Posobie_TKM

жит около 0,4% С и около 1% Mn; «Ш» – шарикоподшипниковые стали (ГОСТ 801-78), например, сталь ШХ15 содержит около 1% С и около 1,5% Cr; «Р» – быстрорежущие стали (ГОСТ 19265-73), например, сталь Р6М5 содержит около 1% С, около 6% W и около 5% Mo; «Э» – электротехнические стали (ГОСТ 21427.1- 83) – например, сталь марки 3413.

1.4.3. Цветные металлы и сплавы на их основе

Алюминий и сплавы на его основе

Алюминиевые сплавы разделяют на деформируемые (ГОСТ 4784-97) и литейные (ГОСТ 1583-93); неупрочняемые и упрочняемые термической обработкой:

–сплавы системы Al-Mn – например, сплав АМц содержит около 1% Mn;

–сплавы системы Al-Mg – например, сплав AМг4 содержит около 4% Mg;

–сплавы системы Al-Cu-Mg (дуралюмины) – например, сплав Д16 содержит около 4% Сu и около 1,5% Mg;

–сплавы системы Al-Si (силумины) – например, сплав АК12 содержит около

12% Si.

Магний и сплавы на его основе

Магний в чистом виде в основном выпускается следующих марок: Мг96 (99,96% Mg) и Мг95 (99,85% Mg). Магниевые сплавы разделяют на деформируемые (ГОСТ 14957-76) и литейные (ГОСТ 2856-79):

–сплавы Mg-Al – например, сплав МА5 содержит около 8% Al;

–сплавы Mg-Al-Zn – например, сплав МЛ3 содержит около 3% Al, около 1% Zn и

до 0,5% Mn.

Медь и сплавы на ее основе

Медь в чистом виде в основном выпускается следующих марок: М0

(99,97% Cu), М1 (99,9% Cu), М2 (99,7% Cu), М3 (99,5% Cu) и М4 (99% Cu).

Сплавы на основе меди разделяют на бронзы и латуни.

Бронза – сплав меди с оловом (от 4% до 33% Sn), свинцом (до 30% Pb), алюминием (от 5 до 11% Al), кремнием (до 5% Si). Может добавляться железо (до 6% Fe), никель (до 6% Ni). Бронзы разделяют:

–безоловянные бронзы (ГОСТ 493-79) – сплав Cu-Al-(Pb)-Fe-Ni – например, сплав БрА9Ж3 содержит около 9% Al и около 3% Fe; сплав БрА11Ж6Н6 содержит около 11% Al, около 6% Fe и около 6% Ni; сплав БрС30 содержит около

30% Pb;

–оловянные бронзы (ГОСТ 613-79) – сплав Cu-Sn-Zn-Pb – например, сплав БрО3Ц12С5 содержит около 3% Sn, около 12% Zn и около 5% Pb; сплав БрО10С10 содержит около 10% Sn и около 10% Pb.

Латунь – сплав меди с цинком (до 50% Zn). Возможны небольшие добавки Al, Ni, Mn. Например, латунь ЛЦ40Мц2 содержит 40% Zn, 2% Mn, остальное – медь.

41

ГЛАВА 2. ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Литейное производство – отрасль машиностроения, направленная на получение металлических изделий (отливок) путем заливки расплавленного материала в литейную форму. Литейная форма представляет собой систему элементов, образующих рабочую полость, при заливке которой жидким металлом формируется отливка. После кристаллизации металла отливку удаляют из литейной формы и отправляют на последующую обработку.

Литье является одним из наиболее распространенных методов формообразования. Литейное производство позволяет получать изделия с высокими эксплуатационными свойствами. Отливки надежно работают в различных узлах и агрегатах машин и конструкций различного назначения (машиностроение, судостроение, автомобильная и авиационная промышленности, детали бытового оборудования, художественные и ювелирные изделия и т.д.). Преимуществами литья являются изготовление заготовок с наибольшими коэффициентами использования металла и весовой точности, изготовление отливок практически неограниченных габаритов и массы (от нескольких граммов до сотен тонн), получение заготовок из сплавов, неподдающихся пластической деформации и трудно обрабатываемых резанием.

В настоящее время для изготовления отливок применяют различные материалы: чугун, сталь, медные, алюминиевые, магниевые, цинковые, свинцовые, оловянные и никелевые сплавы. Выбор литейного сплава определяется механическими, физическими, химическими, литейными и иными эксплуатационными свойствами, а также стоимостью материала. Для изготовления отливок применяют множество методов литья, и применение того или иного способа определяется серийностью выпуска, требованиям к геометрической точности и шероховатости отливок, экономической целесообразностью и др.

2.1. Классификация литых заготовок

По условиям эксплуатации различают отливки общего, ответственного и особо ответственного назначения. В зависимости от условий работы литых деталей и вида контроля стальные отливки в соответствии с требованиями ГОСТ 977-88 «Отливки стальные. Общие технические условия» разделяют на три группы сложности, отличающиеся объемом обязательных контрольных испытаний и проверок.

К первой группе отнесены отливки для деталей общего назначения, не рассчитываемых на прочность. Конфигурация и размеры отливок определяются только конструктивными и технологическими соображениями. Их контроль осуществляется по результатам внешнего осмотра и обмера в соответствии с чертежом, а также проверкой химического состава материала.

Отливки второй группы предназначены для изготовления деталей ответственного назначения, рассчитываемых на прочность и работающих при статиче-

42

ских нагрузках. Они контролируются испытаниями на растяжение, а предел текучести и относительное сужение являются сдаточными характеристиками.

К третьей группе относятся отливки особо ответственного назначения, рассчитываемые на прочность и подвергающиеся циклическим и динамическим нагрузкам. Их контроль осуществляется теми же испытаниями, какими испытывают детали второй группы сложности, с добавлением испытания на ударную вязкость при нормальной температуре. Показатель ударной вязкости включен в число сдаточных характеристик.

В зависимости от способа изготовления, массы, конфигурации поверхностей, габаритных размеров, толщины стенок, количества стержней, назначения и особых технических требований отливки делят на 6 групп сложности.

Первая группа сложности – простые отливки – характеризуются гладкими и прямолинейными наружными поверхностями. Отливки преимущественно плоскостные, круглые или полусферические. Наружные поверхности гладкие и прямолинейные с наличием невысоких ребер, бобышек, отверстий, выступов и углублений. Внутренние поверхности гладкие, без выступов и углублений. Типовые отливки: крышки, рукоятки, вилки, рычаги, диски и др.

Вторая группа сложности – несложные отливки – характеризуется сочетанием плоских, цилиндрических и криволинейных поверхностей с наличием на наружных поверхностях криволинейных ребер, буртиков, кронштейнов, фланцев, с отверстиями и углублениями простой конфигурации со свободными выходами наружу. Типовые отливки: маховики со спицами, зубчатые колеса, буксы, корпуса редукторов и др.

Третья группа сложности – отливки средней сложности. Отливки открытой коробчатой, сферической, полусферической, цилиндрической и другой формы. Наружные поверхности криволинейные и прямолинейные с нависающими частями ребер, кронштейнов, бобышек, фланцев с отверстиями и углублениями сравнительно сложной конфигурации. Значительные части поверхности могут выполняться стержнями. Типовые отливки: блоки с литой канавкой, матрицы, звездочки, шестерни и зубчатые колеса с литыми и нарезными зубьями, корпуса редукторов массой свыше 500 кг и др.

Четвертая группа сложности – сложные ответственные отливки. Отливки закрытой и частично открытой коробчатой или цилиндрической формы. Наружные и внутренние поверхности имеют сложную конфигурацию с большим количеством выступов, углублений, перемычек, бобышек. Многие части поверхностей выполняются стержнями. Типовые отливки: столы, корпуса металлорежущих станков, станины и траверсы прессов и молотов, корпуса насосов и др.

Пятая группа сложности – особо сложные, особо ответственные отливки. Отливки сложной конфигурации закрытых коробчатых форм с криволинейными поверхностями, пересекающимися под различными углами с выемками, выступами, расположенными в два и более яруса, с затрудненным выходом внутренних полостей. Типовые отливки: передние бабки и усложненные станины металлорежущих станков, станины молотов, сложные корпуса центробежных насосов и др.

43

Шестая группа сложности характеризуется отливками с особо сложными закрытыми коробчатыми и цилиндрическими формами. На наружных криволинейных поверхностях под различными углами пересекаются ребра, кронштейны, фланцы, внутренние полости имеют особо сложные конфигурации с затрудненными выходами на поверхность отливки. Типовые отливки: станины специальных металлорежущих станков, сложные корпуса насосов, рабочие колеса гидротурбин и другие уникальные отливки.

ГОСТ Р 53464-2009 «Отливки из металлов и сплавов. Допуски размеров, массы и припуски на механическую обработку» устанавливает 22 класса точности отливок в зависимости от способа изготовления, габаритных размеров и типа сплавов. По точности размеров отливки, полученные различными способами литья, классифицируют на 16 основных и 6 дополнительных (с индексом «Т») классов. Классам соответствуют предельные отклонения размеров и масс отливок с учетом их номинальных значений, а также припуски на механическую обработку. Допуски размеров и масс отливок возрастают по мере увеличения номера класса.

2.2. Литейные свойства сплавов

Наиболее важными показателями технологических (литейных) свойств являются жидкотекучесть, ликвация, усадка (линейная и объемная), склонность к образованию трещин, склонность к поглощению газов и образованию газовых раковин и пористости в отливках и др.

Жидкотекучесть – это способность сплавов течь в расплавленном состоянии по каналам литейной формы, заполнять ее полости и четко воспроизводить контуры отливки.

Жидкотекучесть литейных сплавов зависит от различных факторов: химического состава, температурного интервала кристаллизации, вязкости и поверхностного натяжения расплава, температуры заливки и формы, а также свойств литейной формы и т.д.

Чистые металлы и сплавы, затвердевающие при постоянной температуре (эвтектические сплавы), обладают лучшей жидкотекучестью, чем сплавы, образующие твердые растворы и затвердевающие в интервале температур. Чем выше вязкость и поверхностное натяжение расплава, тем меньше жидкотекучесть. Фосфор, кремний и углерод улучшают ее, а сера ухудшает. С повышением температуры заливки расплавленного металла и температуры формы жидкотекучесть улучшается. Увеличение теплопроводности материала литейной формы снижает жидкотекучесть.

При хорошей жидкотекучести металл заполняет всю полость формы, а при недостаточной – образует недоливы в тонких сечениях отливки.

Жидкотекучесть литейных сплавов определяют с помощью различных методов и технологических проб. Технологические пробы на жидкотекучесть – это литейные формы с полостью в виде каналов, заполнение которых жидким металлом характеризует его жидкотекучесть. Из разнообразных конструкций техноло-

44

гических проб наибольшее распространение получила проба спиральной формы (рис. 2.1) – спираль Керри. Жидкотекучесть определяют по пути, пройденному жидким металлом до затвердевания, т.е. по длине прутка. Небольшие выступы, нанесенные через 50 мм, облегчают измерение длины спирали (прутка). Спиральный канал позволяет получить длинные прутки в сравнительно небольших формах.

Рис. 2.1. Технологическая спиральная проба (спираль Керри):

1 – чаша; 2 – стояк; 3 – металлоприемник; 4 – спиральный канал; 5 – выступы

Ликвация – неоднородность химического состава, возникающая при кристаллизации сплавов – обусловлена тем, что сплавы кристаллизуются в интервале температур. При этом состав кристаллов, образующихся в начале затвердевания, может существенно отличаться от состава последних капель кристаллизующегося раствора. Чем шире температурный интервал кристаллизации, тем сильнее развивается ликвация, причем наибольшую склонность к ней проявляют те компоненты сплава, которые наиболее сильно влияют на ширину интервала кристаллизации (для стали – S, O2, P, C). Различают дендритную и зональную ликвацию.

Дендритная ликвация проявляется в микрообъемах сплава, близких к размеру зерна, и причиной ее является избирательный процесс кристаллизации. Первичные оси дендрита содержат повышенную концентрацию тугоплавких компонентов, а в межосевых пространствах кристаллизуются легкоплавкие компоненты, что приводит к неодинаковости механических свойств. Дендритная ликвация устраняется путем высокотемпературного отжига.

Зональная ликвация наблюдается во всем объеме отливки вследствие различия температуры кристаллизации отдельных компонентов или их плотности. Например, в свинцовой бронзе БрС30 свинец, имеющий более высокую плотность (11,34 г/см3) по сравнению с медью (8,93 г/см3), при медленном охлаждении осаждается в нижней части отливки. Зональную ликвацию в сталях вызывает температурный фактор. В осевых сечениях отливки наблюдается повышенная

45

концентрации C, S и P. Зональную ликвацию можно только предупредить. Для уменьшения зональной ликвации необходимо обеспечить выравнивание скоростей охлаждения отдельных частей отливки за счет осуществления рассредоточенного подвода металла; создавать условия направленной кристаллизации и увеличивать скорость охлаждения отливки, применяя, при необходимости, холодильники.

Усадка – свойство литейных сплавов уменьшать объем при затвердевании и охлаждении. Различают линейную и объемную усадку.

Линейная усадка – уменьшение линейных размеров отливки при ее охлаждении от температуры, при которой образуется прочная корка, способная противостоять давлению расплавленного металла, до температуры окружающей среды.

Линейная усадка определяется соотношением, %:

εлин = [(lф - lот)/lот]·100 %,

где lф и lот – размеры полости формы и отливки при температуре 20 °С.

На линейную усадку влияют химический состав сплава, температура его заливки, скорость охлаждения сплава в форме, конструкция отливки и литейной формы. Так, усадка серого чугуна уменьшается с увеличением содержания углерода и кремния, аналогичное влияние оказывает кремний на усадку алюминиевых сплавов. Снижение температуры заливки уменьшает усадку отливок. Увеличение скорости отвода теплоты от залитого в форму сплава приводит к возрастанию усадки отливки. Линейная усадка составляет: для серого чугуна – 0,9…1,5%, для углеродистых сталей –2…2,4%, для алюминиевых сплавов – 0,9…1,5%, для медных сплавов – 1,4…2,3%.

Объемная усадка – уменьшение объема сплава при его охлаждении в литейной форме при формировании отливки. Объемную усадку определяют соотношением, %:

εоб = [(Vф - Vот)/Vот]·100 %,

где Vф и Vот – объем полости формы и объем отливки при температуре 20 °С. Объемная усадка приблизительно равна утроенной линейной усадке. Усадка в отливках проявляется в виде усадочных раковин, пористости,

трещин и короблений. Усадочные раковины – сравнительно крупные полости, расположенные в местах отливки, затвердевающих в последнюю очередь. Сосредоточенные крупные усадочные раковины образуются при изготовлении отливок из чистых металлов, сплавов эвтектического состава (силумины) и сплавов с узким интервалом кристаллизации (низкоуглеродистые стали, безоловянистые бронзы).

Усадочная пористость – скопление пустот, образовавшихся в отливке в обширной зоне в результате усадки в тех местах отливки, которые затвердевали последними без доступа к ним расплавленного металла. Усадочная пористость располагается по границам зерен металла. Получить отливки без усадочных раковин и пористости возможно за счет непрерывного подвода расплавленного металла в процессе кристаллизации вплоть до полного затвердевания. С этой целью

46

на отливки устанавливают прибыли – резервуары с расплавленным металлом, которые обеспечивают доступ расплавленного металла к участкам отливки, затвердевающим последними.

Склонность к образованию трещин. В результате неравномерного затвердевания в отливках тонких и толстых частей и торможения усадки формой при охлаждении возникают внутренние напряжения. Эти напряжения тем выше, чем меньше податливость формы и стержней. Если величина внутренних напряжений превысит предел прочности сплава в данном участке отливки, то в теле ее образуются горячие или холодные трещины.

Горячие трещины – обычно хорошо видимые разрывы поверхности отливки, распространяющиеся по границам кристаллов и имеющие неровную окисленную поверхность, на которой при увеличении видны дендриты. Образуются вследствие усадки при застывании расплава в формах. Характерными признаками горячих трещин являются их неровные (рваные) края и значительная ширина.

Холодные трещины – очень тонкие разрывы поверхности отливки, имеющие обычно чистую, светлую с цветами побежалости зернистую поверхность. Образуются из-за внутренних напряжений или механического воздействия при температуре ниже температуры свечения отливки. В отличие от горячих трещин холодные распространяются по зернам, а не по их границам, располагаются они преимущественно в острых углах и других местах концентрации напряжений.

Холодные трещины чаще всего образуются в тонкостенных отливках сложной конфигурации и тем больше, чем выше упругие свойства сплава, чем значительнее его усадка при пониженных температурах и чем ниже его теплопроводность. Опасность образования холодных трещин в отливках усиливается наличием в сплаве вредных примесей (например, фосфора в сталях). Для предупреждения образования в отливках трещин необходимо обеспечивать равномерное охлаждение отливок во всех сечениях путем использования холодильников; применять сплавы для отливок с высокой пластичностью; проводить отжиг отливок и т.п.

Под влиянием внутренних напряжений, возникающих при охлаждении, происходит изменение формы и размеров отливки (коробление отливок). Коробление увеличивается при усложнении конфигурации отливки и повышением скорости охлаждения, которая вызывает неравномерное охлаждение отдельных частей отливки и различную усадку. Коробление отливки может быть также вызвано сопротивлением формы усадке отдельных частей отливки. Для предупреждения коробления в отливках необходимо увеличивать податливость формы; создавать рациональную конструкцию отливки и т.д.

Склонность к газопоглощению. В расплавленном состоянии металлы и сплавы способны активно поглощать значительное количество газов из окружающей среды, при заливке металла в форму и т.д. При избыточном содержании газы выделяются из расплава в виде газовых пузырей, которые могут всплывать на поверхность или оставаться в отливке, образуя газовые раковины, пористость или неметаллические включения, снижающие механические свойства и герме-

47

тичность отливок. Для уменьшения газовых раковин и пористости в отливках плавку ведут под слоем флюса, в среде защитных газов с использованием хорошо просушенных шихтовых материалов. Перед заливкой расплавленный металл необходимо подвергать дегазации вакуумированием, продувкой инертными газами, увеличивать газопроницаемость литейных форм и стержней, снижать влажность формовочной смеси, подсушивать формы и т.д.

2.3. Технологичность литых деталей

Под технологичностью литой детали понимают ее конструктивные особенности, при которых максимально обеспечиваются требования литейной технологии и технологии механической обработки с минимальными затратами. Конструкция отливки должна отвечать следующим требованиям: обеспечить минимальное число поверхностей разъема модели и формы; исключить отъемные части и сократить число стержней; стенки отливки должны быть без резких переходов от тонких сечений к толстым.

Возможность использования одной плоскости разъема определяют по правилу световых теней: теневые участки при воображаемом освещении детали параллельными лучами в направлении, перпендикулярном к плоскости разъема формы, должны отсутствовать (рис. 2.2).

Наличие большого числа стержней приводит к увеличению трудоемкости изготовления отливки, появлению брака вследствие перекоса и искажения размеров внутренних полостей в результате неточностей при установке стержня.

Рис. 2.2. Конструкции отливки:

а – нетехнологичная конструкция; б – технологичная

2.4. Способы получения отливок

Способы получения отливок зависят от их массы, габаритов и предъявляемым к ним требованиям (сложность и точность поверхностей, чистота поверхностей, механические свойства, требуемая микроструктура), серийности производства, вида сплава и его свойств.

48

Для изготовления отливок служит литейная форма, которая представляет собой систему элементов, образующих рабочую полость, при заливке которой расплавленным металлом формируется отливка.

Литейные формы изготовляют как из неметаллических материалов (песчаные формы, формы изготовляемые по выплавляемым моделям, оболочковые формы) для одноразового использования, так и из металлов (кокили, изложницы для центробежного литья) для многократного использования. Наиболее распространенными способами литья являются литье в песчано-глинистые разовые формы и специальные способы литья.

2.4.1. Область применения и краткая характеристика способов литья

Литье в песчано-глинистые формы применяется для любых типов производств, являясь наиболее универсальным способом изготовления отливок практически из любых сплавов массой от 0,2 кг до десятков тонн. Недостатком является большой расход формовочных материалов, трудоемкость изготовления форм.

Литье в кокиль применяется для изготовления в массовом и крупносерийном производстве разнообразных несложных по конфигурации отливок массой до 5 т. Изготавливаются детали из чугуна, сталей и цветных металлов. Отливки имеют более высокую точность, низкую шероховатость, повышенные механические характеристики. Имеется возможность многоразового использования кокиля, однако существенно возрастает сложность и себестоимость его изготовления.

Литье под давлением применяется для изготовления в массовом и крупносерийном производстве сложных по конфигурации отливок массой до 50 кг из сталей и цветных металлов. Отливки имеют высокую точность, низкую шероховатость, имеется возможность получения тонкостенных отливок. Способ характеризуется высокой производительностью, хорошей возможностью автоматизации, возможностью многоразового использования форм, но отличается высокой стоимостью и трудоемкостью изготовления форм.

Литье в оболочковые формы применяется для изготовления в массовом и крупносерийном производстве сложных по конфигурации отливок массой до 100 кг практических из всех сталей и цветных металлов. Отливки имеют высокую точность, позволяющую использовать их практически без дальнейшей механической обработки, низкую шероховатость, имеется возможность получения тонкостенных отливок. Способ характеризуется высокой производительностью, возможностью автоматизации, но отличается одноразовым использованием форм, высокой трудоемкостью изготовления форм.

Литье по выплавляемым моделям применяется для изготовления в массовом и крупносерийном производстве сложных по конфигурации отливок (с внутрениими полостями и т.п.) массой от 0,02 до 100 кг практических из всех сплавов. Может применяться в мелкосерийном производстве в случаях, когда отливка не может быть получена другими способами. Отливки имеют минимальные при-

49

пуски на механическую обработку. Способ отличается одноразовым использованием форм и сложной технологией их изготовления.

2.4.2. Литье в песчано-глинистые формы

Сущность литья в песчано-глинистые формы

Литье в песчаные формы является самым распространенным способом изготовления отливок. Изготавливают отливки из чугуна, стали, цветных металлов от нескольких грамм до сотен тонн, с толщиной стенки от 3…5 до 1000 мм и длиной до 10000 мм.

Схема технологического процесса изготовления отливок в песчаных формах представлена на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Схема технологического процесса изготовления отливок в песчаных формах

Сущность литья в песчаные формы заключается в получении отливок из расплавленного металла, затвердевшего в формах, которые изготовлены из формовочных смесей путем уплотнения с использованием модельного комплекта.

Литейная форма для получения отливок в песчаных формах представлена на рис. 2.4.

Литейная форма обычно состоит из верхней 1 и нижней 2 полуформ, которые изготавливаются в опоках 7 и 8 (приспособлениях для удержания формовочной смеси – металлических «ящиках» без верха и дна). Манипуляции с опоками осуществляются при помощи ручек 11. Полуформы ориентируют с помощью штырей 10, которые вставляют в специальные отверстия. Для образования полостей отверстий или иных сложных контуров в формы устанавливают литейные стержни 3, которые фиксируют посредством выступов, входящих в соответствующие впадины формы (знаки).

50