Технология конструкционных материалов. Способы получения деталей (за

через промежуточное устройство 5 непрерывно заливают сверху в водоохлаждаемую изложницу без дна кристаллизатор 4, а из нижней его части вытягивают с помощью валков 3 затвердевающий слиток. На выходе из кристаллизатора слиток охлаждается водой, затвердевает и попадает в зону резки, где его разрезают газовым резаком 2 на слитки определенной длины. Слитки с помощью кантователя 1 опускаются на роликовый конвейер и подаются на прокатные станы.

На УНРС получают слитки прямоугольного сечения размерами от 150 500 до 300 200 мм, квадратного со стороной от 150 до 400 мм, а также круглые в виде толстостенных труб.

Благодаря непрерывному питанию и направленному затвердеванию в слитках отсутствуют усадочные раковины. Поэтому выход годных заготовок может достигать 96…98 % массы разливаемой стали, поверхность получаемых слитков отличается хорошим качеством, а металл слитка плотным и однородным строением.

5.4. Строение стальных слитков

Строение слитка определяется условиями охлаждения и степенью раскисления. По этому признаку стали делятся на кипящие, спокойные и полуспокойные.

Кипящей называют сталь, не полностью раскисленную в печи. Ее раскисление продолжается в изложнице за счет взаимодействия оксида железа FeO с углеродом. Образующийся при этом оксид углерода СО выделяется из стали, способствуя удалению и других газов (азота, водорода), что создает впечатление «кипения» жидкого металла. Выделение газов происходит и при затвердевании слитка, поэтому в нем образуется не концентрированная усадочная раковина, а большое количество рассредоточенных газовых пузырей (рис. 3, а). Они устраняются при последующей горячей про-

21

катке. Кипящая сталь наиболее дешевая, она практически не содержит неметаллических примесей, обладает высокой пластичностью.

Спокойную сталь получают при полном раскислении стали марганцем, кремнием и алюминием в печи и ковше (рис. 3, б). Такая сталь затвердевает без выделения газов, образуется плотная структура, а усадочная раковина

а б в концентрируется в верхней части, что значительно увеличивает выход годного металла.

Полуспокойная сталь полу-

чается раскислением ферромарганцем при недостаточном количестве ферросилиция или алюминия. В этом случае слиток не имеет концентрированной усадочной раковины, в нижней части он обычно имеет строение спокойной, а в верхней кипящей стали (рис. 3, в). Такая сталь по качеству и стоимости является промежуточной между кипящей и спокойной.

5.5. Способы повышения качества стали

Выплавленные в кислородных конвертерах, мартеновских и электрических печах стали не всегда удовлетворяют по своим свойствам требованиям. Для повышения их качества разработаны специальные технологические процессы.

Вакуумная обработка стали. Выплавленную в мартенов-

ских или электрических печах сталь выдерживают в течение 10…15 мин в специальных камерах с остаточным давлением 265…665 Па в ковше или при заливке в изложницу. При понижении давления растворимость газов в стали (азота, водорода)

22

уменьшается, и они в виде пузырьков всплывают на поверхность, захватывая с собойи неметаллические включения.

Вакуумная обработка позволяет уменьшить в 3 5 раз содержаниегазовив2 3 разанеметаллическихвключенийвстали, чтоспособствуетповышениюеепрочностиипластичности.

Обработка стали синтетическим шлаком. В разливоч-

ный ковш перед выпуском стали из плавильного агрегата наливают по отношению к массе стали 3…5 % жидкого шлака, содержащего 55 % СаО, 42 % Al2O3, до 3 % SiO2 и 1 % FeО. Затем в ковш с большей высоты мощной струей выпускают выплавленную сталь. В результате интенсивного перемешивания стали и шлака поверхность их взаимодействия увеличивается, поэтому процессырафинирования резкоускоряются.

Рафинированная синтетическим шлаком сталь отличается низким содержанием кислорода, серы и неметаллических включений, что обеспечивает ей высокую пластичность и ударную вязкость.

Электрошлаковый пере-

слой шлака, собирается в ванне 3 и затвердевает в водоохлажденной изложнице 4, образуя слиток 5. Кристаллизация

23

металла происходит последовательно и направлена снизу вверх, поэтому неметаллические включения и пузырьки газа удаляются, образуется плотная и однородная структура слитка. В конце переплава поддон 6 опускают и затвердевший слиток извлекают из изложницы.

Вакуумно-дуговой переплав (ВДП) осуществляется вва-

куумных дуговых печах 1 срасходуемым электродом 2 (рис. 5), слиток 4 образуется в водоохлаждаемой изложнице 3. Вакуум способствует хорошей очистке металла от газов, а направленная кристаллизация обеспечивает удаление неметаллических включений, получение плотной структуры и исключает образование усадочнойраковины.

Плазменно-дуговой переплав (ПДП) применяется для получения стали и сплавов особо высокой чистоты. Источником тепла служит плазменная дуга с температурой 10 000…15 000 С (рис. 6). Исходным материалом для получения слитков служит стружка или другие дробленые отходы

24

металлообрабатывающей промышленности. Металл плавится и затвердевает в водоохлаждаемом кристаллизаторе, а образующийся слиток вытягивается вниз. Благодаря высокой температуре из металла интенсивно испаряются сера и фосфор, а также удаляются неметаллические включения.

Электронно-лучевой переплав (ЭЛП) осуществляется за счет тепла, образующегося в результате облучения переплавляемого металла потоком электронов. Переплав ведется в вакуумных установках при остаточном давлении 0,001 Па, а затвердевание слитка в водоохлаждаемом кристаллизаторе. Глубокий вакуум и благоприятные условия затвердевания обеспечивают получение особо чистого металла. Поэтому ЭЛП применяют для получения сталей особо высокой чистоты, сплавов со специальными свойствами, а также чистых тугоплавких металлов (W, Mo, Nb и др.).

25

III. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК ЛИТЬЕМ

1. Сущность литейного производства

Сущность способа получения заготовок литьем заключается в том, что фасонные детали (заготовки) получают заливкой жидкого металла в литейную форму, полость которой соответствует их размерам (с учетом усадки металла) и конфигурации. Литую деталь (заготовку), называемую отливкой, в случае необходимости подвергают механической обработке.

Литьем можно получить отливки из различных сплавов, пластичных или хрупких, массой от нескольких граммов до сотен тонн, с толщиной стенки 0,5…500 мм и более, с размерами от нескольких миллиметров до десятков метров, сложной формы, которую нельзя получить другими методами.

Для получения отливок в машиностроении наиболее широко применяют следующие сплавы: серые, ковкие и высокопрочные чугуны; углеродистые и легированные стали; сплавы цветных металлов на основе алюминия, меди, магния, титана, молибдена и других тугоплавких металлов.

2. Способы изготовления отливок

Существуют различные способы изготовления отливок. Выбор способа определяется типом производства (единичное, серийное, массовое); массой отливок (мелкие до 100 кг, средние до 1000 кг, крупные более 1000 кг); точностью и шероховатостью поверхности отливок; литейными свойствами сплавов; экономической целесообразностью ис-

пользования того или иного способа.

Разновидности литейных форм. Для получения отли-

вок используют различные литейные формы, отличающиеся: сроком службы (разовые, многократные); состоянием перед

26

заливкой (сухие, подсушенные, сырые, химически твердеющие, самотвердеющие) и технологией изготовления (вручную, на машинах, по выплавляемым моделям и др.).

Многократные полупостоянные разъемные формы из-

готавливают из шамота, асбеста, алебастра, цемента и других огнеупорных материалов. Такие формы выдерживают несколько десятков и сотен заливок. После заливки многократную форму раскрывают, не разрушая ее, извлекают готовую отливку и снова собирают для очередной заливки.

Многократные постоянные формы (кокили) изготавли-

вают металлическими: из чугуна, стали и иногда из медных и алюминиевых сплавов. В одном кокиле можно изготовить до нескольких сотен отливок из стали, до нескольких тысяч отливок из чугуна и до сотен тысяч отливок из сплавов цветных металлов.

3.Изготовление отливок в разовых формах

Внастоящее время около 90 % отливок изготавливают

вразовых песчано-глинистых формах. На рис. 7, а приведен

чертеж отливки втулки, а на рис. 7, б разовая литейная форма для нее. Литейная форма состоит из двух полуформ 1, образующих полость 2, имеющую конфигурацию отливки,

Рис. 7. Отливка втулки и форма для ее изготовления

27

ограниченную стенками полуформ и стержнем 3, установленным на стержневые знаки в форме. Для заливки жидкого металла в форме изготавливают вертикальные 4 и 5 и горизонтальные 6 и 7 каналы, называемые литниковой системой.

3.1. Модельные комплекты для ручной и машинной формовки

В модельный комплект входят: модель будущей отливки; один или несколько стержневых ящиков (если отливка имеет полости или отверстия); модели литниковой системы; подмодельная доска (при ручной формовке) или модельная плита (при машинной формовке).

С помощью модели в литейной форме получают отпечаток наружной конфигурации отливки. В стержневых ящиках изготавливают песчаные стержни для получения внутренней полости отливки. При формовке на подмодельную доску устанавливают модель или полумодель.

Модель для ручной формовки изготавливают из твер-

дых пород древесины. Для отливок несложной конфигурации используют неразъемные модели, которые могут быть заформованы в одной полуформе. Для сложных отливок (рис. 8, а) модель изготавливают разъемной (рис. 8, б), что позволяет удалять ее из формы без разрушения последней.

Рис. 8. Модельныйкомплект: а чертежотливки; б разъемная модель; в стержневойящиксостержнем; г опоки

28

С этой же целью вертикальные стенки модели, перпендикулярные к плоскости разъема формы, делают с уклоном 0,5…3 (нижний предел для высоких моделей, верхний для низких). Размеры модели по сравнению с размерами детали увеличивают на величину литейной усадки металла, из которого изготавливают отливку, и на величину припусков на механическую обработку.

Модель (см. рис. 8, б) имеет выступающие части 1, называемые стержневыми знаками. Знаки образуют в форме углубления (см. рис. 7, б), в которые устанавливают изготовленный в стержневом ящике (рис. 8, в) стержень 3. Стержневой ящик состоит из двух половин, которые соединяются центровочным шипом 2. Формовку осуществляют в металлических рамках опоках (рис. 8, г). Верхняя опока 1 соединяется с нижней 4 штырями 2, которые пропускают в проушины 3. Для удержания смеси в опоках делают буртики 5.

При машинной формовке модель изготавливают из сплавов легких металлов. Металлические полумодели закрепляют винтами на металлических плитах, на них же монтируют модели литниковой системы. Такие плиты называют модельными.

Литниковаясистема(рис. 9)

это система отверстий для подачи металла в полость. Она состоит: из литниковой чаши 1, которая уменьшает динамический напор струи металла и частично отделяет шлак; стояка 2 для подачи расплава в полость формы; шлакоулови-

теля 3, размещенного в верхней Рис. 9. Литниковаясистема половине формы в плоскости разъ-

29

ема для задержания шлаковых и земляных включений, не допускающего их попадания в полость формы, и питателей 4 для подачи металла в различные места полости формы. Выпор 4 (см. рис. 7) служит для выхода воздуха из полости формы при ее заливке, а также для сбора всплывающей грязи и контроля заполнения формы металлом.

3.2. Формовочные и стержневые смеси

Требования, предъявляемые к формовочным и стержневым смесям

Смеси должны обладать:

–огнеупорностью способностью, не размягчаясь, выдерживать высокие температуры заливаемого в форму жидкого металла, не спекаться, не оплавляться;

–пластичностью способностью смеси воспринимать

исохранять конфигурацию модели или стержневого ящика (при изготовлении стержня);

–прочностью способностью уплотненной смеси сохранять форму без разрушения при транспортировке готовой формы и заливке ее металлом;

– газопроницаемостью способностью формовочной и особенно стержневой смеси пропускать выделяющиеся газы из охлаждающегося металла;

– податливостью способностью смеси не препятствовать литейной усадке металла отливки. Охлаждение затвердевшего металла сопровождается уменьшением размеров отливки (линейная усадка), в результате чего металл прочно сжимает стержень и выступающие части формы. Это вызывает напряжения в отливке, а так как усадка происходит при высокой температуре, когда еще металл недостаточно прочен, то при плохой податливости смеси в отливке могут образоваться трещины;

30