Технология конструкционных материалов

логична схеме электрошлакового переплава (см. рис. 10.9, в) и отли­ чается лишь тем, что кристаллизатор повторяет наружную конфигу­ рацию получаемой отливки.

Для начала процесса в форму-кристаллизатор заливают расплав­ ленный шлак и в него погружают нижние концы расходуемых электро­ дов того же состава, что и будущая отливка. Через систему форма — шлак — электрод пропускают ток напряжением 45...60 В и силой око­ ло 20 А на 1 мм диаметра электрода. Влитейной форме одновременно происходит расплавление металла и его рафинирование.

Этот способ обеспечивает получение плотных, однородных по со­ ставу отливок с низким содержанием газов и неметаллических при­ месей. При электрошлаковом литье получаются отливки массой до 300 т, такие как прокатные валки, бандажи цементных печей, колен­ чатые валы судовых двигателей, детали тепловых и атомных электро­ станций и т. д.

14.3.Специальныеметодылитья в разовыеформы

Кэтим методам относятся литье в оболочковые формы, по выплав­ ляемым, газифицируемым и выжигаемым моделям и в керамические формы. Литье в керамические формы занимает промежуточное поло­ жение между литьем в разовые и литьем в постоянные формы, так как

вряде случаев эти формы выдерживают несколько наливов.

14.3.1. Литье в оболочковые формы

При литье в оболочковые формы, полуформы и стержни изготавлива­ ют в виде оболочек толщиной 6...10 мм. В качестве связующего ис­ пользуются горячетвердеющие смолы с высокой удельной прочно­ стью. Технология литья этим способом включает операции приго­ товления плакированной песчано-смоляной смеси, получения по модельной оснастке оболочковых полуформ, сборки форм и их за­ ливки. В качестве связующего обычно используется пульвербакелит — смесь фенолоформальдегидной смолы и 8 % уротропина. Пульверба­ келит относится к термореактивным смолам, нагрев которых свыше 200...250 °С приводит к их полимеризации и необратимому затверде­ ванию.

Плакированную смесь приготавливают горячим и холодным спо­ собами. В первом случае мелкозернистый песок нагревают до 150 °С и смешивают в бегунах со смолой. Последняя, расплавляясь, обвола­ кивает (плакирует) песок тонкой пленкой. После охлаждения до 60 °С

всмесь добавляют уротропин, который придает смоле способность

ктермическому твердению. При холодном плакировании пульвербакелит растворяют в спирте или ацетоне и перемешивают с холодным песком.

Рис. 14.13. Литье в оболочковые формы:

а — деталь; б — нагревание модели; в — установка модели на ящике со сме­ сью; г — выдержка смеси на модели; д — удаление непрогретой смеси; е —уда­ ление корковой полуформы; ж — сборка и заливка формы

Процесс изготовления полуформ, их сборка и заливка показаны на рис. 14.13. Разъемная модель 1вместе с модельной плитой 2 нагрева­ ются в печи до 200...250 °С и устанавливаются на поворотный бун­ кер 3 со смесью песка и пульвербакелита 4. Затем бункер поворачива­ ется на 180° и выдерживается в течение 15...25 с в таком положении. За это время прогревается слой смеси толщиной 6... 10 мм и после по­ ворота бункера в исходное положение на модели остается слой пес­

ка 5, скрепленный расплавленной смолой. Модельную плиту вместе с моделью и полутвердой оболочкой помещают в печь, где она при температуре 300...350 °С необратимо затвердевает в течение 50...60 с. С помощью выталкивателей корочку снимают с модели, в нее уста­ навливают оболочковый или обычный стержень 6, скрепляют струб­ цинами или склеивают со второй оболочковой полуформой. Соб­ ранную форму устанавливают в опоки 7 и в зазор между формой и опокой засыпают песок или чугунную дробь 8. Применение опорного слоя позволяет увеличить жесткость формы, что особенно важно при изготовлении крупных отливок.

Оболочковые стержни изготавливают аналогичным способом. При этом предусматривается нагрев стержневой оснастки газом или с по­ мощью электрических нагревателей. Смесь в ящики может засыпать­ ся или подаваться с помощью пескострельных машин.

В связи с тем что отвердение смеси происходит на модели, а для приготовления смеси используют мелкий песок, литье в оболочковые формы повышает точность отливок и снижает шероховатость их по­ верхности. Этим методом получают отливки массой до 300 кг, имею­ щие тонкие ребра (цилиндры мотоциклов) или повышенные требова­ ния по размерной точности (коленчатые валы). При этом в 9... 10 раз уменьшается расход формовочной смеси и облегчается ее регенера­ ция термической обработкой. К недостаткам метода следует отнести высокую токсичность выделяющихся при горении смолы газов и воз­ можность поверхностного насыщения углеродом отливок из низкоуг­ леродистых и нержавеющих сталей.

14.3.2. Литье по выплавляемым моделям

При литье по выплавляемым моделям форма представляет собой не­ разъемную керамическую огнеупорную оболочку, которая формиру­ ется вокруг разовой неразъемной выплавляемой из оболочки модели. Технология литья по выплавляемым моделям включает следующие операции:

□изготовление разовой модели и модели литниково-питающей системы;

□сборку моделей в единый блок;

□приготовление суспензии из связующего и пылевидного на­ полнителя;

□нанесение на блок моделей огнеупорного покрытия, выплавку модели из оболочки;

□упрочнение оболочки прокаливанием и ее засыпку песком;

□заливку в оболочку металла;

□отделение отливок от стояка и их очистку.

Модели изготавливают из модельной композиции, состоящей из парафина, стеарина и воска. Температура размягчения композиции выше 30 °С, температура плавления — около 50 °С.

Рис. 14.14. Литье по выплавляемым моделям:

а — деталь; б — изготовление блока моделей; в —сборка блоков; г — нанесе­ ние покрытия; д — заливка форм

На рис. 14.14 показана последовательность операций для изго­ товления постоянных магнитов методом литья по выплавляемым моделям. Блок из четырех моделей и объединяющей их втулки изго­ тавливают путем запрессовки пастообразной композиции 3 с помо­ щью шприца 2 в алюминиевую пресс-форму 1. После затвердевания модельной композиции блок 4 извлекают из пресс-формы и собира­ ют, нанизывая на металлический стержень 5. При этом втулки обра­ зуют литниково-питающую систему.

окунают в огнеупорную суспензию и обсыпают песком. Основными компонентами суспензии являются гидролизованный раствор этилсиликата и тугоплавкий наполнитель (молотый кварцевый песок, цирко­ новый концентрат и др.). При высушивании огнеупорной суспензии образуется гель кремниевой кислоты, который связывает частицы на­ полнителя. Процесс нанесения покрытия повторяют несколько раз, в результате чего на поверхности блока моделей образуется оболочка толщиной в несколько миллиметров.

После сушки последнего слоя покрытия модельную композицию выплавляют в горячей воде, а оболочковую форму 6 устанавливают в опоке 7 и обсыпают песком 8. Перед заливкой форму прокаливают при температуре 800... 1100 °С.

После охлаждения отливки извлекают из формы и подают на виб­ рационные установки с целью удаления огнеупорного покрытия с на­ ружных поверхностей отливок и их отделения от стояка. Из внутрен­ них полостей керамика выщелачивается в расплавах щелочей при 500 °С. Отсутствие разъема формы обеспечивает высокую размерную точность отливок, а мелкозернистое огнеупорное покрытие керами­ ческой оболочки — высокую чистоту поверхности. Заливка в горячую форму позволяет получать отливки массой от нескольких граммов до десятков килограммов с толщиной стенки от 0,5 до 5 мм.

Литье по выплавляемым моделям широко применяется для про­ изводства мелких сложных отливок в приборо-, автомобиле- и трак­ торостроении. Этим способом получают отливки из труднообра­ батываемых сплавов (лопатки турбин, колеса насосов, постоянные магниты и др.).

Себестоимость полученного литья в 3... 10 раз выше, чем отливок, полученных в песчано-глинистые формы, но высокое качество и минимальная механическая обработка обеспечивают его рентабель­ ность в массовом и крупносерийном производстве.

14.3.3. Литье по газифицируемым моделям

Литье по газифицируемым моделям по многим параметрам напомина­ ет литье по выплавляемым моделям и характеризуется тем, что мо­ дель, изготовленную из вспенивающихся полимеров (полистирола), не извлекают перед заливкой металла из формы. Расплавленный ме­

талл заливается непосредственно на модель, выжигая (газифицируя) ее и высвобождая полость для отливки. Схема технологического про­ цесса получения отливок этим методом приведена на рис. 14.15.

Рис. 14.15. Литье по газифицируемым моделям:

а — подвспенивание гранул полистирола; б — заполнение пресс-форм; в — вспенивание и спекание гранул; г —извлечение модели; д —формовка моде­ лей; е — заливка форм

На первом этапе технологического процесса гранулы полистиро­ ла 1 (размером 0,2...4 мм) загружают на поддоны 2 и в закрытых емко­ стях 3 нагревают паром до температуры 80 °С. В результате нагрева размер гранул увеличивается до 1...15 мм. После сортировки подвспененные гранулы воздухом задувают в разъемные алюминиевые пресс-формы 4, которые устанавливают в автоклавы 5 и под давлени­ ем 0,2 МПа нагревают до температуры более 100 °С. В результате та­ кой обработки полистирол вспенивается и спекается, образуя модели. Модели 6 извлекают из пресс-формы и после сушки и склеивания покрывают огнеупорной обмазкой, состоящей из этилсиликата и наполнителя — молотого кварцевого песка. Иногда на первый слой покрытия наносят второй, после чего приступают к формовке. Опо­

ки 7 выполняют в виде двух стенок с зазором между ними. При этом внутренняя стенка имеет отверстия для выхода газов, образующихся при заливке формы. Формовку осуществляют засыпкой сухого пес­ ка (?, уплотнение которого достигается вибрацией опоки.

В единичном и мелкосерийном производствах модели для крупных отливок изготавливают из плит и блоков пенополистирола, склеивая или сваривая их между собой. Модели перед формовкой покрывают слоем противопригарной краски толщиной около 0,2 мм. В качестве формовочной смеси можно кроме песка использовать сыпучий ферро­ магнитный порошок или чугунную дробь. В последнем случае уплот­ нение осуществляют при помощи электромагнитного поля, которое не снимают и во время заливки и кристаллизации металла отливки.

Литниковую систему частично выполняют из полистирола (лит­ ники, питатели), а частично из керамических трубок (стояки). Под­ вод металла во всех случаях осуществляют сифонным методом, чтобы металл в полости формы поднимался снизу вверх, обеспечивая спо­ койное поступление расплава и постепенную газификацию модели.

14.3.4. Литье в керамические формы

Керамические формы могут быть отнесены к разряду полупостоянных, так как в отдельных случаях они выдерживают до 10 наливов. Это наблюдается в случае получения отливок простой конфигурации из алюминиевых сплавов и с невысокими требованиями по размер­ ной точности. Для сложных отливок из черных сплавов эти формы яв­ ляются разовыми.

Технологический процесс производства отливок в керамические формы разбивается на следующие стадии:

□изготовление опорного слоя по промодели;

□приготовление суспензии;

□заливка суспензии в зазор между моделью и опорным слоем;

□отвердевание суспензии;

□извлечение модели из формы и ее обжиг.

Схематически эта последовательность представлена на рис. 14.16. По чертежу отливки изготавливают модель и промодель, размеры ко­ торой несколько больше, чем размеры модели. Если опорный слой изготавливают из чугуна, то необходимость в промодели отпадает. Промодель 1 устанавливают на плиту и накрывают опокой 2. Затем в опоку засыпают смесь, состоящую из 60...70 % шамотной крошки,

до 36 % песка, до 3,5 % вспученного перлита, до 8,5 % цемента и до 1 % 10%-ного раствора NaOH. Затвердевая, эта смесь образует опор­ ный слой 3. Затем опоку снимают вместе с опорным слоем и устанав­ ливают ее на модель 4. В зазор между моделью и опорным слоем зали­ вают суспензию 5. После ее затвердевания модель удаляют из формы, которую прокаливают при температуре 800...900 °С.

Рис. 14.16. Литье в керамические формы:

а — промодель; 6 —получение опорного слоя; в —установка модели; г — за­ ливка суспензии; д —извлечение модели; е — прокалка формы

Суспензия состоит из гидролизованного раствора этилсиликата (40...50 % этилсиликата, 15...50 % спирта, 4...8 % подкисленной воды) и огнеупорного наполнителя (силлиманит, глинозем, мулит, циркон, кварц, полевой шпат, оксид магния). Ее тщательно перемешивают в быстровращающихся мешалках и после добавления катализатора (соляной кислоты, смеси оксида магния и аминов, диэтилметиламина, раствора ацетата аммония и др.), ускоряющего процесс гелеобразования, заливают в зазор между моделью и опорным слоем.

Применять керамические формы целесообразно для получения сложных точных отливок из труднообрабатываемых сталей и сплавов. Наибольшее распространение этот метод получил при изготовлении литой литейной оснастки и производстве штампов, а также в ювелир­ ной промышленности. Масса отливок может быть различной — от де­ сятков граммов до тонн.

Раздел

I \ # Обработка металлов I V давлением

Глава 15

О С Н О В Ы Т Е О Р И И О Б Р А Б О Т К И М Е Т А Л Л О В

ДА В Л Е Н И Е М

15.1.Деформация

Обработкой металлов давлением (ОМД) называют группу технологи­ ческих процессов, в результате которых под влиянием приложенных внешних сил происходит изменение формы заготовок без нарушения их сплошности.

Основной задачей всех видов обработки давлением является при­ дание металлу желаемой формы посредством процесса пластической деформации. В результате пластической деформации изменяются не только форма и размеры заготовки, но и структура и свойства исход­ ного металла.

В промышленности применяют шесть основных видов обработ­ ки давлением: прокатку, прессование, волочение, ковку, объемную штамповку и листовую штамповку. Схемы этих видов приведены на рис. 15.1.

При обработке металлов давлением в заготовке под действием внешних сил возникают напряжения. Если они невелики, происхо­ дит упругая деформация, при которой атомы металла смещаются от положений устойчивого равновесия на очень малые расстояния, не превышающие межатомные. После снятия нагрузки атомы вследст­ вие межатомного взаимодействия возвращаются в исходные поло­