Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Алтайский государственный технический университет

имени И.И. Ползунова»

Бийский технологический институт (филиал)

Беляев В.Н., Фирсов А.М.

ОСНОВЫ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Технологические процессы в машиностроении» для студентов специальности 150100 «Технология машиностроения»

В.Н. Беляев, А.М. Фирсов Основы литейного производства: Методическое указание к выполнению лабораторных работ по курсу «Технологические процессы в машиностроении» для студентов специальности 150100 «Технология машиностроения»

Алтайский гос. Техн. Ун-т И.И. Ползунова, БТИ.- Бийск: Изд-во Алт. Гос. Техн. Ун-та, 2007.- 20 с.

Рассмотрены на заседании кафедры металлорежущих станков и инструментов БТИ АлтГТУ Протокол №_______________

Рецензент: к.т.н., доцент Падюков К.Н.

Цель работы:

Ознакомится с основами литейного производства, определить прочность формовочной смеси и изучить влияние состава смеси на её свойства.

Общие принципы конструирования литых деталей

Точность размеров, шероховатость поверхности и свойства отливки зависят от качества литейной формы и литейных свойств заливаемого металла. Основными литейными свойствами сплавов, которые необходимо учитывать при конструировании и разработке технологии изготовления отливок, являются жидкотекучесть, усадка и ликвация — неоднородность различных частей отливки по химическому составу.

От жидкотекучести сплава зависит выбор толщин стенок и возможная степень сложности отливки. Чем больше жидкотекучесть сплава, тем тоньше может быть стенка отливки. Жидкотекучесть – способность металла в расплавленном состоянии заполнять литейную форму и воспроизводить контуры и грани отливки.

Усадкой называют уменьшение объема и линейных размеров металлов и сплавов при затвердевании. Линейная усадка может вызывать коробление и образование трещин в отливке. Объемная усадка приводит к появлению усадочной пористости и раковин.

Затвердевание расплавленного металла начинается у поверхности формы и распространяется в перпендикулярном к ней направлении. Поэтому при выборе оптимальной конструкции детали необходимо учитывать расположение кристаллов в отливке. На рисунке 1 показаны правильная и неправильная конструкции детали. При сопряжении поверхностей под углом вследствие неравномерной кристаллизации и неблагоприятного расположения кристаллов в отливке возникают внутренние напряжения и трещины. Поэтому в местах переходов от одной поверхности к другой необходимо предусматривать радиусы закруглений. Минимальный радиус закругления в сопряжениях двух стенок определяется выражением

где и— толщины стенок, мм;

К— коэффициент, равный 3 при литье в песчано-глинистые и оболочковые формы и равный 5 при кокильном литье.

Рисунок 1 - Направления кристаллизации при правильной (а) и неправильной (б) конструкции детали

При литье под давлением и по выплавляемым моделям радиус закругления R принимают равным 0,8— 1,0 мм. Радиусы на внешних кромках можно принять в два раза меньшим R. Переходы между стенками различной толщины должны быть плавными (рисунок 2) и соответствовать соотношению:

где L — длина переходной части.

Рисунок 2 – Переходы от толстой к тонкой стенке отливки: а — недопустимый; б — удовлетворительный; в — хороший

При охлаждении отливки по мере увеличения толщины слоя затвердевшего металла, уменьшается скорость кристаллизации и увеличивается крупнозернистость структуры, что ухудшает механические свойства отливки.

Для создания равномерной мелкозернистой структуры необходимо предусматривать в отливках по возможности одинаковую толщину стенок. При выборе минимальной толщины необходимо учитывать жидкотекучесть заливаемого сплава, температуру заливки, теплопроводность материала формы.

В таблице 1 приведены рекомендуемые толщины стенок отливок и минимальные диаметры отверстий в отливках для различных методов литья.

Глубокие отверстия (L>3d) в отливках делать не рекомендуется. При необходимости их выполняют с перемычкой.

Таблица 1 – Рекомендуемые толщины стенок и минимальные диаметры отверстий отливок

Вид литья	Толщина стенки отливки, мм		Минимальный диаметр отверстия, мм
	среняя	минимальная
В песчано-глинистые формы В оболочковые формы По выплавляемым моделям В кокиль Под давлением	7—10 5-10 2—3 4—8 2—4	4,0 2,5 0,3 2,0 0,6	10,0 10,0 5,0 10,0 1,5

При литье сплавов, склонных к ликвации и имеющих большую усадку, конструкция отливки и технология литья должны обеспечивать направленное затвердевание отливки — снизу вверх. В этом случае усадочная раковина и ликвирующие примеси концентрируются в прибыли.

На необрабатываемых поверхностях отливок, перпендикулярных к плоскости разъема, необходимо предусматривать уклоны или конусность в пределах 0⁰10'—3⁰ в зависимости от метода литья. Внешние поверхности отливки должны иметь по возможности прямолинейные очертания, чтобы обеспечить извлечение модели из формы без устройства отъемных частей и не усложнял конструкцию и технологию изготовления формы.

ФОРМОВОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Формовочные материалы должны обладать главным образом огнеупорностью, газопроницаемостью, прочностью и пластичностью.

Огнеупорностью формовочного материала называется способность его не сплавляться и не спекаться при соприкосновении с расплавленным металлам. Наиболее доступным и дешевым формовочным материалом является кварцевый песок (SiO₂), достаточно огнеупорный для отливки самых тугоплавких металлов и сплавов. Из примесей, сопровождающих SiO₂, особенно нежелательны щелочи, которые, действуя на SiO₂, как флюсы, образуют с ним легкоплавкие соединения (силикаты), пригорающие к отливке и затрудняющие ее очистку. При плавке чугуна и бронзы вредные примеси в кварцевом песке не должны превышать 5—7%, а для стали 1,5—2%.

Газопроницаемостью формовочного материала называется его способность пропускать газы. При плохой газопроницаемости формовочной земли в отливке могут образовываться газовые раковины (обычно сферической формы) и вызвать брак отливки. Раковины обнаруживаются во время последующей механической обработки отливки при снятии верхнего слоя металла. Газопроницаемость формовочной земли зависит от ее пористости между отдельными зернами песка, от формы и величины этих зерен, от их однородности и от количества в ней глины и влаги.

Песок с округленными зернами обладает большей газопроницаемостью, нежели песок с остроугольными зернами. Мелкие зерна, располагаясь между крупными, также уменьшают газопроницаемость смеси, снижая пористость и создавая мелкие извилистые каналы, затрудняющие выход газов. Глина, имея чрезвычайно мелкие зерна, закупоривает поры. Излишек воды также закупоривает поры и, кроме того, испаряясь при соприкосновении с залитым в форму горячим металлом, увеличивает количество газов, которые должны пройти через стенки формы.

Прочность формовочной смеси заключается в способности сохранять приданную ей форму под действием внешних усилий (сотрясения, удар струи жидкого металла, статическое давление залитого в форму металла, давление газов, выделяющихся из формы, и металла при заливке, давление от усадки металла и т.д.).

Прочность формовочной смеси возрастает при повышении содержания влаги до определенного предела. При даленейшем повышении количества влаги прочность повышается. При наличии в формовочном песке примеси глины («жирный песок») прочность повышается. Жирный песок требует большего содержания влаги, чем песок с малым содержанием глины («тощий песок»). Чем мельче зерно песка и чем угловатее его форма, тем больше прочность формовочной смеси. Тонкая связующая прослойка глины между отдельными зернами песка достигается тщательным и продолжительным перемешиванием песка с глиной

Пластичностью формовочной смеси называется способность легко воспринимать и точно сохранять форму модели. Пластичность особенно необходима при изготовлении художественных и сложных отливок для воспроизведения мельчайших подробностей модели и сохранения отпечатков их во время заливки формы металлом. Чем мельче зерна песка и чем равномернее они окружены прослойкой глины, тем лучше они заполняют мельчайшие детали поверхности модели и сохраняют форму. При излишней влажности связующая глина разжижается и пластичность резко снижается.

ДЕФЕКТЫ ЛИТЬЯ И ИХ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ

Раковины

Виды раковин. Наиболее частым видом литейного брака являются всевозможные раковины. Они являются большей частью только в процессе механической обработки отливок.

Раковины бывают газовые, усадочные (рыхлость и пористость), песочные, шлаковые.

Раковины газовые. Отличительные признаки. Газовые раковины — это сферические или округленные пустоты с гладкой блестящей (у закрытых) или окисленной (у открытых) поверхностью, расположенные или снаружи отливки или внутри ее.

Газовые раковины, образовавшиеся за счет плохого качества металла, чаще всего имеют малые размеры и разбросаны по всей массе отливки. Газовые раковины, образовавшиеся за счёт дефектов формы и неправильной технологии заливки, концентрируются чаще всего на отдельных определенных участку формы и находятся на небольшой глубине от поверхности отливки или стержня.

Причины образования. Причины образования газовых раковин следующие.

1. Выделение газов из металла, вследствие уменьшения pастворимости их в металле при его кристаллизации. Пузырьки газа стремятся всплыть на поверхность, часть их не успевает уйти за пределы отливки и остается в ней в виде газовых раковин.

2. Конструкция формы с такими поверхностями, которые затрудняют удаление скопившихся газов. Это вызывает образование раковин на поверхности отливки.

3.Плохая газопроницаемость формовочной смеси, в частности для стержней, при большом газообразовании.

4.Неудачный состав переплавляемой шихты, загрязненной ржавчиной, серой, водородом, исходным металлом, уже насыщенным газом, замасленной стружкой, а также присутствие в шихте влаги и чрезмерное содержание серы в коксе, в нефти (в мазуте) и в сланцевом масле, если они служат топливом.

5. Неправильное ведение плавки, вызывающее насыщение металла газом в процессе плавки, если металл плохо раскислен.

6.Слишком большая скорость заливки форм. Когда скорости заполнения формы металлом больше скорости отвода из нее газов, оставшиеся газы вызывают в отливках образование газовых раковин. Чем меньше скорость заливки, тем больше остается времени для удаления газов и воздуха через поры и вентиляционные каналы формы. При этом отпадает опасность прохождения газов через жидкий металл.

7.Неудачный способ заполнения формы — заливка прерывающейся струей. При быстрой заливке металла в форму сверху образуются брызги; они окисляются и при отливке чугуна и стали могут вызвать появление раковин за счет выделения окиси углерода при восстановлении окислов железа углеродом. Алюминиевая бронза и алюминиевые сплавы при заливке форм сверху вспениваются. Это также вызывает в отливке газовые раковины.

8. Недостаточное сечение или неправильное расположение выпора.

9. Насыщение чугуна в вагранке газами при избыточном количестве влаги в воздухе, подаваемом в вагранку.

10. Недостаточно горячий металл может содержать газовые пузыри, не успевающие выделиться при охлаждении металла.

11. Разливка металла в плохо высушенный и недостаточно нагретый ковш. Носок ковша должен быть особенно хорошо высушен перед разливкой.

12. Излишняя влажность формовочной смеси в отдельных местах, если форму приходится исправлять после выемки модели.

13. Чрезмерное уплотнение земли и заглаживание формы, уменьшающие газопроницаемость.

14. Ржавая поверхность холодильников и кокилей, которая при соприкосновении с жидким чугуном реагирует с углеродом металла, образуя окись углерода (СО).

15. Неправильная конструкция литниковой системы, при которой возможно засасывание воздуха или неспокойное поступление металла в форму, разрыв струи, образование вихрей и неправильное вентилирование газов из стержней (направленное вниз или навстречу поступающему в форму жидкому металлу).

16. Заливка струей с большой высоты, когда происходит засасывание воздуха, вспенивание и разбрызгивание металла (с образованием «корольков»).

17. Газы, выделяющиеся вследствие химической реакции в самом металле. Сернистый газ (SO₂) обычно вступает в реакцию с медью, образуя закись меди (Си₂О) и сернистую медь (Cu₂S):

SO₂ + 6Cu Cu₂S + 2Cu₂O.

Реакция эта, однако, может идти в обоих направлениях, в зависимости от концентрации участвующих веществ. От взаимодействия сернистой меди с закисью меди может выделяться сернистый газ, нерастворимый в металле и дающий крупные пузыри. Такие случаи нередко имеют место в заводской практике и особенно опасны при разливке красной меди. На рисунке 3 изображен разрезанный слиток меди весом около 3 кг, забракованный из-за газовых раковин внутри слитка, вызвавших его «рост».

Рисунок 3 – Газовые раковины в красной меди

Мелкие газовые пузырьки могут получиться на поверхности отливки из бронзы с примесью свинца. Это газовая пористость происходит при окрашивании формы краской, содержащей графит. Окислы свинца в бронзе восстанавливаются графитом с выделением окиси углерода на поверхности отливки, соприкасающейся с графитовой краской.

При замене графита тальком (3MgO-4SiO₂-H₂O) источком газовой пористости может явиться кристаллизационная вода, выделение которой при температуре бронзы, залитой форму, вызывает повышенную пористость на поверхности отливки. Предварительное прокаливание талька до 1000° обеспечивает удаление кристаллизационной воды. Тогда газовой пористость на поверхности отливки не получится.

Раковины усадочные (рыхлость и пористость). Отличительные признаки. Усадочные раковины имеют вид углублений и пустот неправильной формы, образующихся р тех местах отливки, где металл затвердевает в последнюю очередь. Иногда вместо концентрированных усадочных раковин наблюдается местная рыхлость и пористость, вследствие которой отливки не выдерживают давления при гидравлическом испытании и бракуются.

Причины образования. Основной причиной образования усадочных раковин является уменьшение объема металла при затвердевании и дальнейшем охлаждении. Размер усадочных раковин зависит от степени (величины) усадки и от температуры заливки метала в форму (высокая температура заливки увеличивает объем усадочных раковин), а также от конструкции и размеров отливки и от скорости заполнения формы.

Меры предупреждения. В тех частях отливок, где следует ожидать образования раковин, в формах устраивают соответствующие прибыли, из которых в период усадки отливка питается жидким металлом. Металл в прибыли должен затвердевать в последнюю очередь. Для устранения пористости применяют холодильники, ускоряющие затвердевание металла в соответствующих зонах (рисунок 4).

Рисунок 4 – Постановка холодильника во избежание усадочной раковины: 1— холодильник; 2 — усадочная рыхлость

Раковины песочные. Отличительные признаки. Песочные раковины — это закрытые или открытые раковины неправильной формы в различных частях отливки, заполненные частично или полностью формовочным материалом (рисунок 5).

Рисунок 5 – Песочные раковины

Причины образования. Образование песочных раковин вызывают следующие причины.

1. Повреждение песочной формы при извлечении из нее модели я при сборке формы (накладывании верхней опоки).

2. Разрушение частей формы струей металла при заполнении формы.

3. Размывание металлом слабо набитых мест формы или пережженных в сушиле.

4. Механическое засорение готовой формы.

5. Неправильные формовочные уклоны модели.

6. Отсутствие галтелей (закруглений в углах модели) необходимой величины (вследствие чего земля с углов осыпается).

7. Несоответствие размеров и конструкций опоки размерам модели (в тесной опоке тонкий слой земляной формы может осыпаться от удара струи жидкого металла).

8. Применение неисправных опок, вызывающих повреждение формы.

9. Неудовлетворительное качество формовочных материалов, разрушаемых в форме металлом.

10.Неравномерное уплотнение в форме формовочной смеси.

Раковины шлаковые. Отличительные признаки.

Шлаковые раковины имеют неправильную форму и шероховатую поверхность. Полость раковины бывает заполнена шлаком полностью или частично.

Размеры, количество и расположение шлаковых раковин разнообразны и зависят от причин, вызвавших их образование

Причины образования. Основной причиной образования шлаковых раковин является попадание шлака в форму вместе с металлом при заливке вследствие:

1. плохой очистки металла от шлака;

2. недостаточного заполнения литниковой чаши во время заливки;

3. неправильной литниковой системы;

4. недостаточной жидкотекучести металла;

5)перерыва струи металла при заливке.

Меры предупреждения. Для борьбы со шлаковыми раковинами необходимо обеспечить повышенную температуру при плавлении металла с целью увеличить его жидкотекучесть и понизить вязкость, а также улучшить условия всплывания шлака при выдерживании металла в ковше перед заливкой. Шлак необходимо счищать с поверхности металла счищалками. Для облегчения снятия жидкий шлак следует присыпать чистым сухим песком, который делает его более густым.

БОРЬБА С БРАКОМ В ЛИТЕЙНЫХ ЦЕХАХ

Предупреждение брака. Литейный брак приносит огромнейший ущерб, даже при условии использования забракованного литья в качестве шихтового возврата.

Этот ущерб велик, особенно, если учесть потери дефицитного цветного металла. Только понимание сущности производства может помочь при всех условиях находить истинную причину брака и пути к его устранению. Глубокое понимание технологии дает возможность изменять устаревшие способы производства и вводить новые.

Борьба с браком может быть успешной только в том случае когда выявлены причины его и найдены способы устранения брака.

Способы снижения брака в литейном производстве следующие:

1. тщательное контролирование исходных материалов (шихты, формовочных земель и других видов сырья);

2. выбор правильной технологии (формовки, плавки заливки и т. д.);

3. детальный инструктаж исполнителей с применением авторегулировки и контрольной аппаратуры (пирометров и пр.);

4) строгая технологическая и организационная дисциплина;

5) правильная организация технического контроля отливок;

6) тщательный анализ и изучение видов и предполагаемых причин брака;

7) широкое внедрение различных методов исправления дефектов отливок;

8) совместная работа литейщиков и конструкторов, так как литейный брак нередко зарождается еще на столе конструктора.

Способы исправления литейного брака. Во многих литейных существуют специальные отделы для исправления литейного брака, когда такое исправление технически и экономически целесообразно и не отражается на качестве изделий. Способы исправления литейного брака следующие.

1. Небольшая течь отливки, обнаруженная при испытании гидравлическим давлением, устраняется путем заварки, термической обработки (отжигом), пропитки под давлением бакелитовым лаком с последующей термической обработкой при температуре до 150—180° или запрессовкой в поры растворов различных веществ.

2. Заделка мелких трещин и раковин путем нанесения металла с помощью аппарата ЛК-2 или другого.

3. Газовая или электродуговая заварка пороков отливки после удаления дефектной части металла. Этот способ в последнее время применяется чаще других.

ПРАВИЛА КОНСТРУИРОВАНИЯ МОДЕЛЕЙ

Конструктор отливок должен учитывать процесс образования структуры при затвердевании отливки, процесс усадки, внутренние напряжения, основные приемы формовки, способы заливки и приемы очистки литья и т. п. При конструировании модели необходимо стремиться к получению отливки с (минимальными внутренними напряжениями. Конструктор моделей для отливок Должен избегать острых углов, так как в них преимущественно и концентрируются рыхлость и усадочные раковины. Углы необходимо округлять, обеспечивая равномерное остывание.

Нужно модель так сконструировать, чтобы толщина стенок отливки оказалась равномерной и чтобы конструкция отливки обеспечивала возможность питания металлом наиболее горячих мест, создавая направленное затвердевание отливки. Для сплавов, обладающих большой усадкой (сталь, белый чугун, алюминиевая бронза и др.), это требование имеет особенное значение.

Достижение равномерного затвердевания и последующего охлаждения отливки является основным условием уменьшения брака и основной задачей для борьбы с вредными напряжениями в отливке.

Очертания, размеры и толщина стенок отливки должны подобраны так, чтобы полностью была исключена возможность получения брака по вине неудачной конструкции.

Изготовление сложных цельных моделей (не составных) очень дорого. Такие модели осложняют формовку и увеличивают вероятность получения брака. Дальнейшая механик обработка сложных отливок бывает обычно затруднительно

Составная конструкция значительно упрощает изготовление модели. Она облегчает формовку и последующую отливку и обработку на станках, т. е. снижает себестоимость изделия. Поэтому конструктор должен учитывать не только назначение отливки, но и возможность более легкой установки ее на станках для механической обработки. Для этого он в соответствующих местах предусматривает выступы или приливы.