Калин Физическое материаловедение Том 5 2008

ническую обработку. Кроме «традиционных» литейных сплавов: чугуна, стали, бронзы, литье все шире применяют для изготовления изделий из коррозионностойких и жаропрочных сталей, магнитных

идругих сплавов c особыми физическими свойствами.

18.2.2.Технология получения отливок

Внастоящее время существуют более ста различных способов изготовления литейных форм и получения отливок. Около 80 % от всей массы чугунных и стальных отливок получают в песчаноглинистых формах. Этим способом получают как мелкие, так и крупные отливки, литые детали простой и сложной формы не только из чугуна и стали, но также из различных цветных сплавов.

Литейная форма – это система элементов, образующих рабочую полость, при заливке которой расплавленным металлом формируется отливка.

Прогрессивные способы получения отливок в формах, изготовленных из специальных смесей (например, самотвердеющих жидких, пластичных) имеют существенные технико-экономические преимущества по сравнению с литьем в песчано-глинистые формы.

Влитейном производстве широко применяют специальные способы литья: в металлические формы (кокили), центробежное литье, литье под давлением, литье по выплавляемым моделям и др. Специальными способами можно получать отливки высокой точности с минимальными допусками по размерам, с высокой чистотой поверхности. Это сокращает или совсем исключает механическую обработку на металлорежущих станках, дает экономию металла, особенно важную при использовании дорогостоящих и дефицитных сплавов, снижает трудоемкость и стоимость детали.

Вповышении эффективности литейного производства важнейшим направлением является улучшение качества, надежности, точности и чистоты поверхности отливок с максимальным их приближением к готовым деталям, снижение массы литых деталей.

Для изготовления отливок применяют различные приспособления, которые называют литейной оснасткой. В комплект литейной технологической оснастки для изготовления форм из формовочных смесей входят модели, модельные плиты, стержневые ящики и др.

191

Модели – приспособления, при помощи которых в формовочной смеси получают отпечатки полости, соответствующие наружной конфигурации отливок. Отверстия и полости внутри отливок, а также иные сложные контуры образуют при помощи стержней, устанавливаемых в формы при их сборке. Размеры модели делают больше, чем соответствующие размеры отливки, на величину линейной усадки сплава, которая для углеродистой стали составляет 1,8–2 %, а для чугуна 0,8–1,2 %. Если отливки подвергают механической обработке, то в соответствующих размерах модели учитывают размер припусков – слоя металла, удаляемого при механической обработке. Припуск зависит от размеров отливки, вида сплава. Так, для мелкого чугунного литья он составляет 0,7–5 мм на сторону. Модели делают из древесины, металлических сплавов и пластмасс.

Металлические модели чаще всего делают из алюминиевых сплавов. Для уменьшения массы металлические модели обычно делают пустотелыми с ребрами жесткости внутри.

Модели из пластмасс устойчивы к действию влаги при эксплуатации и хранении, не подвергаются короблению, имеют небольшую массу. Перспективным является применение моделей из вспененного полистирола, газифицирующегося при заливке металла в форму. Применение таких неудаляемых из формы моделей упрощает формовку, способствует улучшению качества литья.

Для приготовления смесей для изготовления самой формы и необходимых в ней стержней используют как природные, так и искусственные материалы. Наиболее распространено получение литых деталей в одноразовых формах, изготовленных из песчаноглинистых и других смесей.

Разовая форма пригодна для получения только одной отливки. При выемке (выбивке) готовой детали форму разрушают. Технологический процесс производства отливок в разовые формы включает формовку, т. е. изготовление полуформ и стержней, сборку литейной формы, заливку расплава, обрубку и очистку отливок.

На рис. 18.6 приведена литейная форма для получения втулки 1. Форма состоит из двух полуформ, полученных набивкой (уплотнением) формовочной смеси в металлические рамки – опоки 5, 6. Для изготовления верхней и нижней полуформ используют разъемную модель 2. Отверстие в отливке получают с помощью стержня 4,

192

отдельно изготовленного из стержневой смеси. При сборке формы стержень устанавливают в углубления (гнезда), образованные в форме знаками модели 3. Металл заливают через литниковую систему. Воздух и выделяющиеся газы удаляются через выпор 8. Готовую отливку 9 извлекают из формы, отрезают литники, очищают поверхность от остатков формовочных материалов и направляют на механическую обработку.

Рис. 18.6. Фрагменты отливки детали в разовой форме

Основные сведения об особенностях конструкции и техноло-

гичности отливок. При конструировании литой детали необходимо выбрать, исходя из ее назначения и условий работы, не только форму, размеры сечений, литейный сплав. Важной задачей является обеспечение технологичности отливок, определяющей их экономичность. Одно из основных требований технологичности – простота конфигурации отливки, облегчающая изготовление моделей, форм, выбивку, очистку, последующую обработку детали, возможность механизации и автоматизации литейного производства.

Литейную форму заливают расплавом через литниковую систему. Литниковой системой называют совокупность каналов и резервуаров, по которым расплав поступает из ковша в полость формы. Основными элементами литниковой системы являются литниковая чаша, стояк, шлакоуловитель, питатели. Чаша уменьшает размывающее действие струи расплава и задерживает всплывающий шлак. Для лучшего задержания шлаковых включений в литниковые чаши или другие элементы литниковой системы иногда устанавливают фильтры (например, керамические сетки).

Перспективным способом тонкой очистки металлических расплавов в литниковых системах является фирам-процесс (фильтрационное рафинирование металлов), при котором фильтрующий узел делают из специальной стеклоткани.

193

Получение отливок без усадочных раковин и пористости, которые могут образовываться вследствие уменьшения объема расплава при его затвердевании осуществляется за счет применения прибылей, которые размещают у массивных частей отливки, где усадка проявляется наиболее значительно. В закрытых прибылях, действующих под атмосферным давлением, создаются благоприятные условия для образования выгодно расположенных усадочных раковин и обеспечения плотной структуры отливки. В полость прибыли иногда помещают в специальном патроне заряд газотворного вещества, обычно мел с добавками кокса. Патрон устроен так, что заряд начинает разлагаться после образования на поверхности прибыли тонкой твердой корочки металла. Выделяющиеся газы создают давление, вытесняя жидкий металл в тело отливки.

18.2.3.Литейные сплавы

Всовременной технике используют литые детали из многих сплавов. В настоящее время доля стального литья в общем балансе отливок составляет примерно 23 %, чугунного – 72 %. Отливки из сплавов цветных металлов около 5 %.

Чугун и литейные бронзы являются «традиционными» литейными сплавами. Они не обладают достаточной пластичностью для обработки давлением, изделия из них получают литьем. Вместе с тем для получения отливок широко используют и деформируемые сплавы, например стали. Возможность использования сплава для получения отливок определяется его литейными свойствами.

Основные литейные свойства, определяются составом расплавов (см. п. 16.2.3): жидкотекучесть, усадка, технологические трещины, склонность к ликвации и поглощению газов. Для предупреждения усадки необходимо предусмотреть рациональную литниковую систему и прибыли. Относительная величина усадочной раковины в отливках из стали составляет 3–10 % начального объема сплава, из серого чугуна 1,5–2,5 %.

Химическая неоднородность затвердевшего сплава – ликвация – зависит от химического состава сплава, массы и конфигурации отливки, скорости охлаждения и других технологических факторов.

194

В расплавленном сплаве всегда находятся в растворенном состоянии газы – водород, азот и др. При затвердевании и последующем охлаждении растворимость газов уменьшается и в результате их выделения в теле отливки могут образоваться газовые раковины и поры. Растворимость газов зависит от химического состава сплава, его температуры и других факторов. Для уменьшения газонасыщенности сплавов применяют плавку в вакууме или в среде инертных газов, а также дегазацию вакуумированием в специальных камерах и т. д.

Производство отливок из чугунов. Серый чугун 1 – наиболее распространенный литейный сплав. Высокие литейные свойства этого чугуна позволяют получать самые разнообразные литые детали. Отливки хорошо обрабатываются на металлорежущих станках. Литые детали из серого чугуна в среднем дешевле примерно в 1,5 раза, чем стальные, в несколько раз дешевле отливок из цветных сплавов. Серый чугун с пластинчатым графитом используют главным образом для отливок деталей машин. Он обычно содержит

2,2–3,7 % С, 0,2–1,0 Мn, до 0,3 % Р, до 0,15 % S. Микроструктура чугуна зависит от его химического состава и скорости охлаждения, обратно пропорциональной толщине стенки отливки. Серый чугун имеет высокую жидкотекучесть и малую усадку. Жидкотекучесть повышается с увеличением содержания С, Si, P и понижается с увеличением S. Особо высокую жидкотекучесть имеет чугун для тонкого художественного литья (1,0–1,2 % Р). При перегреве чугуна выше tпл его жидкотекучесть повышается.

Модифицирование2 обеспечивает получение наиболее благоприятной структуры чугунов – с мелкими включениями графита завихренной формы и применяется для получения чугунов марок СЧ25–СЧ45 с перлитной основой. Модифицирование чугунов осуществляют небольшими добавками 75 %-ного ферросилиция, силикокальция и других модификаторов в количестве 0,3–0,6 % от массы чугуна.

Легированные чугуны – хромистые, никелевые и др. применяют для отливок ответственного назначения. Легирование чугунов

1Физическое материаловедение. М.: МИФИ, 2007. Т. 2. П. 5.3.

2Там же, п. 6.2.3.

195

улучшает механические свойства, коррозионную стойкость, износостойкость, жаропрочность и другие свойства. В качестве легирующих элементов применяют Ni, Cr, Мо, Мn, Al, Cu, Ti. Низколегированные чугуны (до 3 % легирующих элементов) получили широкое применение в машиностроении. Более широкое применение находят отливки из высоколегированных чугунов с особыми физическими свойствами, например, кислотостойких (26–36 % Сr), немагнитных (до 12% Мn, до 2% Сu). Эти чугуны дешевле соответствующих сталей и обладают хорошими литейными свойствами.

Производство отливок из стали. Стальные литые детали ши-

роко применяют во всех областях техники. В некоторых отраслях машиностроения стальное литье составляет 40–60 % от массы машин. В энергетическом и тяжелом машиностроении освоено производство таких ответственных изделий, как цельнолитые стальные рабочие колеса гидравлических турбин с массой до 85 т; иногда масса отливок доходит до нескольких сотен тонн.

В настоящее время более 60 % стальных отливок производят из углеродистой стали, около 15 % – из легированной и около 20 % из высоколегированной, в том числе, примерно 15 % из высоколегированной стали.

Литые детали изготавливают из легированных сталей, например, 25ГСЛ, ЗОХГСЛ, коррозионно-стойких (10Х13Л, 10Х18Н9ТЛ и др.), износостойких и других высоколегированных сталей с особыми свойствами.

Выплавку стали проводят в основных и кислых мартеновских печах, электродуговых и индукционных печах. Мартеновские печи применяют в производстве средних и крупных отливок. Для получения более качественных по примесям отливок (ответственных отливок) сталь выплавляют в электрических дуговых печах, а наиболее качественной стали – в индукционных печах.

Литейные свойства сталей значительно хуже, чем у серого чугуна и других сплавов. Жидкотекучесть стали примерно в два раза меньше жидкотекучести чугуна. Она возрастает с увеличением содержания углерода и полноты раскисления стали. Рост содержания серы и повышенная загрязненность тугоплавкими неметаллическими включениями приводят к снижению жидкотекучести. Усадка стали достигает значительных размеров – объемная до 7,5 %, ли-

196

нейная до 2,5 %, т. е. примерно в два раза превышает усадку серого чугуна. Температура стали при заливке наиболее часто составляет 1550–1600 °С. Эти особенности литейных свойств вызывают затруднения в получении стальных отливок.

Повышенная усадка стали может привести к образованию усадочных раковин и пористости, появлению значительных напряжений, короблению отливок, образованию трещин. Для предупреждения образования в отливках усадочных раковин и пористости прибыли должны иметь большой объем, иногда до 50–60 % и более от объема отливок. Наиболее эффективными являются экономичные закрытые прибыли, прибыли, работающие под атмосферным давлением и под давлением газов.

Для уменьшения напряжений формовочная смесь должна иметь повышенную податливость. Для предупреждения образования трещин большое значение имеет конструкция отливок (см. п. 16.1.3) – размер галтелей, наличие плавных переходов от толстых сечений к тонким, ребер жесткости и т. п.

Литниковая система должна обеспечить заполнение формы с учетом пониженной жидкотекучести стали. Протяженность каналов литниковой системы должна быть возможно меньше, сечение питателей делают в полтора – три раза больше, чем для чугунного литья. Для предупреждения окисления применяют формовочные краски, создающие восстановительную атмосферу. В расплавленном состоянии коррозионно-стойкие стали имеют значительную вязкость, что усиливает опасность образования газовых раковин.

Производство отливок из цветных металлов. Производство отливок из сплавов на основе меди (бронзы и латуни) применяют для отливок, которые должны иметь хорошую износостойкость и антифрикционные свойства, высокую коррозионную стойкость в атмосфере, технической и морской воде.

Оловянные бронзы содержат 2–14 % Sn, 4–5 % Zn, 4–20 % Pb, 1–5 % Ni, до 1% P и др. компоненты. Их широко применяют для изготовления арматуры, подшипников, шестерен, втулок, работающих в условиях истирания, повышенного давления воды и пара. Линейная усадка оловянной бронзы менее 1 %, отливки могут быть получены без прибылей, что уменьшает литейные отходы. Из примесей наиболее вредное влияние на свойства бронзы оказывают Bi

197

и Sb. Сотые доли процента этих элементов снижают механические свойства и увеличивают пористость отливок.

Высокооловянистые бронзы с 5–14 % Sn имеют хорошие ли-

тейные свойства, но из-за дефицитности и высокой стоимости олова находят ограниченное применение – только для отливок ответственного назначения. Недостатком высокооловянистых бронз является большой температурный интервал кристаллизации сплавов, что способствует образованию мелкой рассеянной пористости.

Безоловянные бронзы – как правило, многокомпонентные сплавы, механические свойства которых значительно выше, чем оловянных бронз. Кроме того, они имеют достаточно высокие антифрикционные свойства и коррозионную стойкость. Среди сплавов этой группы наиболее широко применяют алюминиевые бронзы, например, для изготовления гребных винтов крупных судов, тяжелонагруженных шестерен и зубчатых колес, корпусов насосов. Механические, технологические и эксплуатационные свойства алюминиевых бронз улучшаются при легировании Fe, Mn, Ni, Al и др. элементами. Эти сплавы имеют несколько меньшую, чем у оловянных бронз, но достаточно высокую жидкотекучесть, более высокую линейную усадку.

Латуни – находят очень широкое применение для изготовления втулок, подшипников, арматуры и многих других деталей в приборо- и машиностроении. Простые латуни – это сплавы меди с цинком – находят ограниченное применение, так как при затвердевании в них образуются концентрированные усадочные раковины, что вызывает необходимость устройства больших прибылей.

Применяемые литейные латуни являются сложнолегированными сплавами, причем алюминий, железо, марганец и другие элементы улучшают их литейные свойства.

В целом считают, что латуни имеют более высокие литейные свойства, чем бронзы. Большинство латуней характеризуется небольшой линейной усадкой: 1,6–1,7 %, малую склонность к образованию газовой пористости, так как хорошо дегазируются при выплавке в результате образования паров цинка. Поэтому из латуней легче получить плотные герметичные отливки.

Выплавку бронз и латуней наиболее часто проводят в электрических дуговых и индукционных печах, реже – в пламенных отражательных печах и тиглях.

198

Производство отливок из алюминиевых сплавов. Алюми-

ниевые сплавы имеют высокие литейные свойства и невысокую температуру плавления (550–650 °С). Их высокая жидкотекучесть обеспечивает получение тонкостенных и сложных по форме отливок. Линейная усадка для большинства сплавов составляет 1,0–1,25 %. Для изготовления отливок в промышленности используют следующие группы алюминиевых сплавов.

Сплавы системы Al–Si (силумины) широко используются в авиационной, автомобильной, приборостроительной, машиностроительной, судостроительной и электротехнической промышленностях (АЛ2, АЛ9 и др.).

Сплавы алюминия с медью и кремнием (АЛ3, АЛ6, АКМ4 и др.)

широко используют в промышленности для изготовления достаточно прочных деталей, сохраняющих постоянство размеров в процессе эксплуатации и имеющих высокую чистоту обработанной поверхности.

Сплавы алюминия с магнием (АЛ8, АЛ13 и др.) обладают малой плотностью, высокой коррозионной стойкостью и прочностью. Их применяют для сильно нагруженных деталей.

Сложнолегированные сплавы алюминия (типа АЛ1), работаю-

щие при повышенных температурах и давлениях, с повышенной стабильностью размеров, применяют для изготовления отливок, а также для изготовления сварных конструкций и деталей, хорошо обрабатывающихся резанием (АЛ11, АЛ21).

Способы отливки деталей зависят от их размеров, сложности конфигурации, массы, требований к металлу по механическим свойствам. В массовом производстве относительно небольших деталей очень широкое распространение получили литье под давлением, отливка в металлические формы, а также другие специальные способы литья.

18.2.4.Специальные способы литья

Всовременном литейном производстве все более широкое применение получают специальные способы литья: в оболочковые формы, по выплавляемым моделям, в металлические формы (кокили), центробежное литье и др. Эти способы позволяют получать

199

отливки повышенной точности, с чистой поверхностью, минимальными допусками на механическую обработку (иногда и без механической обработки). Механизация и автоматизация технологического процесса изготовления отливок обеспечивают хорошее качество отливок, высокую производительность труда, снижают их себестоимость. Каждый специальный способ литья имеет свои особенности, определяющие области применения и экономическую эффективность.

Литье в оболочковые формы. При этом способе детали получают в тонкостенных формах-оболочках, изготовленных из высокопрочных песчано-смоляных смесей. Толщина оболочки для мелкого литья составляет 8–10 мм, для среднего 12–15 мм. Форма состоит из двух оболочковых полуформ, соединенных по вертикальной или по горизонтальной линии разъема путем склеивания или при помощи скоб, струбцин. Для получения внутренних полостей в отливках при сборке формы в нее устанавливают сплошные или полые стержни. Наиболее эффективно изготовление таким способом отливок массой 5–15 кг в условиях крупносерийного и массового производства.

Литье по выплавляемым моделям. Сущность способа состоит в том, что детали получают заливкой в неразъемные, тонкостенные керамические формы, изготовленные с помощью моделей из легкоплавящихся составов.

Преимущества метода: возможность изготовления практически из любых сплавов отливок сложной конфигурации, тонкостенных, с малой шероховатостью поверхности, минимальными припусками на обработку резанием, сокращением отходов металла в стружку; возможность создания сложных конструкций, объединяющих несколько деталей в один узел, что упрощает технологию изготовления машин и приборов; уменьшение расхода формовочных материалов, снижение материалоемкости; улучшение условий труда и уменьшение вредного воздействия литейного производства на окружающую среду.

Наряду с преимуществами способ обладает следующими недостатками: процесс изготовления формы многооперационный, трудоемкий и длительный; большое число технологических факторов, влияющих на качество формы и отливки и, соответственно,

200