2.1.2 Обеспечение качества чугуна
Чугун является основным материалом литых деталей машин, на долю чугунных отливок приходится около 75% всей массы литья в машиностроении. Это объясняется экономичностью чугуна и комплексом его свойств, зависящих, прежде всего, от количества, формы и размеров графитных частиц, а также от структуры металлической основы.
Качество отливок из чугуна обеспечивается выбором шихты, оптимизацией плавки и комплексом мер для получения требуемой структуры. Выбор шихты определяется содержанием в ней вредных примесей, в особенности серы.
Современным направлением производства чугунов для отливок является плавка в электропечах взамен вагранок. В этом случае обеспечивается более точный химический состав чугуна, возможна выплавка чугунов с низким содержанием углерода (2,2…2,5%) и серы (0,02%), которые нельзя выплавить в вагранках, а также различных легированных чугунов, применение которых в машиностроении расширяется.
Пониженная прочность и практически полное отсутствие пластичности, обусловленное пластинчатой формой графита, - главный недостаток серого чугуна. Они имеют наименьшую прочность - 100…180МПа. Применение серого чугуна ограничено областью мало- и средненагруженных деталей из-за недостатка прочности. Структура и свойства серого чугуна определяются его химическим составом (прежде всего содержанием углерода и кремния) и скоростью охлаждения при затвердевании. Серые чугуны чувствительны к скорости охлаждения.
Чугун с шаровидным графитом является высокопрочным, он превосходит серый чугун по прочности и пластичности, а также износостойкости. Благодаря шаровидной форме графита прочность меньше зависит от содержания углерода, которое в высокопрочных чугунах находится в пределах 3…3,6%.
Высокопрочный чугун отличается от серого чугуна повышенной усадкой (соответственно 1,25 и 1%) и имеет значительную усадочную пористость (около 5%). Как следствие, технология производства отливок усложняется, требуется установка прибылей и т. д. Высокопрочный чугун используют для тяжелонагруженных отливок - деталей прокатных станов, дробилок, тюбингов для тоннелей и шахт, валков прокатного производства и др.
Резервом повышения прочности чугунных отливок является термическая обработка.
Лекция №3. Литые заготовки деталей машин
В самом общем виде качество литой заготовки (отливки) можно оценивать точностью размеров и массы, шероховатостью поверхности и показателями служебных свойств, которые в комплексе обеспечивают заданное функционирование литой детали в машине.
Качество отливки формируется как итог производственного осуществления первых четырех этапов технологического процесса литья (рис. 3.1): Ф - изготовление формы (песчаной, керамической, металлической), Р - приготовление расплава (плавка требуемого сплава, раскисление, рафинирование и т. п.), З - заливка расплава в форму (заполнение формы), ЗО - затвердевание расплава и охлаждение твердой отливки в форме. Первый этап определяет в основном формирование поверхности и возникновение погрешностей размеров и массы отливки, остальные три - формирование ее служебных свойств.
Рис. 3.1 - Схема технологического процесса изготовления отливки
Далее на схеме: В - выбивка отливки из формы (форму или разрушают - песчаную, керамическую, или разбирают на части - металлическую), У - удаление (отделение от отливки) литников и прибылей. Эти этапы технологического процесса заметно не влияют на качество отливки.
Этап ФО - так называемая финишная обработка отливки: очистка отливки от пригоревшего песка или керамики, обрубка заливов и заусенцев, вырубка шлаковых или других включений, заварка отливки после вырубки, абразивная или другая зачистка мест обрубки и заварки и другие трудоемкие операции устранения дефектов отливки, возникающих вследствие несовершенства производственного осуществления технологического процесса. Несмотря на это, полная трудоемкость изготовления одной тонны отливок для машиностроения является самой низкой по сравнению с поковками, штамповками и сварными конструкциями.
Общий выход годного в литейном производстве по заготовительному производству самый высокий - 64%, коэффициент использования металла (КИМ) в отливках равен 0,53 и сравним только с КИМ в сварных конструкциях. Однако, технологический выход годного в литейных цехах самый низкий - 69%. Основные статьи излишнего расхода металла - это литники и прибыли. Но литники и прибыли - это также и основные технические средства технологического обеспечения качества отливок.
Литники - система дополнительных каналов, по которым течет расплав во время заполнения формы (на этапе З); после заливки каналы остаются заполненными.
Прибыли - система дополнительных полостей в форме, в которых во время заливки создают запас расплава, необходимый для компенсации объемной усадки сплава, во время его затвердевания (на этапе ЗО).
Размеры и масса литниковой питающей системы, прибылей особенно зависят от конструкции литой детали.
Таким образом, проблема обеспечения качества отливок и повышения технологического выхода годного литья имеет два главных аспекта. Первый состоит в том, чтобы конструктор создавал проекты технологичных литых деталей. Второй - в том, чтобы технолог получал отливки таких деталей с наименьшим расходом металла на литниковые питающие системы для них.