книги из ГПНТБ / Титов, Н. Д. Технология литейного производства учебник для машиностроительных техникумов

нии после охлаждения на воздухе. В этом случае стали разделяют на: 1) перлитные, в которых происходит распад аустенита на пер­ литно-ферритную смесь в области наименьшей устойчивости аусте­ нита; такую структуру имеют углеродистые, низко- и среднелеги­ рованные стали; 2) мартенситные, в которых при термообработке происходит переохлаждение аустенита до мартенситного превраще­ ния, например сталь 20Х13НЛ; 3) аустенитные, имеющие темпера­ туру начала мартенситного превращения ниже 0; такая структура характерна для стали 110Г13Л, высоколегированных жаростойких и жаропрочных сталей.

Эта классификация условна, так как при изменении скорости охлаждения в сталях перлитного класса можно получить мартен­ ситную структуру и наоборот.

П о с п о с о б у п о л у ч е н и я стали для фасонных отливок разделяют на мартеновскую (основную и кислую), бессемеровскую, электросталь (основную и кислую).

Мартеновскую сталь (основную) чаще всего применяют для крупных отливок, так как она обладает хорошими свойствами, не­ высокой стоимостью и может быть одновременно выплавлена в боль­ шом количестве.

Бессемеровскую сталь применяют при производстве отливок из углеродистой стали.

Сталь (основную и кислую) обычно выплавляют в дуговых печах, высоколегированную сталь — в индукционных.

П о п р и м е н е н и ю с т а л и разделяют на: 1) конструк­ ционные для изготовления литых деталей машин; эти стали под­ разделяют на углеродистые и легированные (часто конструкцион­ ные стали классифицируют по назначению: для гидротурбин, элек­ тромашин, железнодорожного транспорта и т. д.); 2) инструмен­ тальные для изготовления инструмента, обычно это высоколегиро­ ванные и высокоуглеродистые стали; 3) специальные стали: корро­ зионностойкие, износостойкие, окалиностойкие, кислотостойкие, жаропрочные, жаростойкие и др.; обычно это высоколегированные стали.§

§ 2. УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ

Наибольшее применение для изготовления фасонных отливок находят углеродистые стали, в состав которых входят углерод, марганец, кремний, фосфор и сера. Основное влияние на механи­ ческие и литейные свойства оказывает углерод. Сера и фосфор яв­ ляются вредными примесями в стали. Сера ухудшает жйдкотекучесть стали при высоких температурах, увеличивая склонность ее к образованию горячих трещин. Фосфор понижает ударную вяз­ кость стали и тем больше, чем выше содержание в ней углерода. Поэтому содержание фосфора и серы в стали ограничийают: до­ пустимое суммарное содержание серы и фосфора не должно превы­ шать 0,1%.

350

С увеличением содержания углерода в стали возрастают пре­ дел прочности, твердость и предел текучести (до 0,55% С), а удли­ нение, сужение поперечного сечения образца и ударная вязкость понижаются. Марганец оказывает раскисляющее действие и ней­ трализует вредное влияние серы, связывая ее в химическое соеди­ нение MnS. Содержание марганца и серы в углеродистой стали должно соответствовать отношению M n ^ l,7 1 S. Содержание марганца обычно составляет 0,3—0,8%. Кремний в углеродистой стали обладает высокой раскисляющей способностью и связывает газы. Углеродистые стали содержат 0,2—0,5% Si.

По ГОСТ 977—65 стальные отливки в зависимости от назначе­ ния и требований, предъявляемых к- деталям, разделяют на три группы отливок: I — обычного назначения; I I — ответственного назначения; III — особо ответственного назначения. Эти группы различаются по содержанию серы и фосфора. Для отливок I группы допускается содержание 0,05—0,06% S и 0,05—0,08% Р, для от­ ливок II группы — 0,045—0,06% S и 0,04—0,07% Р; для отливок III группы — 0,045—0,05% S и 0,04—0,05% Р. Содержание прочих элементов одинаково в отливках всех групп, одйнаковы также и механические свойства.

Низкоуглеродистые стали содержат 0,12—0,2% С; 0,35—0,65%

Мп; 0,15—0,25% Si; до 0,06% Р и не более 0,05% S. Низкоугле-

родпстые стали 15Л, 20Л имеют плохие литейные свойства: пони­ женную жпдкотекучесть, повышенную склонность к образованию горячих трещин в отливках. После отжига или нормализации пре­ дел прочности таких сталей при растяжении 40—42 кгс/мм2, относительное удлинение 24—23%, Из низкоуглеродистой стали изготовляют отливки для электротехнической и машиностроитель­ ной промышленности.

Среднеуглеродистые стали (25Л, 35Л, 45Л) содержат 0,22— 0,45% С; 0,35—0,8% Мп; 0,2—0,45% Si; 0,03—0,05% Р и

0,03—0,05% S. Эти стали имеют более высокие, чем низкоугле­ родистые стали, литейные свойства: лучшую жпдкотекучесть, мень­ шую склонность к образованию горячих трещин. Предел прочности при растяжении среднеуглеродистых сталей 42—55 кгс/мм2, отно­ сительное удлинение 23—12%. Эти стали используют для изготов­ ления разнообразных мелких, средних и крупных отливок литых деталей в различных отраслях машиностроения.

Высокоуглеродистые стали содержат 0,45—0,6% С; 0,5—0,8% Мп; 0,04—0,05% Р и 0,04—0,05% S. Эти стали имеют хорошие ли­ тейные свойства: высокую жпдкотекучесть, не склонны к образова­ нию горячих трещин. Однако теплопроводность их невысока, по­ этому увеличивается опасность возникновения в отливках напряже­ ний. При обрубке таких отливок нельзя применять ацетилено-кис­ лородную резку прибылей и выпоров, а также пламенную очистку их поверхности. Из высокоуглеродистых сталей (50Л, 55Л) изго­ товляют валки для горячей прокатки, зубчатые колеса и барабаны подъемно-транспортных машин.

351

§ 3. ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

Легированные стали применяют для изготовления отливок, корые должны обладать особыми свойствами: повышенными механи­ ческими свойствами, износостойкостью, коррозионной стойкостью, жаропрочностью и т. д.

В качестве легирующих элементов применяют обычно хром, никель, молибден, ванадий, кремний и марганец. Литейные свой­ ства низколегированных сталей и технология изготовления из них

(до 2% Мп), среднелегированные (2,5—4% Мп) и высоколегирован­ ные (до 20% Мп). Низколегированная марганцовистая сталь имеет повышенные механические свойства по сравнению с обычной углеро­ дистой, а по литейным свойствам не отличается от нее. Средне­ марганцовистая сталь обладает повышенной износостойкостью, вы­ сокой прочностью, но невысокими пластическими свойствами. Из

с ударом и применяется для траков гусеничных машин, зубьев ковшей экскаваторов.

С увеличением содержания марганца в стали улучшается жидкотекучесть, но повышается усадка, склонность к образованию го­ рячих трещин, окисных плен в отливках.

Хромистые литейные стали бывают низколегированные (1—2% Сг), среднелегированные (3—5% Сг) и высоколегированные (30% Сг).

Низколегированная хромистая сталь хорошо работает на исти­ рание, обладает высокой прочностью, но недостаточно пластична. Дополнительное легирование молибденом, ванадием и вольфрамом позволяет увеличить предел прочности стали до 190 кгс/мм2.

Среднелегированные хромистые стали обладают повышенной прочностью при высоких температурах, а также хорошо сопротив­ ляются коррозии в некоторых химических вещества^.

Высокохромистые стали обладают повышенной жаростойкостью даже при температурах около 1100° С.

Хромистые литейные стали обладают невысокой жидкотекучестью, а высоколегированные — значительной усадкой и склон­ ностью к образованию усадочных раковин и трещин. Для лучшего заполнения формы хромистые стали перед разливкой перегревают и скорость заполнения формы увеличивают почти в 2 раза по сравне­ нию с обычной углеродистой сталью.

Хромоникелевая литейная сталь обладает высокими конструк­ ционными свойствами^ повышенной прочностью, пластичностью, коррозионной стойкостью и жаропрочностью. Низколегированные 1 хромоникелевые стали содержат 1—2% Сг; 1,5—3% Ni; 0,2—0,5% С и обладают повышенной прочностью.

352

Хромоникелевые нержавеющие стали содержат 0,1—0,4% С; 0,8—1,0% Si; 0,4—0,6% Ми; 19—17% Сг; 7—9% N1, обладают повышенной жаростойкостью и применяются для деталей паровых и газовых турбин и других деталей, работающих при высоких температурах.

Жидкотекучесть хромоникелевых сталей ниже, чем обычных углеродистых. Для хорошего заполнения формы эти стали перегре­ вают и применяют высокую скорость заливки. При затвердевании образуется крупнозернистая макроструктура, что способствует об­ разованию в отливках горячих трещин. Поэтому хромоникелевые стали необходимо подводить в форму рассредоточенно, избегать местного перегрева; формы и стержни делать податливыми и для каждой отливки подбирать оптимальную температуру заливки.

Кремнистые литейны е стали обладают повышенной сопротивляе­ мостью износу, а также химической стойкостью. Низколегирован­ ные стали содержат до 2% Si, а высоколегированные до 20% Si. Высоколегированные стали обладают высокой твердостью (НВ 500) и хрупкостью, низколегированные стали — повышенной склонностью к образованию горячих трещин в отливках, поэтому необходимо делать формы и стержни податливыми и охлаждать отливки медленно

иравномерно.

Впромышленности применяют также медистые литейные стали, которые используют для литых коленчатых валов, поршней и т. д.,

ивольфрамовые литейные стали, которые используют для режу­ щего инструмента. Вольфрамовые стали обладают плохими литей­ ными свойствами: малой жидкотекучестыо и повышенной усадкой.

I

Г Л А В А I I

КОНСТРУКЦИЯ о т л и в о к и ТЕХНОЛОГИЯ

фо рм о в к и

§1. КОНСТРУКЦИЯ СТАЛЬНЫХ отливок

ИОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛИТЕЙНОЙ ФОРМЫ

Литейные свойства сталей существенно отличаются от свойств серого чугуна. Стали имеют большую линейную усадку (2—2,5%), худшую жидкотекучесть, большую склонность к ликвации.

Для получения качественных отливок необходимо учитывать эти особенности свойств стали уже на стадии конструирования литой детали или оценки технологичности при разработке техноло­ гии ее изготовления.

Конструкция отдельных элементов стальной отливки и соче­ тание этих элементов должны обеспечивать возможность направ­ ленного затвердевания и питания отливки. Конфигурация отливок должна иметь плавные переходы от утолщенных мест к тонким; скопления металла в местах сопряжения стенок недопустимы. Сле­

дует стремиться к тому, чтобы отливка имела по возможности оди­ наковую толщину стенок.

При проектировании технологии формовки отливки следует обращать особое внимание на взаимное расположение отдельных ее частей в форме при заливке и затвердевании, а также мест под­ вода стали и конструкцию литниково-питающей системы.

Правильность расположения отдельных частей отливки при затвердевании определяют по правилу вписанных окружностей, согласно которому диаметры окружностей, вписанных в сечение отливки, должны последовательно увеличиваться от нижних сече­ ний к верхним, так как каждое верхнее сечение является при­ былью для каждого нижнего. Например, расположение отливки в

форме, показанное на рис. 217, а, обес­ печит направленное затвердевание и пи­ тание отливки. При расположении от­ ливки, показанном на рис. 217, б, в нижней части отливки появится усадоч­ ная рыхлота.

»)

Рис. 217. К определению технологичности конструкции отливки методом впи­ санных окружностей

Правило вписанных окружностей позволяет также оценить ра­ циональность конструкции отливки. Например, чем меньше диа­ метр сферы, вписанной в сопряжение стенок (рис. 217, в), тем меньше вероятность появления в этом месте усадочной рыхлоты.

Для питания отливки на массивных ее частях устанавливают прибыли, а для выравнивания скоростей охлаждения тонких и мас­ сивных частей отливки — наружные и внутренние холодильники! Конструкция и методы определения размеров прибылей и холо­ дильников будут рассмотрены ниже.

При назначении положения отливки в форме при заливке сле­ дует учитывать возможность образования ужимин на плоских раз­ витых поверхностях. Поэтому такие поверхности следует распола­ гать снизу вертикально или наклонно.

Для обеспечения хорошей заполняемости формы тонкие стенки отливок должны располагаться в нижних частях формы и, по воз­ можности, вертикально или наклонно.

Вследствие большой усадки стали при изготовлении сложных отливок, особенно при торможении усадки формой и стержнями,

354

в отливках могут развиваться значительные напряжения и образо­ вываться трещины. Поэтому следует располагать отливку в опоках, особенно имеющих крестовины, так, чтобы последние не препятст­ вовали усадке отливки. Как правило, сталь следует подводить к тонкому месту отливки. Это место заполняется наиболее горячим сплавом, а в другие места сплав попадает более холодным, по­ этому скорости охлаждения тонкой и массивной частей отливок вы­ равниваются. Однако часто такой принцип подвода стали не дает хороших результатов. Поэтому для обеспечения направленного затвердевания отливки сталь подводят в прибыль или под прибыль в массивное место отливки. В этом случае наиболее разогретым местом отливки будет прибыль, обеспечивающая питание отливки, что, в свою очередь, обеспечивает направленное затвердевание от­ ливки и концентрацию усадочной раковины в прибыли.

При выборе расположения стальной отливки в форме при ее заливке и затвердевании следует также руководствоваться изло­ женными ранее общими принципами проектирования литейной формы.

§ 2. УСТРОЙСТВО И РАСЧЕТ ЛИТНИКОВЫХ СИСТЕМ И ПРИБЫЛЕЙ

Литниковые системы для стальных отливок должны иметь мини­ мальную протяженность каналов. Питатели необходимо распола­ гать в направлении продольной оси стенки отливки в местах, ра­ зогрев которых способствует направленному затвердеванию, а дви­ жение сплава —- всплытию неметаллических включений. При из­ готовлении крупных и средних отливок первые порции сплава сле­ дует подавать сифоном, а последующие — под затопленный уровень. При этом в прибыли сплав должен поступать через специальные литниковые каналы или доливкой из ковша.

Наиболее широко применяют сифонный или ступенчатый подвод стали, обеспечивающий спокойное заполнение формы. На литнико­ вую систему с прибылями расходуется 25—50% общей массы жид­ кой стали. Поэтому увеличение выхода годного литья можно достиг­ нуть за счет уменьшения расхода стали на прибыль, принимая

Сифонный подвод стали (рис. 218, в) имеет недостаток: в при­ быль поступает более холодный сплав.. Однако возможна заливка

скантовкой (рис. 218, г): после заливки формы наиболее горячий металл будет находиться в прибыли и обеспечит питание отливки. Иногда для плавного заполнения формы делают нижний подвод стали

спомощью рожковой литниковой системы (рис. 218, д). Для круп­ ных отливок применяют ступенчатую литниковую систему (рис. 218, е), в этом случае в прибыль поступает горячий сплав.

Литниковая система должна обеспечивать четкую направлен­ ность затвердевания отливок; прибыли должны заполняться горя­ чим сплавом. Основное отличие литниковой системы для стали от литниковой системы для чугуна — это установка прибылей для питания усадки отливки.

Прибыли ставят на самые массивные части отливки. Кроме того, необходимо обеспечить легкоеих отделение и несложную механи­ ческую обработку мест установки прибылей. В поточно-массовом производстве наиболее распространены прямые открытые прибыли,

Рис. 218. Конструкции литниковых систем для сталь­ ных отливок

которые, помимо своего основного назначения — питания отливки, служат как бы резервуаром для всплывания неметаллических включений (засоров). Их преимущество заключается в удобстве сборки форм и возможности наблюдения за состоянием формы перед заливкой и в процессе заливки.

Недостатками открытых прибылей (рис. 219, а) является зави­ симость высоты прибылей от высоты имеющихся в цехе опок и возможность засора формы через открытые прибыли, а также уве­ личенный расход сплава на прибыли. Закрытые прямые прибыли (рис. 219, б) следует использовать для высоких опок, когда при­ менение открытых прибылей вызывает большой расход сплава на прибыль. Отводные прибыли (рис. 219, в) устанавливают для пита­ ния узла отливки в нижней половине формы и в тех случаях, когда

356

нельзя поставить прямую прибыль без изменения конфигурации отливки. На практике очень часто применяют прибыли сферической формы, что уменьшает расход сплава и увеличивает выход годного литья. Преимущество сфероидальных прибылей: высота их не свя­ зана с высотой опок.

Для улучшения работы прибылей важно, чтобы металл в при­ были оставался длительное время в жидком состоянии (прибыль должна застывать позже отливки). С этой целью применяют спе­ циальные стаканы (рис. 219, г) из экзотермических смесей, состоя­ щих в основном из термита. При заливке формы эта смесь разлага­ ется с выделением большого количества теплоты, которая и обо­ гревает прибыль. Однако для крупных прибылей такие стаканы

Рис. 219. Способы установки прибылей на стальных отливках

применять нецелесообразно, так как они сгорают раньше, чем прибыль закончит свое действие, и эффект их применения будет небольшим.

Чтобы обеспечить работу закрытой прибыли под атмосферным давлением,в прибыль устанавливают песчаный стерженек (рис.219, б), вокруг которого металл не затвердевает, так как стерже­ нек быстро прогревается до температуры металла. По этому стер­ женьку воздух из атмосферы проходит в прибыль, которая и рабо­ тает под атмосферным давлением.

Для улучшения работы прибылей и уменьшения расхода ме­ талла применяют прибыли, работающие под избыточным давлением, которое создается специальным патроном, 1 (рис. 219, д), вставля­ емым внутрь формы. Патрон состоит из металлического корпуса и мелового заряда. После заливки формы стенки корпуса патрона расплавляются к моменту, когда на стенках формы уже образова­ лась достаточно прочная корочка твердого металла (рис. 219, е).

357

Мел при нагревании разлагается, образуя газ, который и создает внутри прибыли избыточное давление. Давление улучшает условия заполнения усадочных пор жидким металлом.

Для облегчения отделения прибылей от отливки применяют специальные тонкие керамические пластинки 2 (рис. 219, д), ко­ торые, быстро прогреваясь, не охлаждают перешеек между отлив­ кой и прибылью и не препятствуют перетеканию металла из прибыли в отливку, но создают своеобразный надрез, позволяющий легко отделять прибыль от отливки.

Прибыль должна иметь достаточное сечение, затвердевать позже отливки и иметь минимальный, нодостаточный объем, чтобы уса­ дочная раковина не вышла за ее пределы.

Рис. 220. Прибыли:

а — закрытые; б — открытые; в — отводные

На рис. 220 приведены прибыли, используемые для отливок зубчатых колес диаметром 500—1200 мм.

Наружные холодильники часто применяют для борьбы с трещи­ нами в тех случаях, когда нельзя сделать охладительные ребра на отливках. В стальных отливках горячие трещины и надрывы образуются при неправильной конструкции отливки, т. е. когда нет плавных переходов от тонкой части к толстой, а также при не­ правильном подводе металла к отливке. Надежным средством преду­ преждения образования горячих трещин в отливках является приме­ нение литейных ребер, удаляемых при обрубке. Толщина литейных ребер составляет 10—30% толщины стенки отливки.

Расчет литниковых систем. Суммарную площадь сечения пита­ телей рекомендуется определять по формуле (6).

Время заполнения формы жидкой сталью следует находить по формуле

т —s Y 6G,

где б — средняя толщина стенок, мм; G — масса отливки с лит­ никами и прибылями, кг; s — коэффициент времени.

Значение коэффициента s зависит от производственных условий и колеблется от 1,4 до 1,6.

358

Для отливок, склонных к образованию внутренних напряжений, трещин и усадочных раковин, значения коэффициента s желательно увеличить на 0,1—0,2. Отливки, изготовляемые в металлических или песчаных формах с большим числом холодильников, следует заливать быстрее и значение s для них уменьшить на 0,1—0,2.

Найденное время рекомендуется проверять следующим соот­ ношением:

где Н — высота отливки, см.

При толщине стенок 7—10 мм скорость заливки v должна быть не менее 20 мм/с, при б = 10 -г- 40 мм скорость v не менее 10 мм/с; при б = 40 мм v — 8 мм/с. Если скорость окажется недостаточ­ ной, то нужно уменьшить время заливки или же изменить положе­ ние отливки в форме. ,

По Г. М. Дубицкому, соотношение сечений элементов литни­

крупных

F„: Fn. г •• Fa = (1,0 -ь 2,0): (1,0 -ь 2,0): 1,0,

где F„ x — поперечное сечение литникового хода.

§ 3. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ФОРМОВКИ

При разработке технологии литейной формы необходимо соблю­ дать изложенные ранее особенности проектирования литейной формы для стальных отливок. Припуски на механическую обработку стальных отливок назначают по ГОСТ 2009—55. Их назначают больше по сравнению с отливками из чугуна и цветных сплавов из-за повышенной усадки стали и пригара формовочной смеси к отливкам. Вследствие высокой температуры стали формы изготов­ ляют из более огнеупорных формовочных и стержневых материалов. Кроме того, следует учитывать, что при соприкосновении жидкой стали с формовочной смесью окислы железа и марганца, соединяясь с кварцевым песком, ошлаковывают поверхность формы.

Сырые формы для отливок с чистой поверхностью изготовляют из бентонитовых формовочных смесей. Бентонитовая смесь по срав­ нению с жидкостекольной обладает хорошей пластичностью, луч­ шей формуемостью и огнеупорностью, но требует значительного уплотнения и хорошей вентиляции формы.

Бентонитовые смеси дают хорошие результаты при содержании до 3,5% влаги и при заливке в сырые формы отливок массой до 3000 кг. С увеличением содержания влаги уменьшается прочность

359