Технология конструкционных материалов

240 Раздел III. Литейное производство

отливок массой свыше 50 кг вместо барабанов применяют камеры, куда отливки подаются подвешенными на крючьях и в которых по ходу движения расположены дробеметные головки.

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

Для мелких отливок, полученных, как правило, методом литья по выплавляемым моделям, применяют вибрационную, химическую и электрохимическую очистки. В первом случае отливки 2 загружают в ящики /6*вместе с абразивом (корундом) Рис помощью механиче­ ского вибратора 11 подвергают вибрации. Метод эффективен для сглаживания случайных выступов небольших размеров на наружных поверхностях. Для удаления пригара из внутренних и труднодоступ­ ных 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 растворе­ ния Si02 пригара в щелочи и образования силикатов. Эффектив­ ность очистки возрастает, если полярность тока меняется.

Зачистка отливок применяется в массовом производстве и, как правило, используется в качестве одной из операций совместно с дру­ гими операциями очистки, например дробеметной. Она выполняет­ ся абразивными кругами 13, между которыми пропускается установ­ ленная на приспособлении отливка 2.

При электроконтактной зачистке вместо абразивного круга ис­ пользуется стальной диск 14. В ходе обработки происходит оплавле­ ние заусениц, заливов и выступов и их удаление в виде искр.

12.11.Термическая обработка, контроль качества

иокраска отливок

Отливки, не прошедшие термическую обработку, имеют крупнозер­ нистую структуру и низкие прочностные свойства. Кроме того, в свя­ зи с неравномерностью охлаждения различных зон и затрудненно­ стью усадки в них сохраняются внутренние напряжения. Структура и свойства отливок могут быть существенно улучшены термической об­ работкой. Вид обработки (отжиг, нормализация, закалка, отпуск) оп­ ределяется природой и составом сплава, размерами и конфигурацией отливки, а также техническими условиями.

Контроль качества проводят на всех этапах технологического про­ цесса, при этом проверяют:

□качество исходных материалов (шихты, песков, глин, связую­ щих, ферросплавов);

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

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

идатчиков);

□качество и химический состав жидкого металла и готовых от­

ливок.

Бракованной называют такую отливку, которая имеет хотя бы один недопустимый по техническим условиям дефект. Стандарт классифицирует дефекты по следующим группам. К первой группе (рис. 12.19, а) относятся дефекты размеров формы и массы, такие как недоливы 1 и 2, перекосы 3 и 4, коробление, подутлости. Ко второй группе (рис. 12.19, б) относят пригар 5, нечеткий отпечаток 6, ужимины 7и заливы 8. Третья группа (рис. 12.19, в) включает дефекты тела отливки: усадочные раковины 9, 10, усадочную пористость 11, газо­ вую пористость 12. К четвертой группе (рис. 12.19, г) относятся шла­ ковые включения 13...15.

Кроме того, отливки могут браковаться в связи с несоответствием микроструктуры, химического состава, физико-механических свойств.

Разработано большое количество различных методов испытаний для выявления скрытых дефектов. Кроме обычного тщательного визу­ ального исследования применяют испытания на герметичность, рент­ геноскопию и гамма-дефектоскопию, испытания ультразвуком, люми­ несцентную, магнитную и цветовую дефектоскопию.

После выявления дефектов ставится вопрос о возможности исправ­ ления брака. Устранение брака не должно сказываться на эксплуатаци­ онных характеристиках деталей. В каждом конкретном случае выби­ рается наиболее эффективный способ устранения брака, если это признается целесообразным по экономическим соображениям. Наи­ более часто дефекты устраняют правкой (коробление), заваркой (по­ верхностные трещины, газовые и усадочные раковины) и пропиткой (пористость отливок). Небольшие поверхностные дефекты заделыва­ ются пастами на основе жидкого стекла или эпоксидной смолы с на­ полнителями (металлический порошок, молотый кварцевый песок).

а

б

Рис. 12.19. Виды брака:

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

После контроля качества и исправления дефектов отливки окраши­ вают. Способ нанесения краски зависит от серийности производства и размеров отливок. Мелкие отливки окунают в краску в сварных корзи­ нах, а крупные подвешивают на крючья подвесного монорельсового конвейера и подают в камеры для окраски и последующей сушки.

Глава 13

ПЛ А В К А С П Л А В О В

13.1.Литейные свойства сплавов

Из схемы последовательности операций изготовления отливок в ра­ зовых формах (см. рис. 12.2) следует, что параллельно с изготовлени­ ем формы идет плавка металла и после сборки формы расплавленный металл заливают в нее.

Известно множество литейных сплавов на основе железа, алюми­ ния, магния, меди, титана, цинка и др. Каждый из сплавов характери­ зуется комплексом прочностных, эксплуатационных, физических и технологических свойств. Так как из этих сплавов получают отливки, они должны обладать комплексом специфических технологических свойств, обеспечивающих получение качественной отливки. К таким свойствам — их называют литейными — относятся жидкотекучесть, склонность к образованию усадочных раковин, трещин, склонность к газонасыщению и ликвации.

Жидкотекучесть — это способность металла заполнять литейную форму и воспроизводить очертания ее внутренней полости. Сущест­ вует несколько методов оценки жидкотекучести, но наиболее рас­ пространено устройство в виде длинного тонкого канала, обычно свернутого в спираль, по длине заполнения которого судят об уров­ не жидкотекучести. При низкой жидкотекучести расплава возможен брак отливок по недоливам и спаям.

На жидкотекучесть оказывают влияние свойства формы и расплава. С ростом коэффициента теплопроводности, содержания влаги и теп­ лоемкости смеси жидкотекучесть сплава падает, так же как и при росте коэффициента теплопроводности сплава, поверхностного натяжения на границе расплав — воздух и ширины температурного интервала кристаллизации сплава. Несмотря на обилие факторов, влияющих на жидкотекучесть, в реальных условиях производства манипулировать ими сложно, так как в цехе существует сложившийся технологиче­ ский процесс получения отливки, а ее материал задан конструкто­ ром. Основным фактором, с помощью которого удается регулировать жидкотекучесть, является температура перегрева расплава. С ростом перегрева резко повышается жидкотекучесть. Поэтому тонкостенные

ажурные отливки с развитой сложной поверхностью отливают пер­ выми горячими порциями расплава сразу после его выдачи в ковш из печи, а толстостенные отливки получают из остывшего в ковше ме­ талла.

Различают три вида усадки металла: в жидком состоянии, в про­ цессе кристаллизации и в ходе остывания металла от температур кри­ сталлизации. Наиболее безобиден первый вид усадки, который легко компенсируется снижением уровня расплава в заливочной чаше или в стояке.

Усадка в процессе кристаллизации приводит к образованию уса­ дочных раковин и пористости в отливках. Она связана с разницей плотностей металлов в твердом и жидком состоянии. Если кристал­ лизация металла протекает в узком интервале температур, что спо­ собствует так называемому направленному затвердению, при кото­ ром сравнительно гладкий фронт кристаллизации продвигается от поверхности к термическому центру отливки, увеличение плотно­ сти металла при переходе из жидкого состояния в твердое приводит к снижению уровня расплава и образованию в верхней центральной части отливки концентрированной усадочной раковины. При широ­ ком температурном интервале кристаллизации (объемное затверде­ вание) концентрированной усадочной раковины не образуется, зато появляется большое количество пор, рассеянных по всему объему от­ ливки. Для устранения усадочныхдефектов над массивными частями отливки устанавливают прибыли, толщина которых больше толщины питаемого ими узла, в результате чего усадочная раковина выводится в прибыль и удаляется вместе с ней после охлаждения отливки.

Схемаустановки прибыли 2 над отливкой Уприведена на рис. 13.1. Прибыли бывают открытыми, когда их верхний уровень совпадает с верхним уровнем опоки, и закрытыми, когда он ниже. Предпочти­ тельна сферическая форма прибылей. С целью повышения их эф­ фективности прибыли утепляют путем установки вставок 6 из сухой стержневой смеси. Условия питания отливок в процессе ее затверде­ вания более благоприятны, если образующая в прибыли раковина 3 соединяется с атмосферой. С этой целью в прибыль заформовывают высушенные стерженьки 4 из стержневой смеси, а иногда устанавли­ вают газотворные патроны 5, которые, разлагаясь под действием рас­ плавленного металла, создают в раковине избыточное давление.

Основным фактором, определяющим объем усадочной раковины или суммарный объем пор, является разность плотностей в жидком и

твердом состоянии. Для разных сплавов она различна, что и опреде­ ляет их различную склонность к образованию усадочных раковин. Известно, что стали, ковкие и высокопрочные чугуны, сплавы меди, сплавы на основе алюминия (кроме А1—Si) склонны к образованию раковин и пористости, в то время как серые чугуны и силумины, на­ оборот, дают плотные отливки и не требуют установки прибылей.

Рис. 13.1. Отливка с прибылью

Неравномерная усадка отливки в процессе ее остывания от темпе­ ратур кристаллизации приводит к возникновению в ней напряжений, а иногда и трещин. Различные сплавы характеризуются различными коэффициентами линейной усадки, что и определяет их склонность к образованию трещин.

Кроме термических напряжений в отливке, связанных с неравно­ мерностью охлаждения отдельных ее частей, могут возникать механи­ ческие (усадочные) напряжения, обусловленные торможением усад­ ки формой или стержнем, и фазовые, связанные с неодновременным протеканием фазовых превращений в сплаве. Необходимо отметить, что термические напряжения могут быть вызваны тем, что поверхно­ стные слои отливок охлаждаются быстрее центральных зон, в резуль­ тате чего в них возникнут растягивающие напряжения, а в нижеле­ жащих слоях — сжимающие.

Рассмотрим механизм образования напряжений за счет неравно­ мерности охлаждения различных частей отливки на базе изучения ус­ ловий охлаждения массивной части отливки 2 и ребра 7(рис. 13.2, а). На рис. 13.2, б показаны кривые охлажения этих частей отливки, здесь tKp — критическая температура перехода из пластического со­ стояния в упругое. Выше этой температуры напряжений не может

возникнуть, так как пластическая деформация снимает их. На участ­ ке 1 - 2 (рис. 13.2, в\ /н — начальная, /к — конечная длина отливки) из­ менение длины частей отливки идет по закону, определяемому скоро­ стью 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 тем­ пература массивной части выше. Если бы ребро было отделено от от­ ливки, то его усадка протекала бы по кривой 2 - 3 ,, а усадка массивной части — по кривой 2 - 3 2. Но так как обе эти части связаны между со­ бой, то у них общая длина, определяемая точкой 3. В результате тон­ кая часть сжимается на величину А/,, а массивная — растягивается на величину А/2, т. е. после неравномерного охлаждения в тонкой части возникают сжимающие, а в массивной части растягивающие напря­ жения. Если их величина превысит предел прочности металла, то в отливке возникнут трещины.

Разрушение металла (образование трещин) под действием внут­ ренних напряжений происходит в различные периоды кристаллиза­ ции и охлаждения отливки, в связи с чем различают кристаллизаци­ онные, горячие и холодные трещины.

Рис. 13.2. Механизм образования напряжений:

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

нения длины частей отливки

Помимо усадочных процессов и жесткости форм существенное влияние на склонность к образованию трещин оказывают состав сплава и особенно наличие примесей, образующих легкоплавкие эв­ тектики. Например, увеличение содержания в стали серы и фосфора повышает опасность возникновения горячих и холодных трещин.

Так как основной причиной образования напряжений является неравномерность охлаждения различных частей отливки, то главным средством борьбы с напряжениями, короблением и трещинообразованием считается выравнивание скоростей охлаждения путем утепле­ ния тонких сечений (установкой сухих стержней) и захолаживания внутренними или наружными холодильниками массивных частей.

Склонность к газонасыщению присуща большинству сплавов. Газы (водород, азот, кислород, метан и оксиды углерода) наиболее часто встречаются в металле. Оксиды углерода СО и С 02 присутствуют в виде отдельных пузырей, появившихся как следствие незавершен­ ности процесса раскисления сплава. Кислород и основная масса азо­ та находятся в связанном состоянии в виде оксидов и нитридов и на качество отливки существенного влияния не оказывают. Наиболее вредным газом считается водород, который в атомарном состоянии хорошо растворяется в жидких сплавах. По мере снижения темпера­ туры расплава в форме растворимость водорода снижается, и он в ви­ де пузырьков выделяется из расплава и скапливается перед фронтом кристаллизации. Если прибыль затвердевает позже питаемого ею уз­ ла, то пузырьки газа вытесняются в прибыль. В противном случае об­ разуются подкорковые газовые пузыри, вскрываемые при механиче­ ской обработке.

Для предотвращения насыщения расплава водородом исходная шихта должна быть сухой, плавку необходимо вести форсированно, защищая металл толстым слоем шлака, нейтральными атмосферами (аргон, гелий) и вакуумом. Для удаления газов из металла после плав­ ки применяют продувку инертным газом и обработку вакуумом.

Газовые раковины в отливке могут появиться и в связи с неудов­ летворительным качеством форм и стержней. Высокая газотворная способность смеси, высокая влажность и плотная набивка форм, а также их низкая газопроницаемость приводят к прорыву образую­ щихся газов и паров в расплав и образованию поверхностных газо­ вых включений.

Ликвация — это химическая неоднородность по сечению отливки, возникающая в процессе ее затвердевания. Различают внутрикристал-

лическую и зональную ликвации. Внутрикристаллическая неодно­ родность является следствием кристаллизации сплава в интервале температур, при которых центральная часть кристаллов содержит меньше растворенного в расплаве элемента, чем наружная. Эта неод­ нородность легко устраняется термической обработкой (высокотем­ пературным отжигом). Зональная ликвация характерна для сплавов, дающих при затвердевании гладкий фронт кристаллизации. В этом случае легкоплавкие примеси, газовые и неметаллические включения оттесняются фронтом в термический центр отливки. Основным сред­ ством борьбы с этим видом неоднородности считается вывод ликвата

вприбыль.

13.2.Отливки из серогочугуна

Чугун является самым распространенным сплавом в литейном про­ изводстве. Достаточно отметить, что около 80 %общего мирового вы­ пуска в 75 млн т отливок приходится на долю чугуна. Область его при­ менения обширна и продолжает расширяться в связи с улучшением его свойств и появлением высокопрочного чугуна с шаровидным гра­ фитом, чугуна с вермикулярным графитом и новых марок высоколе­ гированных чугунов специального назначения.

Чугун — многокомпонентный сплав железа с углеродом, кремни­ ем и другими элементами, характеризуемый наличием в структуре эв­ тектики. Серый чугун имеет серый излом. Его структура состоит из ме­ таллической основы (феррита, перлита или их смеси) и свободного графита, имеющего форму изогнутых или завихренных пластин. При этом количество связанного углерода не превышает 0,8 %, а осталь­ ной присутствует в виде графита.

На характер формирования структуры чугуна оказывают влияние многие факторы, но прежде всего это содержание постоянных эле­ ментов (С, Si, Mn, S, Р), наличие легирующих элементов, скорость охлаждения отливки, а также состояние расплава перед его заливкой в форму, которое зависит от перегрева расплава, его рафинирования и модифицирования. Подмодифицированием понимают введение в рас­ плав небольших количеств добавок, которые, не меняя состав чугуна, оказывают влияние на зарождение и рост структурных составляю­ щих, а следовательно, конечную структуру отливки.

Так как основными факторами, определяющими структуру чугу­ на, являются химический состав и скорость охлаждения, разработаны

структурные диаграммы, связывающие структуру чугуна в отливке с содержанием в нем основных компонентов (С, Si) и толщиной t от­ ливки (рис. 13.3). Углерод и кремний одинаково влияют на устойчи­ вость цементита Fe3C. С ростом содержания этих компонентов он ста­ новится неустойчивым и распадается с образованием графита или не образуется вообще, и тогда графит кристаллизуется непосредственно из расплава в ходе эвтектического превращения. Поэтому при низком содержании углерода и кремния (зона I на рис. 13.3) весь углерод на­ ходится в связанном состоянии в виде цементита. Такой чугун имеет светлый излом и называется белым. Его структура состоит из ледебури­ та и перлита. По мере увеличения содержания углерода и кремния (зона II) устойчивость цементита снижается. В первую очередь это ка­ сается цементита, образующегося при эвтектическом распаде расплава при температуре свыше 1100 °С, когда диффузионные процессы про­ исходят быстро. В зоне II структура металлической основы состоит из перлита, в котором располагаются образовавшиеся входе эвтектиче­ ского превращения розетки пластинчатого графита. В зоне III основу структуры составляют феррит и розетки пластинчатого графита.

Зоны На и 116являются переходными от зоны I к зоне II и от зоны II к зоне III, вследствие чего здесь присутствует смешанная структура. Так, например, в зоне Па наряду с участками перлитно-графитной структуры присутствуют участки ледебурита.

Существенное влияние на структуру чугуна оказывает и скорость охлаждения (толщина) отливок (рис. 13.3, в). Установлено, что при образовании А—Г эвтектики пластинки графита врастают в расплав,

акристаллизация аустенита несколько отстает от роста графита. В рас­ плаве на фронте кристаллизации А—Г розеток происходит диффузи­ онное перераспределение углерода. Если оно не успевает произойти, тораспаджидкости протекает с образованиемледебурита. По мере утол­ щения отливки скорость охлаждения замедляется, что создает пред­ посылки для исчезновения вначале цементита ледебурита (зона II),

азатем и цементита перлита (зона III).

На рис. 13.3, б показаны схематические изображения структур раз­ личных зон, а на рис. 13.4 приведены фотографии реальных структур белого, перлитного серого, ферритно-перлитного серого и ферритного серого чугунов.

На структуру чугуна существенное влияние оказывает состояние расплава перед заливкой в форму. Установлено, что зарождение графи­ та при эвтектическом превращении происходит на подложках, кото­