Материаловедение и технология конструкционных материалов

Рис. 13.18. Очистка и зачистка отливок:

а — в галтовочных барабанах; б — в дробеметных камерах; в — дробест­ руйная; г ,— на виброустановках; д i— электрохимическая; е — абразивны­ ми кругами; ж — электроконтактная

дается в оборотную систему. Для крупных отливок массой свыше 50 кг вместо барабанов применяют камеры, куда отливки пода­ ются подвешенными на крючьях и в которых по ходу движения расположены дробеметные головки.

При дробеструйной очистке дробь на отливки 2, установлен­ ные на поворотом столе 15, подается струей воздуха или воды. Этот метод менее эффективен по сравнению с предыдущим.

Для мелких отливок, полученных, как правило, методом литья по выплавляемым моделям, применяют вибрационную, химиче­ скую и электрохимическую очистки. В первом случае отливки 2 загружают в ящики 10 вместе с абразивом (кОрундом) 9 и с по­ мощью механического вибратора 11 подвергают вибрации. Метод эффективен для сглаживания случайных выступов небольших размеров на наружных поверхностях. Для удаления пригара из внутренних и труднодоступных полостей отливки 2 погружают

в расплав каустической соды 12, перегретый до 400...500 °С, и иногда подключают электрический ток плотностью до 0,05 А /м2. Очистка осуществляется за счет растворения Si02 пригара в ще­ лочи и образования силикатов. Эффективность очистки возрас­ тает, если полярность тока меняется.

Зачист ка отливок применяется в массовом производстве и, как правило, используется в качестве одной из операций со­ вместно с другими операциями очистки, например дробеметной. Она выполняется абразивными кругами 13, между которыми пропускается установленная на приспособлении отливка 2.

При электроконт^ктной зачистке вместо абразивного круга используется стальной диск 14. В ходе обработки происходит оплавление заусениц, заливов и выступов.и их удаление в виде искр.

Термическая обработка, контроль качества и окраска отливок

Отливки, не прошедшие термическую обработку, „имеют крупнозернистую структуру и низкие прочностные свойства. Кроме того, в связи с неравномерностью охлаждения различ­ ных зон и затрудненностью усадки в них сохраняются внутрен­ ние напряжения. Структура и свойства отливок могут быть су­ щественно улучшены термической обработкой. Вид обработки (отжиг, нормализация, закалка, отпуск) определяется природой и составом сплава, размерами и конфигурацией отливки, а также техническими условиями.

Контроль качества проводят на всех этапах технологиче­ ского процесса, при этом проверяют:

□качество исходных материалов (шихты, песков, глин, свя­ зующих, ферросплавов);

□качество и износ литейной оснастки (моделей, ящиков, штырей и втулок, опок, сушильных плит и т.д.);

□техническое состояние оборудования (формовочных и стерж­ невых машин, транспортеров, бегунов, печей, контрольных приборов и датчиков);

□качество и химический состав жидкого металла и готовых отливок.

Бракованной называют такую отливку, которая имеет хотя бы один недопустимый по техническим условиям дефект. Стан­ дарт классифицирует дефекты по следующим группам. К пер­ вой группе (рис. 13.19, а) относятся дефекты размеров формы и массы, такие как недоливы 1 и 2, перекосы 3 я 4, коробление, подутлости. Ко второй группе (рис. 13.19, б) относят пригар 5, нечеткий отпечаток 6, ужимины 7 и заливы 8. Третья группа (рис. 13.19, в) включает дефекты тела отливки: усадочные ра­ ковины 9,10, усадочную пористость 11, газовую пористость 12. К четвертой группе (рис. 13.19, г) относятся шлаковые вклю­ чения 13, 14, 15.

Кроме того, отливки могут браковаться в связи с несоответ­ ствием микроструктуры, химического состава, физико-механи­ ческих свойств.

Разработано большое количество различных методов испыта­ ний для выявления скрытых дефектов. Кроме обычного тщатель­ ного визуального исследования применяют испытания на герме­ тичность, рентгеноскопию и гамма-дефектоскопию, испытания

13 14 15

Рис. 13.19. Виды брака:

а — несоответствие по геометрии; б — дефекты поверхности; в — несплошности в теле отливки; г — включения

ультразвуком, люминесцентную, магнитную и цветовую дефек­ тоскопию.

После выявления дефектов ставится вопрос о возможности исправления брака. Устранение брака не должно сказываться на эксплуатационных характеристиках деталей. В каждом кон­ кретном случае выбирается наиболее эффективный способ устра­ нения брака, если это признается целесообразным по экономиче­ ским соображениям. Наиболее часто дефекты устраняют прав­ кой (коробление), заваркой (поверхностные трещины, газовые и усадочные раковины) и пропиткой (пористость отливок). Не­ большие поверхностные дефекты заделываются пастами на ос­ нове жидкого стекла или эпоксидной смолы с наполнителями (металлический порошок, молотый кварцевый песок).

После контроля качества и исправления дефектов отливки окрашивают. Способ нанесения краски зависит от серийности производства и размеров отливок. Мелкие отливки окунают в крас­ ку в сварных корзинах, а крупные подвешивают на крючья под­ весного монорельсового конвейера и подают в камеры для окра­ ски и последующей сушки.

1....Д 8Ц ПЛАВКА СПЛАВОВ

■ —,— , _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

14, 1. Литейные свойства сплавов

Из схемы последовательности операций изготовления отли­ вок в разовых формах (см. рис. 13.2) следует, что параллельно с изготовлением формы идет плавка металла и после сборки формы расплавленный металл заливают в нее.

Известно множество литейных сплавов на основе железа, алюминия, магния, меди, титана, цинка и др. Каждый из спла­ вов характеризуется комплексом прочностных, эксплуатацион­ ных, физических и технологических свойств. Так как из этих сплавов получают отливки, они должны обладать комплексом специфических технологических свойств, обеспечивающих полу­ чение качественной отливки. К таким свойствам — их называют литейными — относятся жидкотекучесть, склонность к обра­ зованию усадочных раковин, трещин, склонность к газонасыщению и ликвации.

Ж идкотекучесть — это способность металла заполнять ли­ тейную форму и воспроизводить очертания ее внутренней полос­ ти. Существует несколько методов оценки жидкотекучести, но наиболее распространено устройство в виде длинного тонкого канала, обычно свернутого в спираль, по длине заполнения кото­ рого судят об уровне жидкотекучести. При низкой жидкотекуче­ сти расплава возможен брак отливок по недоливам и спаям.

На жидкотекучесть оказывают влияние свойства формы и рас­ плава. С ростом коэффициента теплопроводности, содержания влаги и теплоемкости смеси жидкотекучесть сплава падает, так же как и при росте коэффициента теплопроводности сплава, по­ верхностного натяжения на границе расплав — воздух и ширины температурного интервала кристаллизации сплава. Несмотря на обилие факторов, влияющих на жидкотекучесть, в реальных усло­ виях производства манипулировать ими сложно, так как в цехе существует сложившийся технологический процесс получения отливки, а ее материал задан конструктором. Основным факто­ ром, с помощью которого удается регулировать жидкотекучесть,

326 Раздел III. Литейное производство

является температура перегрева расплава. С ростом перегрева резко повышается жидкотекучесть. Поэтому тонкостенные ажурные отливки с развитой сложной поверхностью отливают первыми горячими порциями расплава сразу после его выдачи в ковш из печи, а толстостенные отливки получают из остыв­ шего в ковше металла.

Различают три вида усадки металла: в жидком состоянии,

впроцессе кристаллизации и в ходе остывания металла от темпе­ ратур кристаллизации. Наиболее безобиден первый вид усадки, который легко компенсируется снижением уровня расплайа

взаливочной чаше или в стояке.

Усадка в процессе кристаллизации приводит к образованию усадочных раковин и пористости в отливках. Она связана с раз­ ницей плотностей металлов в твердом и жидком состоянии. Если кристаллизация металла протекает в узком интервале температур, что способствует так называемому направленному затвердению, при котором сравнительно гладкий фронт кристал­ лизации продвигается от поверхности к термическому центру отливки, увеличение плотности металла при переходе из жид­ кого состояния в твердое приводит к снижению уровня расплава и образованию в верхней центральной части отливки концентри­ рованной усадочной раковины. При широком температурном интервале кристаллизации (объемное затвердевание) концен­ трированной усадочной раковины не образуется, зато появляется большое количество пор, рассеянных по всему объему отливки. Для устранения усадочных дефектов над массивными частями отливки устанавливают прибыли, толщина которых больше тол­ щины питаемого ими узла, в результате чего усадочная раковина выводится в прибыль и удаляется вместе с ней после охлаждения отливки.

Схема установки прибыли 2 над отливкой 1 приведена на рис. 14.1. Прибыли бывают открытыми, когда их верхний уро­ вень совпадает с верхним уровнем опоки, и закрытыми, когда он ниже. Предпочтительна сферическая форма прибылей. С целью повышения их эффективности прибыли утепляют путем установ­ ки вставок 6 из сухой стержневой смеси. Условия питания отливок в процессе ее затвердевания более благоприятны, если образую­ щая в прибыли раковина 3 соединяется с атмосферой. С этой целью в прибыль заформовывают высушенные стерженьки 4

Рис. 14.1. Отливка с прибылью

из стержневой рмеси, а иногда устанавливают газотворные па­ троны 5, которые, разлагаясь под действием расплавленного ме­ талла, создают в раковине избыточное давление.

Основным фактором, определяющим объем усадочной рако­ вины или суммарный объем пор, является разность плотностей в жидком и твердом состоянии. Для разных сплавов она раз­ лична, что и определяет их различную склонность к образованию усадочных раковин. Известно, что стади, ковкие и высокопроч­ ные чугуны, сплавы меди,, сплавы на основе алюминия (кроме А1—Si) склонны к образованию раковин и пористости, в то вре­ мя как серые чугуны и силумины, наоборот, дают плотные от­ ливки и не требуют установки прибылей.

Неравномерная усадка отливки в процессе ее остывания от температур кристаллизации приводит к возникновению в ней напряжений, а иногда и трещин. Различные сплавы характери­ зуются различными коэффициентами линейной усадки, что и оп­ ределяет их склонность к образованию трещин.

Кроме термических напряжений в отливке, связанных с не­ равномерностью охлаждения отдельных ее частей, могут возни­ кать механические (усадочные) напряжения, обусловленные торможением усадки формой или стержнем, и фазовые, связан­ ные с неодновременным протеканием фазовых превращений в сплаве. Необходимо отметить, что термические напряжения могут быть вызваны тем, что поверхностные слои отливок охла­ ждаются быстрее центральных зон, в результате чего в них воз­ никнут растягивающие напряжения, а в нижележащих слоях — сжимающие.

Рассмотрим механизм образования напряжений за счет не­ равномерности охлаждения различных частей отливки на базе изучения условий охлаждения массивной части отливки 2 и реб­ ра 1 (рис. 14.2, а). На рис. 14.2, б показаны кривые охлажения этих частей отливки, здесь £кр — критическая температура пере­ хода из пластического состояния в упругое. Выше этой темпера­ туры напряжений не может возникнуть, так как пластическая деформация снимает их. На участке 1-2 (рис. 14.2, в; 1Я— на­ чальная, 1к — конечная длина отливки) изменение длины частей отливки идет по закону, определяемому скоростью охлаждения ребра. В это время массивная часть пластична и напряжения снимаются за счет ее пластической деформации. Правее точки 2 металл обеих частей находится в упругом состоянии, но темпе­ ратура массивной-части выше. Если бы ребро было отделено от отливки, то его усадка протекала бы по кривой 2 -З и а усадка массивной части — по кривой 2 -3 2. Но так как обе эти части связаны между собой, то у них общая длина, определяемая точ­ кой 3. В результате тонкая часть сжимается на величину Л1г, а массивная — растягивается на величину М2, т.е. после нерав-

Рис. 14.2. Механизм образования напряжений:

а— внешний вид отливки; б — кривые охлаждения частей отливки;

в— изменения длины мастей отливки

номерного охлаждения в тонкой части возникают сжимающие, а в массивной части растягивающие напряжения. Если их ве­ личина превысит предел прочности металла, то в отливке воз­ никнут трещины.

Разрушение металла (образование трещин) под действием внутренних напряжений происходит в различные периоды кри­ сталлизации и охлаждения отливки, в связи с чем различают

кристаллизационные, горячие и холодные трещины.

Помимо усадочных процессов и жесткости форм существен­ ное влияние на склонность к образованию трещин оказывают состав сплава и особенно наличие примесей, образующих легко­ плавкие эвтектики. Например, увеличение содержания в стали серы и фосфора повышает опасность возникновения горячих и холодных трещин.

Так как основной причиной образования напряжений явля­ ется неравномерность охлаждения различных частей отливки, то главным средством борьбы с напряжениями, короблением и трещинообразовацием считается выравнивание скоростей ох­ лаждения путем утепления тонких сечений (установкой сухих стержней) и захолаживания внутренними или наружными хо­ лодильниками массивных частей.

Склонность к газонасыщению присуща большинству спла­ вов. Газы (водород, азот, кислород, метан и оксиды углерода) наиболее часто встречаются в металле. Оксиды углерода СО и С02 присутствуют в виде отдельных пузырей, появившихся как следствие незавершенности процесса раскисления сплава. Ки­ слород и основная масса азота находятся в связанном состоянии в виде оксидов и нитридов и на качество отливки существенного влияния не оказывают. Наиболее вредным: газом считается водо­ род, который в атомарном состоянии хорошо растворяется в жид­ ких сплавах. По мере снижения температуры расплава в форме растворимость водорода снижается, и он в виде пузырьков вы­ деляется из расплава и скапливается перед фронтом кристалли­ зации. Если прибыль затвердевает позже питаемого ею узла, то пузырьки газа вытесняются в прибыль. В противном случае об­ разуются подкорковые газовые пузыри, вскрываемые при меха­ нической обработке.

Для предотвращения насыщения расплава водородом исход­ ная шихта должна быть сухой, плавку необходимо вести форси­

330 Раздел III. Литейное производство

рованно, защищая металл толстым слоем шлака, нейтральными атмосферами (аргон, гелий) и вакуумом. Для удаления газов из металла после плавки применяют продувку инертным газом и обработку вакуумом.

Газовые раковины в отливке могут появиться и в связи с не­ удовлетворительным качеством форм и стержней. Высокая газотворная способность смеси, высокая влажность и плотная набивка форм, а также их низкая газопроницаемость приводят к прорыву образующихся газов и паров в расплав и образова­ нию поверхностных газовых включений.

Ликвация — это химическая неоднородность по сечению от­ ливки, возникающая в процессе ее затвердевания. Различают внутрикристаллическую и зональную ликвации. Внутрикристаллическая неоднородность является следствием кристалли­ зации, в результате которой центральная часть кристаллов содер­ жит меньше растворенного в расплаве элемента, чем наружная. Эта неоднородность легко устраняется термической обработкой (высокотемпературным отжигом). Зональная ликвация харак­ терна для сплавов, дающих при затвердевании гладкий фронт кристаллизации. В этом случае легкоплавкие примеси, газовые и неметаллические включения оттесняются фронтом в термиче­ ский центр отливки. Основным средством борьбы с этим видом неоднородности считается вывод ликвата в прибыль.

Отливки из серого чугуна

Чугун является самым распространенным сплавом в литей­ ном производстве. Достаточно отметить, что около 80 % общего мирового выпуска в 75 млн т отливок приходится на долю чугу­ на. Область его применения обширна и продолжает расширяться в связи с улучшением его свойств и появлением высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, чугуна с вермикулярным гра­ фитом и новых марок высоколегированных чугунов специаль­ ного назначения.

Чугун — многокомпонентный сплав железа с углеродом, крем­ нием и другими элементами, характеризуемый наличием в струк­ туре эвтектики. Серый чугун имеет серый излом. Его структура состоит из металлической основы (феррита, перлита или их сме­