книги из ГПНТБ / Постников Н.С. Прогрессивные методы плавки и литья алюминиевых сплавов

ную функцию. Наиболее естественным путем повышения надежности и долговечности литых деталей является по­ вышение надежности их элементов. Надежность литой детали может быть повышена в результате создания бо­ лее рациональной конструкции ее элементов, применения новых, более совершенных материалов,, обладающих по­ вышенными литейными (технологическими) свойствами, коренного улучшения технологии производства, при нала­ женном контроле, а также в результате других мер.

Для определения надежности деталей машин вообще и литых деталей в частности их рассчитывают на проч­ ность, усталость, изгиб, срез и др. Наиболее трудной за­ дачей при расчете прочности литых деталей является оп­ ределение запаса прочности.

Запас прочности следует определять в зависимости от характера действующих усилий и напряжений, силовой ' схемы конструкции, типа а-іапряженіного состояния, кон­ центрации напряжений абсолютных размеров детали,ка­ чества и состояния ее поверхности. Величина запаса проч­ ности должна отражать особенности конструкции, эксп­ луатации, технологии изготовления машины, а также другие факторы, не поддающиеся расчету. К ним отно­ сятся: достоверность определения усилий и напряжений, действующих в детали; однородность строения и меха­ нических свойств материала детали; особые требования

22

сти.

Коэффициенты П\ и « 3 определяются конструктором в процессе проектирования машины и при расчете ее дета­ лей и узлов. Коэффициент п2 применительно к литым де­ талям называют технологическим коэффициентом заѵпаса прочности, включающим в себя также степень однород­ ности механических свойств отливки, которые в основном определяются технологическими условиями их изготовле­ ния [151.

В работе [161 рассматривалось влияние конструкции узлов сопряжений литых деталей из сплава АЛ2 на их конструкционную прочность; определены прочностные свойства узлов сопряжений и стенок и показаны наиболее часто разрушаемые места типовых отливок с узлами со­ пряжений. Исследование проводилось на отливках с X-, Т- и Z-образными сопряжениями пои различных ради­ усах закруглений в углах сопояжений и различных тол­ щинах сопрягаемых стенок. Усадка в узлах сопряжения проявилась в виде утяжин по радиусам закруглений, раз­ меры которых зависели от величины радиуса закругле­ ния в сопряжении.

Анализ результатов механических испытаний образ­ цов из отливок с X-, Т- и Z-образными сопряжениями по­ казывает (рис. 2), что предел прочности и относительное удлинение образцов из вертикальных стенок не зависят от типа сопряжения; аналогичные зависимости выяви­ лись для предела прочности н относительного удлинения от тол шины стенки. Ппи увеличении толщины вертикаль­ ной стенки до 10—12 мм предел прочности образцов практически не изменяется и находится на уровне свойств отдельно отлитых образцов, составляя 95—98% от пос­ ледних. Относительное ѵгглинение несколько уменьшается и составляет примерно 90% от свойств отдельно отлитых

23

был определен из соотношения большого количества ус­ редненных экспериментально полученных прочностных свойств образцов, вырезанных из вертикальных стенок отливок, и образцов с узлом сопряжения, вырезанных из горизонтальных стенок, которые, как показали исследо­ вания, характеризуют конструкционную прочность литых деталей, со средними прочностными свойствами образ­ цов, соответствующими требованиям ГОСТ 2685—63. Принимая предел прочности по ГОСТу за 100% и распо­ лагая данными исследований, определяем технологиче­ ский коэффициент запаса прочности п2 из следующей за­ висимости:

где А —требования прочностных свойств по ГОСТу, при­ нимаемые за 100%;

С — прочностные свойства плоских образцов или с узлом сопряжения, % к данным ГОСТа.

Значения технологического коэффициента запаса прочности для наиболее слабого места отливки из спла­ вов АЛ2 и АЛ 11 приведены в табл. 10.

Т а б л и ц а 10

Технологический коэффициент запаса прочности для литых деталей из сплавов АЛ2 и АЛ 11 (отливки изготовлены без прибылей и холодильников) [15]

25

Таким образом, надежность ЛИТОЙ детали зависит не только от свойств выбранного сплава, но и от конструк­ ции детали, а также от величины удельной литой повер­ хности. Эти факторы в значительной мере и определяют технологический коэффициент запаса прочности.

Жесткими требованиями к свойствам отливок дикту­ ется необходимость и радикального усовершенствования технологических процессов их изготовления, которое осу­ ществляется, как правило, в два этапа: первый — улуч­ шение технологии приготовления расплава (технологии плавки) и его заливки, второй — подбор оптимальной технологии литейной формы.

П е р в ы й э т а п — получение высококачественного расплава обеспечивается при соблюдении следующих ус­ ловий: подбор' оптимального состава сплава; использо­ вание шихты, дающей высокую чистоту расплава; очи­ стка расплава от неметаллических включений и газов; вакуумнрованне перед разливкой; эффективное модифи­ цирование; применение, если это требуется, покровных флюсов; точный контроль температуры на всех' этапах приготовления сплава и максимальное сокращение вре­ мени выдержки в печи жидкого расплава.

Важным условием является также жесткий контроль содержания легирующих компонентов, наиболее эффек­ тивно влияющих в процессе упрочнения сплава при тер­

способы очистки алюминиевых сплавов от неметалличе­ ских включений, необходимо также обратить внимание на перспективность метода фильтрации и на процесс про­ ведения плавки и разливки в среде инертного газа.

Так как при слишком высоких температурах плавки и разливки, а также при длительной выдержке расплава наблюдается увеличение размеров зерна, температура плавки и разливки для алюминиевых сплавов должна быть возможно более низкой.

Применяя указанные выше технологические опера­ ции, можно получить расплав высокого качества. Конт­ роль качества расплава обычно производится на отдель­ но отлитых образцах. Однако по результатам такого контроля можно судить лишь о качестве металла и пра­ вильности выбора режимов термической обработки, а не о механических свойствах отливки.

26

Чтобы получить отливки, механические свойства ко­ торых одинаковы или близки к механическим свойствам отдельно отлитых образцов, необходима оптимальная технология литейной формы.

В т о р о й э т а п — выбор оптимальной технологии ли­ тейной формы.

На измельчение зерна при литье алюминиевых спла­ вов оказывает очень большое влияние не только присут­ ствие легирующих и модифицирующих добавок, но и по­ вышение скорости кристаллизации. Высокая скорость кристаллизации отливок может быть обеспечена при ли­ тье в металлические формы или корковые формы с при­ менением металлической дроби. Даже при литье толсто­ стенных кокильных отливок можно получать образцы, вырезанные из деталей, с высокими значениями механи­ ческих свойств. Как показано в табл. 11, механические свойства образцов, вырезанных из отливок с различной толщиной стенки, близки и даже превосходят механиче­ ские свойства деформируемых сплавов АК4, АК6 и др.

Перевод отливок на литье в кокиль позволяет значи­ тельно повысить их механические свойства, а особенно относительное удлинение (на 150—200%)- Однако от­ ливки ç высокими механическими свойствами могут быть

27

получены и при литье в песчаные формы, при этом не­ обходима простановка большего числа массивных холо­ дильников.

Положительная роль холодильников при получении отливок с высокими механическими свойствами литьем в песчаные формы объясняется тем, что в процессе затвер­ девания обеспечивается направленная кристаллизация и питание. При этом скорость кристаллизации обеспечива­ ется достаточной величиной температурного градиента на границе формирующаяся стенка отливки-—холодиль­ ник, который .может превышать температурный градиент

Известно отрицательное влияние вредных примесей (особенно железа) на механические свойства алюминие­ вых литейных сплавов. Однако до недавнего времени применение сплавов с малым содержанием примесей ли­ митировалось общим уровнем технологии литья и недо­ статком алюминия высокой чистоты. Установлено, что только в результате снижения содержания вредных при­ месей в сплавах возможно повысить предел прочности на 10—20% и относительное удлинение на 50—100%- На­ пример, ограничение содержания железа до 0,12% в спла­ ве АЛ4М в немалой степени способствовало улучшению механических свойств этого сплава. Поэтому при шихтов­ ке и плавке не следует допускать загрязнения расплава примесями, которые могли'бы уменьшить степень пересы­ щения твердого раствора или способствовать образова­ нию грубокристаллических частиц вторых фаз, являю­ щихся концентраторами напряжений и выозівающих охрупчивание сплава.

Присутствующее в расплаве железо можно нейтрали­ зовать в силуминах добавками марганца, бериллия. Так, введение марганца в сплав В124 позволило повысить до­ пустимое содержание железа в нем до 0,3%, а при введе­ нии в сплав ВАЛ5 бериллия допустимое содержание примеси железа было увеличено до 0,6%. Таким образом, ограничивая или нейтрализуя вредные примеси, можно повысить механические свойства не только новых, но и всех стандартных сплавов,

28

Taie как применение материалов высокой чистоты приводит к повышению себестоимости литья, необходи­ мо дифференцированно подходить к этому вопросу. Спла­ вы повышенной чистоты и, следовательно, повышенного качества необходимо применять для ответственного ли­ тья там, где увеличение стоимости литья компенсирует­ ся на основании экономического расчета повышением надежности конструкции, уменьшением ее веса или сни­ жением трудоемкости процесса ее изготовления.

Приведенный анализ свойств литейных сплавов пока­ зывает, что по ряду свойств они превосходят некоторые деформируемые. Однако надежность литой детали оп­ ределяется не только свойствами сплава, из которого она изготовлена, но и конструктивными особенностями са­ мой детали, например, конфигурацией отдельных ее уз­ лов и сопряжений, величиной удельной литой поверхно­ сти и т. д. Поэтому необходимы научно обоснованные ре­ комендации по созданию новых конструктивных форм литых деталей и мероприятия по предотвращению обра­ зования усадочных и других дефектов в отливках.

2. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПРЕИМУЩЕСТВА ПРИМЕНЕНИЯ ЛИТЕЙНЫХ СПЛАВОВ

ВМЕСТО ДЕФОРМИРУЕМЫХ

В связи с развитием техники и созданием все более совершенных и сложных машин возникает необходимость применения деталей из алюминиевых сплавов, облада­ ющих малой плотностью и высокой удельной прочностью. Изготовление сложных деталей возможно как из дефор­ мируемых алюминиевых сплавов (поковки, штамповки и др.), так и из алюминиевых литейных сплавов. На изго­ товление деталей из поковок и штамповок требуются большие затраты труда, так как и производство полуфаб­ рикатов, и их дальнейшая механическая обработка — процессы трудоемкие. При этом коэффициент использо­ вания металла поковок и штамповок составляет 0,1—0,4. Методом же литья удается получать отливки, близкие по своей форме и конфигурации к готовым деталям и не требующие значительной механической обработки. Коэф: сЬициент использования металла в этом случае составля­ ет 0,6—0,9, т. е. в 2—4 раза превышает коэффициент ис­

29

отливок вместо поковок п штамповок позволяет в 2—3 ра­ за снизить трудоемкость изготовления деталей и высво­ бодить большой парк металлорежущих станков.

Развитие машиностроения стимулировало применение прогрессивных методов фасонного литья и разработку новых методов литья, отвечающих современным требова­ ниям к свойствам получаемых отливок, чистоте их повер­ хности, точности размеров, а также к коэффициенту ис­ пользования металла и трудоемкости процесса литья. Иначе говоря, главная задача прогрессивных методов ли­

деталей, которые по своей прочности могут заменить де­ тали из деформируемых полуфабрикатов. К методам ли­ тья таких детален относится литье под давлением, в ко­ киль, в оболочковые формы, методы последовательной кристаллизации и литье по выплавляемым моделям.

По производительности и степени механизации мето­ ды литья можно расположить в следующем порядке:

1) литье под давлением; 2) литье в кокиль; 3) литье по выплавляемым моделям; 4) литье методом последова­ тельно направленной кристаллизации; 5) литье в оболоч­ ковые формы; 6) литье в песчаные формы.

ный и автоматизированный метод фасонного литья. Им возможно получать ажурные тонкостенные детали слож­

Вакуумирование прессформ и высокое удельное дав­ ление (1000—2000 ат) позволяют получить высокопроч­ ные и герметичные отливки точности ЛТ1—ЛТЗ и шесто­

30

с большим съемом годного литья с единицы пропзводственіной площади. Себестоимость лигья этим способом ниже, а его качество выше, чем литья в песчаные формы, меньше 'брак, снижен или полностью исключен расход формовочных материалов, лучше санитарно-гигиениче­ ские условия труда рабочих.

достигаемая точность отвечает классам ЛТ5—ЛТ7, а чи­ стота поверхности— классам 1—3.

Л и т ь е по в ы п л а в л я е м ы м м о д е л я м — ме­ тод, рекомендуемый для получения сложных деталей по­ вышенной точности, которые используются в конструкции

31