Аксенов А. А. Технология конструкционных материалов

30

стью, однако оксидные пленки, образующие легкоплавкие жидкие фазы, наоборот, положительно влияют на жидкотекучесть.

Усадка – свойство литейных сплавов уменьшать объем при затвердевании и охлаждении. Различают линейную, объемную и литейную усадку, выражаемые в процентах и определяемые по формулам:

εлин = (Aфор −Aотл ) 100Aотл ;

εоб = (Vфор −Vотл ) 100Vотл ≈ 3εлин ; εлит = (Aмод −Aотл ) 100Aотл .

На линейную усадку влияют химический состав сплава, температура его заливки, скорость охлаждения сплава в форме, конструкция отливки и литейной формы. При охлаждении отливки происходит механическое (вследствие трения между отливкой и формой) и термическое (обусловлено различными скоростями охлаждения различных участков отливки) торможения усадки. Линейная усадка для серого чугуна составляет 0,9…1,3 %, для углеродистых сталей – 2…2,4 %, для алюминиевых сплавов – 0,9…1,5 %, для медных – 1,4…2,3 %. Литейная усадка отличается от линейной тем, что она зависит не только от свойств сплава, но и от конструкции отливки. Усадка в отливках проявляется в виде усадочных раковин, пористости, трещин и короблений.

Усадочные раковины – сравнительно крупные полости, расположенные в местах отливки, затвердевающих последними. Усадочная пористость – скопление пустот, образовавшихся в отливке в обширной зоне в результате усадки. Получить отливки без усадочных раковин и пористости можно за счет непрерывного подвода расплавленного металла в процессе кристаллизации вплоть до полного затвердевания. С этой целью на отливки устанавливают прибыли –– резервуары с расплавленным металлом (обеспечивают доступ расплавленного металла к участкам отливки, затвердевающими последними) или внутренние холодильники (выравнивают скорости затвердевания массивной и тонкой частей отливки). Внутренние холодильники изготавливают из того же сплава, что и

31

отливки. При заполнении формы они частично расплавляются и соединяются с основным металлом.

Ликвация – неоднородность (химического и структурного) состава сплава в различных частях отливки. Она возникает в процессе затвердевания отливки из-за различной растворимости отдельных компонентов сплава в его твердой и жидкой фазах. В сталях и чугунах заметно ликвируют сера, фосфор и углерод. Различают дендритную и зональную ликвации. Дендритная ликвация – неоднородность химического состава в микрообъемах сплава в пределах одного зерна (дендрита). Ее устраняют отжигом. Зональная ликвация – неоднородность химического состава в макрообъемах с градиентом концентраций в отливке в целом или в отдельных ее частях.

Газонасыщение – способность жидкого сплава активно поглощать водород, кислород, азот и другие газы из воздуха при заливке металла в форму. С увеличением температуры жидкого сплава растворимость газов увеличивается. При кристаллизации избыточное количество газов выделяется из сплава и образуются газовые раковины, что снижает механические свойства отливок.

Внутренние напряжения возникают за счет усадки и неравномерного охлаждения разнотолщинных частей отливки. С увеличением прочности формы они возрастают. Остывшие наружные слои отливки затрудняют усадку горячих внутренних слоев, поэтому внутренние слои будут пластически растянуты, а наружные сжаты, что приводит к возникновению внутренних напряжений. Внутренние напряжения приводят к различным видам брака: коробление отлив-

ки (σВ >σлит.напр. >σпред.тек. ) и образование трещин (σлит.напр. >σВ ). Для уменьше-

ния коробления необходимо увеличить податливость формы, создать рациональную конструкцию отливки.

Горячие трещины образуются от усадки при температуре кристаллизации сплава. Склонность к горячим трещинам появляется при наличии неметаллических включений, газов, серы. Для их уменьшения необходимо уменьшать температуру заливки металла и увеличивать податливость формы.

33

сталей, чугунов и сплавов цветных металлов. Сущность литья в песчаные формы заключается в изготовлении отливок свободной заливкой расплавленного металла в разовую (разъемную и толстостенную) литейную форму, изготовленную из формовочной смеси по многократно используемым модельным комплектам, с последующим затвердеванием залитого металла, охлаждением отливки в форме, извлечением ее из формы с последующей отделкой.

Для изготовления литейных форм используются модельный комплект, формовочные и стержневые смеси и другие материалы и оборудование.

Модельный комплект – это совокупность технологической оснастки и приспособлений, необходимых для образования в форме полости, соответствующей контурам отливки. В модельный комплект включают модели, модельные плиты, стержневые ящики и другие приспособления.

Опоки – рамки для удержания и сохранения песчаной формы от разрушения во время сборки, транспортировки и заливки (чаще всего рамки прямоугольной формы).

Модель бывает разъемной и неразъемной в зависимости от способа формовки. Для получения заданных размеров отливки размеры модели увеличивают на величину линейной усадки заливаемого сплава. Для получения внутренних отверстий в отливке модель имеет выступающие части (знаки), в которых стержень устанавливается в форме.

Стержень – элемент литейной формы для образования отверстия или полости в отливке. Стержни изготавливают в стержневых ящиках, которые бывают разъемные и вытряхные.

Внутреннее скругление модели называется галтелью, а наружнее – закруглением. Для облегчения извлечения модели из формы на ней предусматривают литейные уклоны (обычно 0,3…30). Модели из древесины окрашивают: красным цветом – для чугуна, синим – для стали, желтым – для цветных металлов, стержневые знаки окрашивают черным цветом.

34

Формовочная смесь – многокомпонентная смесь формовочных материалов, соответствующая условиям технологического процесса изготовления литейных форм. Формовочные смеси должны иметь высокую огнеупорность, достаточные прочность и газопроницаемость, пластичность и податливость. Формовочные смеси по характеру использования разделяют на облицовочные, наполнительные и единые.

Прочность – способность материала формы не разрушаться при извлечении модели из формы, при транспортировке и заливке форм. Она повышается с увеличением содержания глины и с уменьшением дисперсности песка.

Газопроницаемость – способность смеси пропускать через себя газы. Она выше, чем больше песка в смеси и чем он крупнее, а также чем меньше содержание глины.

Пластичность – способность формы деформироваться без разрушения и точно воспроизводить отпечаток модели. Она увеличивается с повышением до определенного предела связующих материалов и воды, а также применением мелкодисперсного песка.

Податливость – способность формы и стержня сжиматься при усадке отливки. Низкая податливость приводит к появлению горячих трещин.

Долговечность – способность смеси сохранять свойства при повторных заливках. Чем долговечнее смесь, тем меньше добавляют свежих формовочных материалов.

Прилипаемость – способность смеси не прилипать к модели и стержневому ящику. Она зависит от количества влаги и связующего вещества.

Выбиваемость – способность смеси легко отделяться от отливок и из внутренних ее полостей. Зависит от соотношения песка, глины и связующего материала в стержнях.

Стержневая смесь – многокомпонентная смесь формовочных материалов, соответствующая условиям технологического процесса изготовления литейных стержней. В зависимости от способа изготовления стержней их разде-

35

ляют на смеси с отверждением стержней тепловой сушкой, в нагреваемой оснастке, жидкие самотвердеющие смеси, жидкостекольные смеси, отверждаемые углекислым газом, холоднотвердеющие смеси на синтетических смолах.

К вспомогательным материалам относятся: опилки, торф – увеличивающие газопроницаемость и податливость; каменноугольная пыль, мазут, графит – улучшающие противопригарность.

Литниковая система – система каналов, через которые расплавленный металл подводят в полость формы. Она должна обеспечивать заполнение литейной формы с необходимой скоростью, задержание шлака и других неметаллических включений, выход паров и газов из полости формы, непрерывную подачу расплавленного металла к затвердевающей отливке.

По гидродинамическому признаку выделяют сужающиеся и расширяющиеся литниковые системы. Для сужающихся литниковых систем характерно последовательное уменьшение площадей поперечных сечений стояка, шлако-

уловителя и питателей FСТ > FШЛ > FПИТ , что обеспечивает быстрое заполнение расплавом всей системы и улучшение улавливания шлака (применяется в основном для изготовления чугунных отливок). В расширяющихся литниковых системах узким местом является нижнее сечение стояка FСТ < FШЛ < FПИТ , в

результате чего расплавленный металл в полость формы затекает спокойно, с меньшим разбрызгиванием, меньше окисляясь и размывая стенки литейной формы, что применяют для изготовления стальных отливок, отливок из алюминиевых, магниевых и других легкоокисляющихся сплавов.

В зависимости от направления течения заливаемого сплава в полость формы литниковые системы подразделяют на боковые, нижние и верхние.

Основными элементами литниковых систем являются:

– литниковая чаша – предназначена для приема струи расплава, вытекающей из разливочного ковша, и задержания шлака;

36

–стояк – вертикальный канал, передающий расплав из литниковой чаши

кдругим элементам литниковой системы;

–шлакоуловитель – служит для задержания шлака и передачи расплава из стояка к питателям;

–питатели – каналы, предназначенные для подачи расплава непосредственно в полость литейной формы;

–выпор – служит для отвода газов из полости формы, сигнализирует об окончании заливки, уменьшает динамическое давление расплава на форму, способствует питанию отливки расплавом при затвердевании;

–коллектор – распределительный канал для направления расплава к различным частям отливки.

Изготовление литейных форм. Основные операции изготовления форм (формовки): уплотнение формовочной смеси; устройство вентиляционных каналов для вывода газов из полости формы; извлечение модели из формы; отделка и сборка форм. По степени механизации различают формовку ручную, машинную и автоматическую.

Ручную формовку применяют для получения одной или нескольких отливок в условиях опытного производства, при изготовлении отливок в ремонтном производстве, а также при изготовлении крупных (массой 200…300 т) отливок. На практике используются различные приемы ручной формовки: в парных опоках по разъемной модели (наиболее распространена); шаблонами (единичное производство отливок, имеющих конфигурацию тел вращения); в кессонах (изготовление крупных отливок массой до 200 т); в стержнях (массовое и крупносерийное производство изготовления отливок сложной конфигурации); с использованием жидкостекольных смесей (отливки массой до 40 т); по газифицированным моделям (крупные единичные отливки массой до 20 т).

Машинную формовку применяют для производства отливок в массовом и серийном производствах. При формовке на машинах формы изготовляют в парных опоках с использованием односторонних металлических модельных

37

плит. Формовку производят прессованием, встряхиванием, пескометом, пле- ночно-вакуумным способом, импульсным уплотнением.

Автоматическую формовку используют в серийном и массовом производствах отливок, при этом литейная форма передается последовательно с одной позиции на другую.

2.4 ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОТЛИВОК СПЕЦИАЛЬНЫМИ СПОСОБАМИ ЛИТЬЯ

Литье в песчаные формы потребляет значительное количество природных ресурсов (металла, угля, газа, огнеупорных песков, глин, воды, нефтяных продуктов), а технологический процесс связан с образованием твердых и жидких отходов, поэтому совершенствование технологии производства отливок должно предусматривать создание ресурсосберегающих технологий, позволяющих существенно снизить расходы природных материалов, улучшить условия труда, получать отливки заданного качества.

Специальные способы литья включают: кокильное литье, литье в оболочковые формы, литье по выплавляемым моделям, литье под давлением, центробежное и непрерывное литье, электрошлаковое литье.

Изготовление отливок в кокилях. Сущность кокильного литья заключается в изготовлении отливок заливкой расплавленного металла в многократно используемые металлические литейные формы – кокили с последующим затвердеванием залитого металла, охлаждением отливки и извлечением ее из полости формы.

Кокили – металлические формы – изготовляют литьем, механической обработкой и другими методами из серого чугуна (СЧ 15, СЧ 20), стали (20, 15Л, 20Л) и других материалов. Стержни и различные вставки изготавливают из легированных сталей (30ХГС, 35ХГСА и др.), так как эти элементы кокиля работают в условиях воздействия высоких температур и механических нагрузок.

38

Технологический процесс изготовления отливки в кокиль показан на рис. 2.3. Рабочую поверхность кокиля с вертикальной плоскостью разъема, состоящую из поддона 1, двух симметричных полуформ 2 и 3 и металлического стержня 4, предварительно нагревают до температуры 100…150 0С, покрывают из пульверизатора 5 слоем защитного покрытия (рис. 2.3, а).

С помощью манипулятора устанавливают песчаный стержень 6 (рис. 2.3, б), которым выполняют в отливке 7 расширяющуюся полость. Половины кокиля 2 и 3 соединяют, скрепляют и проводят заливку расплава (рис. 2.3, в). После затвердевания отливки 7 (рис. 2.3, г) и охлаждения ее до температуры выбивки (0,6…0,8 от температуры солидуса сплава) кокиль раскрывают (рис. 2.3, д) и протягивают вниз металлический стержень 4. Отливка 7 манипулятором удаляется из кокиля (рис. 2.3, е).

Рис. 2.3. Последовательность операций изготовления отливок в кокиль

39

Различают неразъемные кокили (для отливок простой конфигурации), кокили с вертикальным, горизонтальным и комбинированным (для отливок сложной формы) разъемами (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Основные типы конструкций кокилей:

а – неразъемный; б – с вертикальным разъемом; в – с горизонтальным разъемом

Кокильное литье применяют в массовом и серийном производствах для изготовления отливок из чугуна, стали и сплавов цветных металлов с толщиной стенок 3…100 мм, массой от нескольких десятков грамм до нескольких сотен килограмм.

По сравнению с литьем в песчаные формы при кокильном литье снижаются припуски на механическую обработку за счет получения более гладкой поверхности отливки; повышаются механические свойства и плотность отливки из-за более интенсивного охлаждения; увеличивается объем литья в 2…5 раз за счет уменьшения расхода жидкого металла на литниковую систему; уменьшается расход формовочных смесей в 8…10 раз.

Недостатки кокильного литья: высокая трудоемкость изготовления кокилей, их ограниченная стойкость, трудность изготовления сложных по конфигурации отливок.

Изготовление отливок литьем под давлением. Сущность литья под давлением заключается в изготовлении отливок в металлических формах