Приготовление формовочной смеси

Разработка чертежа модели и стержневого ящика

Изготовление стержневого ящика

Приготовление стержневой смеси

Изготовление формы

Сушка форм

Изготовление модели

Изготовление стержней

Сушка стержней

Плавка металла

Сборка и заливка формы

Выбивка отливки и стержней

Обрубка и очистка отливки

Термообработка отливки

Контроль качества отливки

Рис. 3.4.Общая схема технологического процесса изготовления отливки

Технология изготовления отливки начинается с разработки ее чертежа и рабочих чертежей модельного комплекта (модели и стержневого ящика).

В состав литейного цеха входят отделения: модельное, землепригото-вительное, стержневое, формовочное, плавильное, выбивное, обрубное, очистное. Названия отделений соответствуют технологическим операциям, которые в этих отделениях проводятся.

Возможность получения тонкостенных, сложных по форме или больших по размерам отливок без дефектов предопределяется литейными свойствами сплавов. Наиболее важные литейные свойства сплавов: жидкотекучесть, 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 металлов и сплавов течь в расплавленном состоянии по каналам литейной формы, заполнять ее полости и четко воспроизводить контуры отливки.

Жидкотекучесть литейных сплавов зависит от температурного интервала кристаллизации, вязкости и поверхностного натяжения сплава, температуры заливки и формы, 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.

Наибольшей жидкотекучестью обладают серый чугун, наименьшей -магниевые сплавы.

Усадка - свойство литейных сплавов уменьшать объем при затвердевании и охлаждении. Различают линейную и объемную усадку, выражаемую в относительных единицах.

Линейная усадка - уменьшение линейных размеров отливки при ее охлаждении от температуры, при которой образуется прочная корка, до температуры окружающей среды.

На линейную усадку влияют химический состав сплава, температура его заливки, скорость охлаждения сплава в форме, конструкция отливки и литейной формы. Линейная усадка для серого чугуна составляет 0,9-1,3%, для углероди-стых сталей 2-2,4%, для алюминиевых сплавов 0,9-1,5%, для медных 1,4 - 2,3%.

Объемная усадка - уменьшение объема сплава при его охлаждении в литейной форме при формировании отливки.

Объемная усадка приблизительно равна утроенной линейной усадке.

Усадка в отливках проявляется в виде усадочных раковин, пористости, трещин и короблении.

В отливках в результате неравномерного затвердевания тонких и толстых частей и торможения усадки формой при охлаждении возникают внутренние напряжения. Эти напряжения тем выше, чем меньше податливость формы и стержня. Если величина внутренних напряжений превзойдет предел прочности литейного сплава в данном участке отливки, то в теле ее образуются горячие или холодные трещины. Если литейный сплав имеет достаточную прочность и пластичность и способен противостоять действию возникающих напряжений, искажается геометрическая форма отливки.

Горячие трещины в отливках возникают в процессе кристаллизации и усадки металла при переходе из жидкого состояния в твердое при температуре близкой к температуре солидуса. Горячие трещины проходят по границам кристаллов и имеют окисленную поверхность. Склонность сплавов к образованию горячих трещин увеличивается при наличии неметаллических включений, газов, серы и др. примесей. Кроме того, образование горячих трещин вызывают резкие переводы от тонкой части отливки к толстой, острые утлы, выступающие части и т.д.

Холодные трещины возникают в области упругих деформаций, когда сплав полностью затвердел. Тонкие части отливки охлаждаются и сокращаются быстрее, чем толстые. В результате в отливке образуются напряжения, которые и вызывают появление трещин.

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.

В расплавленном состоянии металлы и сплавы способны активно поглощать значительное количество водорода, кислорода, азота и других и других газов из оксидов и влаги исходных шихтовых материалов при их плавке, сгорании топлива, из окружающий среды, при заливке металла в форму и т.д. В результате этого образуются газовые раковины и пористость в отливках.

Современное литейное производство располагает многими способами изготовления отливок, область применения которых определяется многими факторами: типом производства, массой отливок, точностью и чистотой поверхности отливок; литейными свойствами сплавов, экономической целесообразностью использования того или иного способа.

В настоящее время около 90 % отливок изготавливают в разовых песчанно-глинистых формах.

Точность геометрических размеров, шероховатость поверхности отливок, полученных в песчаных формах, во многих случаях не удовлетворяет требованиям современной техники. Поэтому быстрыми темпами развиваются специальные способы литья: в оболочковые формы, по выплавляемым моделям, кокильное, под давлением, центробежное и др.

Литье в оболочковые формы. Разовую литейную форму изготовляют в виде оболочки, используя для формовочной смеси в качестве связующего материала фенольные термореактивные смолы, прочно цементирующие мелкий кварцевый песок, являющийся наполнителем. Изготовление оболочковой формы исключает потребность в опоках, резко снижает расход формовочной смеси, легко механизируется и автоматизируется.

Литье по выплавляемым моделям. Этим способом отливки получают путем заливки расплавленного металла в формы, изготовленные по выплавляемым моделям многократным погружением в керамическую суспензию с последующими обсыпкой и отверждением. При этом способе получаемые отливки настолько точны, что объем механической обработки уменьшается на 80 - 100 % и в 1,5 - 2 раза сокращается расход жидкого металла.

Литье по выплавляемым моделям применяют при производстве отливок массой от 0,02 до 100 кг, с толщиной стенок до 0,5 мм и отверстиями диаметром до 2 мм из любых литейных сплавов.

Литье в кокиль. При литье в кокиль отливки получают путем заливки расплавленного металла в металлические формы - кокили. Обладая по сравнению с песчано-глинистыми формами приблизительно в 60 раз более высокой теплопроводностью, кокили обеспечивают мелкозернистую структуру отливок, что повышает их прочность.

Изготовление отливок литьем под давлением. Сущность заключается в том, что жидким металлом принудительно заполняют металлическую пресс-форму под давлением, которое поддерживают до полной кристаллизации отливки. Давление обеспечивает быстрое и хорошее заполнение формы, высокую точность и малую шероховатость поверхности отливки. Принудительное питание отливки жидким металлом исключает возможность образования усадочных раковин, пористости и не требует установки прибылей. Ускоренная кристаллизация металла в металлической пресс-форме под давлением обусловливает образование мелкозернистой структуры. Благодаря внешнему давлению растворенные в металле газы остаются в твердом растворе, что снижает газовую пористость металла. Отливки полученные этим методом, как правило, не имеют припусков на механическую обработку и после удаления из формы являются готовыми деталями. Литьем под давлением можно получать отливки с толщиной стенок до 0,5 мм, сложной конфигурации и с отверстиями диаметром до 1 мм.

Центробежное литье. При центробежном литье сплав заливают во вращающиеся формы; формирование отливки осуществляется под действием центробежных сил, что обеспечивает высокую плотность и механические свойства отливок. Из всех литейных сплавов наилучшими литейными свойствами обладает серый обыкновенный чугун, содержащий 2,7-3,5 % углерода, 0,5-4,0 % кремния, 0,3-1,5 % марганца, до 0,2 % фосфора и менее 0,15 % серы.

Основным фактором, влияющим на структуру чугуна, является химический состав. Углерод обеспечивает хорошую его жидкотекучесть. Кристаллизация серого чугуна в форме сопровождается выделением графита. Выделение графита сопровождается увеличением объема отливки, что способствует заполнению форми и уменьшению усадки. Нижний предел содержания углерода ( 2,7 %) принимают для толстостенных отливок, а верхний ( 3,5 % ) - для тонкостенных.

Кремний повышаем жидкотекучесть, способствует процессу графитиза-ции, уменьшает тем самым усадку чугуна и, следовательно, является одним из главных элементов в чугуне, улучшающих его литейные свойства.

Марганец отбеливает чугун, увеличивает усадку, нейтрализует вредное влияние серы, повышает прочность отливок.

Фосфор повышает жидкотекучесть чугуна, однако повышает хрупкость и твердость отливок.

Сера сильно ухудшает литейные свойства чугуна.

Изготовление отливок из ковкого чугуна, требует применения исходного чугуна такого химического состава: 2,5 - 3,2 % углерода, 0,9 -1,2 % кремния, 0,3 - 0,7 % марганца, до 0,2 % фосфора и до 0,12 % серы. Такой чугун обеспечивает получение отливок со структурой белого чугуна, подвергаемых длительному отжигу, при котором труднообрабатываемый белый чугун превращается в достаточно прочный, легко обрабатываемый резанием ковкий чугун. По механическим свойствам он занимает среднее положение между серым обыкновенным чугуном и углеродистой сталью.

Технология изготовления отливок из высокопрочного чугуна ничем не отличается от технологии получения отливок из серого чугуна. Если в перегретый до 1500⁰С жидкий серый чугун перед заливкой в литейную форму добавить менее 1 % (по весу расплава) смеси магния с ферросилицием или церий, то после кристаллизации получается структура высокопрочного чугуна с включениями графита шаровидной формы. Высокопрочным чугуном во многих случаях заменяют углеродистую сталь, ковкий чугун и цветные сплавы. Отливки из высокопрочного чугуна на 25-30 % дешевле стальных и в 3-4 раза дешевле отливок из цветных сплавов.

Изготовление отливок из стали. Литые изделия из стали имеют ряд преимуществ перед чугунными: обладают значительной прочностью, что дает возможность уменьшить сечение отливки и вес конструкции; хорошо свариваются, что позволяет получать сложные крупные отливки из нескольких литых свариваемых частей и легко исправлять литейные дефекты.

Технология изготовления форм для фасонного стального литья является наиболее сложной и трудоемкой операцией из-за плохих литейных свойств стали.

Малая жидкотекучесть требует перегрева металла и большего сечения каналов литниковой системы, чем для отливок из серого чугуна.

Отливки из сплавов алюминия, содержащие 5-13 % кремния (силумины), полученные литьем в разовые и особенно в металлические формы, отличаются высокими литейными и механическими свойствами. Присадка меди и магния позволяет упрочнить эти сплавы. Применяют их для литья высоконагруженных деталей двигателей.

Алюминиевые сплавы с добавкой меди (дуралюмины) обладают высокими механическими, ни низкими литейными свойствами.

Все литейные сплавы на алюминиевой основе имеют небольшую плотность (2,55-2,95 г/см²), невысокие температуры плавления (610–780⁰С).

Отливки из сплавов медиобладают хорошими литейными и достаточно высокими механическими и антифрикционными свойствами, но имеют высокую плотность (8,9 - 9,2 г/см²).

Контроль отливок осуществляется визуально для выявления брака или отливок, подлежащих исправлению. Правильность конфигурации и размеров проверяют разметкой, плотность металла отливки - гидравлическими испытаниями под давлением воды до 200 МПа. Внутренние дефекты выявляют в специализированных лабораториях.

Обработкой металлов давлением получают поковки и различного вида продукцию прокатного производства, а также и готовые изделия, не требующие последующей обработки.

Суть технологии обработки металлов давлением заключается в использовании одного из основных свойств металлов - пластичности, т.е. необратимом изменении формы и размеров тела под действием внешних сил и изменением в связи с этим структуры и механических свойств металла. Таким образом, получение заготовок, а в некоторых случаях и самих деталей требуемых размеров и форм при такой обработке достигается пластическим перераспределением (сдвигом) частиц металла. В этом заключается основное отличие и преимущество обработки давлением по сравнению с обработкой резанием, при которой форма изделия получается удалением части заготовки.

Процессы обработки металлов давлением по назначению подразделяют на два вида:

1) для получения заготовок постоянного поперечного сечения по длине (прутков, проволоки, лент, листов), применяемых в строительных конструкциях или в качестве заготовок, основными разновидностями таких процессов являются прокатка, прессование, волочение;

2) для получения деталей или заготовок, имеющих приближенно формы и размеры готовых деталей и требующих обработки резанием лишь для придания им окончательных размеров и получения поверхности заданного качества, основными разновидностями таких процессов являются ковка и штамповка.

Для повышения пластичности и уменьшения сопротивления деформированию металлы и сплавы перед обработкой давлением нагревают до определенной температуры. При этом нагрев металла сопровождается рядом явлений, которые необходимо учитывать. Так, при нагревании стали выше 700⁰С происходит интенсивное окисление поверхностного слоя с образованием окалины, а при 1330-1350⁰С окалина плавится и железо горит с образованием снопа ярко-голубых искр. Потери металла на окалину (угар) при однократном нагреве составляют до 2,5%. Наряду с окислением происходит также обезуглероживание поверхностного слоя стали вследствие выгорания углерода. Толщина обезуглероженного слоя составляет обычно 0,2-0,5 мм, достигая иногда до 2,0 мм.

При высоких температурах нагрева интенсивно растет зерно, приводя к перегреву. Перегретая сталь имеет более низкие механические свойства. Структуру перегретой стали можно исправить отжигом. Дальнейшее повышение температуры, близкое к температуре плавления, приводит к так называемому пережогу, окончательному браку.

Каждый металл и сплав имеет свой строго определённый температурный интервал горячей обработки давлением. Например, алюминиевый сплав АК4 -470-350⁰; медный сплав БрАЖМц - 900-750⁰; для стали 45 - 1200-750⁰, а для стали У10 - 1100-850⁰.