Технология конструкционных материалов

Так как полностью исключить насыщение алюминиевых сплавов водородом в процессе плавки не удается, расплав подвергают рафини­ рованию, включающему продувку инертными (гелий, аргон) и актив­ ными (хлор) газами или обработку флюсами и выдержку в вакууме.

Эффективным способом очистки от неметаллических включений и плен является фильтрование расплава через сетчатые, зернистые или пористые фильтры.

Алюминиевые сплавы модифицируют с целью измельчения пер­ вичной структуры и размера хрупких включений (например, кремния), входящих в состав эвтектик. Для измельчения структуры в расплав вводят тугоплавкие металлы (Ti, В, V), которые образуют тугоплавкие интерметаллиды, облегчающие зарождение твердых растворов на ба­ зе алюминия. Для измельчения включений кремния в эвтектике силу­ минов широко применяется модифицирование натрием, который вво­ дится в чистом виде или в виде смеси хлористого и фтористого натрия.

Плавка магниевых сплавов сопряжена с трудностями, вызванными их легкой окисляемостью. Рыхлая пленка оксидов, образующаяся на поверхности расплава, не предохраняет его от дальнейшего окисле­ ния. Не исключается и возможность воспламенения расплава и даже мелкой шихты при ее нагреве в печи. Расплавленный магний не толь­ ко интенсивно окисляется, но и взаимодействует с азотом и поглоща­ ет в больших количествах водород. Образующиеся неметаллические включения трудно удаляются из расплава, способствуя образованию микропористости в отливках и снижению механических свойств.

Плавку магниевых сплавов ведут в среде защитных газов или под слоем флюса. Состав флюса выбирается в зависимости от марки сплава, но обычно это смесь солей (MgCl2, КС1, ВаС12, CaFe2, СаС12), иногда с добавкой MgO.

Известны три способа плавки магниевых сплавов: в стационарных тиглях, выемных тиглях и дуплекс-процессом индукционная печь — тигель. Тигли изготавливают из стали, так как магний не взаимодейст­ вует с железом. После расплавления шихты расплав доводят по хими­ ческому составу, рафинируют свежим флюсом, модифицируют ме­ лом, мрамором или магнезитом и отстаиваютдля удаления из расплава замешанного флюса и неметаллических включений, после чего при­ ступают к разливке. Очень часто расплав очищают фильтрованием или устанавливают в литниковой системе фильтрующие элементы.

Плавка титана иегосплавов также сопряжена с большими трудно­ стями, так как при высоких температурах он активно взаимодействует

с азотом и кислородом и, кроме того, со всеми огнеупорными мате­ риалами. Поэтому для выплавки титановых сплавов применяют ваку­ умные гарнисажные дуговые печи с расходуемым электродом. Раз­ ливка титановых сплавов осуществляется в массивные медные или тонкостенные водоохлаждаемые формы. Иногда для этой цели ис­ пользуется плотный графит или оболочковые формы из смеси высо­ коогнеупорных нейтральных оксидов и графитового порошка. Свя­ зующим является фенолформальдегидная смола.

Глава 14

СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ ЛИТЬЯ

14.1. Общее понятие оспециальныхспособахлитья

Эти способы отличаются от литья в разовые песчаные формы по од­ ному или нескольким признакам: конструкции формы, ее материалу, использованию внешних сил при заполнении формы и затвердевании в ней отливок. Одни из них основаны на применении постоянных форм, другие — разовых. При этом заполнение форм и затвердевание отливок в них может происходить под действием сил тяжести, цен­ тробежных сил, вакуума, избыточного давления, создаваемого возду­ хом или поршнем.

Далеко не полная классификация известных специальных спосо­ бов литья приведена на рис. 14.1.

Необходимо отметить условность приведенной классификации. Так, например, литье под низким давлением можно рассматривать и как самостоятельный способ литья, и как разновидность литья под давлением с регулированием газового давления по ходу заполнения формы. Или другой пример: в разовых песчаных формах для вырав­ нивания скоростей охлаждения различных зон отливки используют холодильники. По мере увеличения площади поверхности отливки, образуемой холодильником, разовая форма трансформируется в по­ стоянную с песчаной вставкой для утепления тонких сечений. С дру­ гой стороны, облицованные металлические формы по мере роста тол­ щины покрытия трансформируются в разовые с опорным слоем.

Технологические особенности, преимущества и недостатки специ­ альных методов литья определяют область применения каждого из них. Общим для них является то, что все они относятся к прогрессив­ ным материало-, энерго- и трудосберегающим технологическим про­ цессам, позволяющим получать отливки с конфигурацией, размерами и чистотой поверхности более высокими, чем в случае применения ра­ зовых форм. Экономичность применения этих методов растет с увели­ чением числа отливок в партии, т. е. с переходом от мелкосерийного к массовому производству.

14.2.Литье в постоянные формы

Кметодам литья в постоянные формы можно отнести кокильное ли­ тье, литье под давлением, центробежное, непрерывное литье, литье вакуумным всасыванием, выжиманием, методом жидкой прокатки, намораживанием, электрошлаковое литье. Особенностью данных методов литья является многократное использование форм, как пра­ вило, металлических.

14.2.1.Кокильное литье

Кокиль представляет собой металлическую литейную форму из чугу­ на, стали или, реже, цветных сплавов, в полость которой расплав по­ дается под действием силы тяжести. В отличие от разовой песча­ но-глинистой формы металлическая используется многократно. При изготовлении полых отливок из черных сплавов используют разовые стержни, для цветных сплавов возможно применение металлических стержней, которые извлекают из отливки после образования прочной корки твердого металла на ее поверхности. Производство отливок в кокилях имеет свои технологические особенности.

Первой из них является окраска рабочей поверхности и литнико­ вых каналов формы специальными красками, которые снижают пе­ репад температур по сечению формы, предохраняют ее от термиче­ ских ударов, размывающего действия струи заливаемого расплава и, следовательно, увеличивают срок ее службы.

Вторая особенность технологического процесса заключается в том, что для создания идентичных условий затвердевания отливок в тече­ ние всей смены кокиль перед употреблением подогревают до опреде­ ленной температуры. При заливке чугуна это уменьшает опасность появления «отбела» (структуры ледебурита) в поверхностных слоях отливки.

Третья особенность — неподатливостьи негазопроницаемость фор­ мы, что требуетувеличить уклоны на поверхностях отливки, перпенди­ кулярных плоскости разъема формы, применять раннюю выбивку от­ ливок и устанавливать венты или изготавливать каналы по разъему формы для удаления воздуха из карманов.

Интенсивный теплообмен между затвердевающей отливкой и фор­ мой (четвертая особенность) обеспечивает плотную мелкозернистую

структуру в отливках, что во всех случаях желательно для цветных сплавов, но не всегда полезно для черных. Быстрое затвердевание стальных отливок затрудняет удаление газов, скапливающихся перед фронтом кристаллизации, что приводит к их захвату твердой коркой и образованию в ней поверхностной газовой пористости. Быстрое за­ твердевание чугунных отливок обусловливает «отбел» и аномальные формы графита в поверхностном слое.

Трудоемкость изготовления отливок в кокилях меньше, чем при литье в разовые формы, качество поверхности и точность размеров выше, припуски на обработку меньше, а условия труда лучше. Масса отливок не лимитирована (от 0,5 кг до 15 т). В кокилях можно полу­ чить такие массивные отливки, как прокатные валки, шаботы моло­ тов, станины прокатных станов, изложницы и т. д.

Стойкость кокилей зависит от материала самого кокиля, типа за­ ливаемого металла, массы получаемых отливок, толщины покрытия на рабочей поверхности и колеблется от нескольких наливов (при за­ ливке стальных слитков в изложницу) до десятков тысяч (при произ­ водстве мелких алюминиевых отливок в стальной кокиль).

По конструкции, которая определяется типом отливки, кокили бывают вытряхными и разъемными (рис. 14.2). Разъемный кокиль со­ стоит из двухчастей 1. По плоскости разъема в нем выфрезеровывают литниковые каналы 4 и вентиляционные канавки 2. Стержни 3, как правило, изготавливают из песчано-масляной или песчано-смоляной смесей. На наружной стороне кокилей могут отливаться ребра, увели­ чивающие теплоотдачу в атмосферу, или изготавливаются полости 5 для жидкостного охлаждения. Литниковая система вытряхных коки­ лей выполняется внутри центровых стержней или делается дождевой, для чего сверху на кокиль <?устанавливают заливочную чашу 6, одно­ временно облегчающую центрирование стержня 7. Поворот кокиля с целью удаления отливки осуществляется механически или вручную. Ось поворота совпадает с осями опорных цапф 9.

Разновидностью кокильного литья является литье в облицованный кокиль, или двухслойную форму. При этом сам кокиль изготавливают из стали или чугуна отливкой в разовую форму. Его рабочая полость, с не­ большой степенью точности повторяющая конфигурацию отливки, облицовывается слоем плакированной песчаной смеси, отвердеваю­ щей при нагреве. Рабочий процесс изготовления двухслойной формы приведен на рис. 14.3. Раскрытая форма, состоящая из двух полу­ форм /, и неподвижные центровые стержни 2 показаны на виде сверху.

Форма предназначена для отливки полых цилиндров или втулок. По­ сле ввода модели 3 форма закрывается, и в зазоры между стержнями, моделью и полуформами задувается горячетвердеющая смесь. Так как кокиль и стержни предварительно нагревают до 250 °С, смесь отверде­ вает за несколько минут и после раскрытия формы и удаления модели на рабочей поверхности формы и стержней остается корочка. Металл, залитый в собранную форму, контактирует с корочкой из песчаной смеси. Меняя толщину корочки в различных местах полости формы, можно управлять скоростями охлаждения различных зон отливки.

Рис. 14.2. Конструкции кокилей: а — разъемного; б — вытряхного

Рис. 14.3. Схема литья в облицованный кокиль:

а—раскрытая форма; б — ввод модели; в — сборка формы и задув смеси; г — раскрытие формы; д — извлечение модели; е —сборка и заливка формы