних поверхностей и сложных наружных в будущей отливке. Обратите внимание на простановку стержней в литейную форму.

Литниковая система – это система каналов, через которые материал подводят в полость формы. Литниковая система состоит из литниковой чаши, вертикального канала – стояка, шлакоуловителя (для задержания шлака и других неметаллических включений), питателей, выпора.

Литейные формы и стержни изготовляют вручную и на машинах. Ручную применяют для получения одной или нескольких отливок в условиях опытного производства, при изготовлении крупных отливок.

Формовка в парных опоках по разъемной модели наиболее распространена. Формовка включает установку на подмодельную плиту опоки, нижней половины модели, модели питателей, заполнение опоки формовочной смесью, уплотнение. После поворота нижней опоки на 180⁰, проводится установка верхней опоки, верхней половины модели, модели шлакоуловителя, стояка и выпора. Засыпают формовочную смесь, уплотняют. После извлечения модели стояка и выпора, форму раскрывают, извлекают модели и модели питателей и шлакоуловителя, устанавливают в нижнюю опоку стержень. Накрывают нижнюю полуформу верхней.

Изучите схемы работы и принципы уплотнения форм и стержней на встряхивающих, прессовых, пескодувно-прессовых машинах и пескометах при машинной формовке, а также улучшения качества уплотнения диафрагменным и дифференциальным прессованием многоплунжерной головкой для изготов-ления отливок сложной формы, пленочно-вакуумную формовку.

Заливку собранных форм производят на конвейерах, где они охлаждаются до температуры выбивки. Выбивку отливок из форм и стержней из отливок проводят на вибрационных решетках.

Удаление литников, прибылей проводится кислородной резкой или механическими пилами. Затем проводится очистка отливок от пригоревшей формовочной смеси и зачистка заливов и заусенцев. Рассмотрите машинные способы очистки и зачистки отливок.

Проработайте вопросы конструирования, уделяя внимание технологич-ности отливки, облегчающие вышеназванные операции и обеспечивающие точность отливки.

Изготовление отливок в оболочковые формы. Оболочковая форма – тонкостенная (толщина стенки 6-20 мм) разъемная, разовая форма получаемая из формовочных смесей, состоящих из кварцевого песка и термореактивных смол. Для изготовления оболочковой формы используются нагретые металлические (стальные, алюминиевые или чугунные) плиты, которые устанавливаются на бункер с формовочной смесью, при температуре до 140…160С смолы оплавляются, а при дальнейшем нагреве до 180…200С – отвердевают.

Достоинствами способа являются высокая точность отливок, малая шероховатость поверхности, уменьшение припусков на механическую обрабо-тку по сравнению с литьем в песчаные формы, облегчение операций выбивки и очистки литья. Но учитывая применение горячей оснастки, сравнительно высокую стоимость термореактивных смол, изготовляют отливки ответственных деталей автомобилей, тепловозов и т.д. из чугуна, стали цветных сплавов массой до 40кг.

Изготовление отливок по выплавляемым моделям используется для изготовления мелких, но сложных и ответственных деталей, к которым предъявляются повышенные требования по точности размеров и шероховатости поверхности, а также детали из труднообрабатываемых сплавов с низкими литейными свойствами. Процесс включает изготовление моделей из легкоплавкого состава (парафина, стеарина и т.д.) в пресс-формах, сборку моделей в блок, изготовление литейной формы (с толщиной стенки 3-8мм), подготовку формы к заливке, заливку расплавленным металлом, выбивку и очистку отливок.

Технологический процесс изготовления отливок является сложным и длительным и применяется для получения сложных по форме отливок из любых сплавов массой от нескольких граммов до 150 кг.

Изготовление отливок литьем в кокиль. Кокиль – многократно используемая литейная форма, изготовленная из металла (стали, чугуна, реже из алюминиевых сплавов). Для выполнения внутренних поверхностей могут использоваться металлические и песчаные стержни. Изучите особенности литья в кокиль: влияние скорости затвердевания и охлаждения отливки на формирование плотной мелкозернистой структуры с повышенными механическими свойствами.

Для снижения скорости охлаждения и снижения брака литья по отбелу, трещинам и т.д. применяется предварительный разогрев кокиля и нанесение теплоизоляционных покрытий (красок или обмазок) на рабочие поверхности литейной формы.

Обратите внимание на технологичность этого способа литья и применение его в основном для толстостенных отливок массой от десятков граммов до 200-400кг.

Изготовление отливок под давлением. Отливки получают, запрессовывая жидкий металл под давлением в металлические пресс-формы. Жидкий металл со скоростью до 120 м/с заполняет полость пресс-формы и быстро затвердевает. При изготовлении отливок применяют только металлические стержни. Применяются поршневые машины с горячей и холодной камерой прессования. Ознакомьтесь с принципом работы этих машин. Литьем под давлением получают отливки высокой точности, с малыми припусками на механическую обработку из цветных сплавов массой от нескольких грамм до десятков килограммов.

Изготовление отливок центробежным литьем при этом способе заливка жидкого металла и затвердевание отливок проводится во вращающейся литейной форме (изложнице), где под действием центробежных сил создаются условия для направленного затвердевания расплава от стенок формы к центру вращения. Это способствует получению плотных отливок с повышенными механическими свойствами.

Для литья применяются центробежные машины с горизонтальной и вертикальной осями вращения. Получают отливки имеющие форму тел вращения (трубы, зубчатые колеса, втулки, кольца и др.). из чугуна, стали и цветных металлов.

Технологический процесс центробежного литья состоит из следующих операций: подготовка формы к заливке (окраска, подогрев), пуск машины, заливка жидкого металла в форму (мерным ковшом через заливочный желоб), остановка машины (после полного затвердевания металла), раскрытие формы, удаление из формы отливки (автоматическим толкателем или вручную), зачистка полученной отливки.

Отметьте технологические возможности способа, достоинства и недостатки.

Изучая изготовление отливок из различных сплавов, обратите внимание на влияние литейных свойств сплавов на дефекты отливок: усадка, ликвации и т.п. Укажите какие трудности возникают при изготовлении отливок из стали, медных, алюминиевых и других сплавов.