Лекция № 9. Тема: общая характеристика технологических процессов и операций.

Сущность литейного производства состоит в изготовлении заготовок или деталей из жидкого материала путем заполнения им полости заданной формы и размеров с последующим затвердеванием. После кристаллизации и охлаждения металла литую деталь (заготовку), называемую отливкой, удаляют из литейной формы и в случае необходимости отправляют в механический цех для последующей обработки.

Путем литья получают различного вида отливки и готовые изделия из чугуна, стали, сплавов алюминия, меди, титана, магния, цинка и др., не требующие последующей обработки. Из жидкого расплава можно изготовить также изделия из материалов, не поддающихся обработке в твердом состоянии.

Благодаря интенсивному усовершенствованию способов литья все боль­ше производится заготовок с улучшенными эксплуатационными характери­стиками, например с тонкими стенками (0,5мм), с небольшими отклонениями от размеров, с лучшим качеством поверхности.

Технология изготовления отливки начинается с разработки ее чертежа и рабочих чертежей модельного комплекта: модели и стержневого ящика. Об­щую схему технологического процесса изготовления отливки см. в Приложении В.

В состав литейного цеха входят отделения: модельное, землеприготовительное, 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: жидкотекучестью, усадкой (линейной и объемной), склонностью к образованию трещин и др.

Жидкотекучесть - это способность металлов и сплавов течь в расплав­ленном состоянии по каналам литейной формы, заполнять ее полости и четко воспроизводить контуры отливки. Она зависит от температурного интервала кристаллизации, температуры заливки и формы, свойств литейной формы и т.д. Наибольшей жидкотекучестью обладает серый чугун.

Усадка - свойство литейных сплавов уменьшать объем при затвердевании и охлаждении. Различают линейную и объемную усадку, выражаемую в относительных единицах. 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. Склонность сплавов к образованию горячих трещин увеличивается при наличии неметаллических включений, газов, серы и др. примесей. Кроме того, образование горячих трещин вызывают резкие переходы от тонкой части отливки к толстой, острые углы, 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 газов из оксидов и влаги исходных шихтовых материалов при их плавке, сгорании топлива, из окружающей 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 шероховато­стью 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.

Из всех литейных сплавов наилучшими литейными свойствами обладает серый обыкновенный чугун, содержащий 2,7-3,5% углерода. Его кристалли­зация сопровождается выделением графита, что способствует увеличению объема отливки, и как следствие – заполнению формы и уменьшению усадки. Нижний предел содержания углерода (2,7%) принимают для толстостенных отливок, а верхний (3,5%) – для тонкостенных.

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

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.

Технология изготовления отливок из чугуна, стали и цветных ме­таллов.

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 1500°С 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, но низкими литейными свойствами.

Все литейные сплавы на алюминиевой основе имеют небольшую плот­ность (2,55-2,95 г/см³), невысокие температуры плавления (610-780 С).

Отливки из сплавов меди обладают хорошими литейными и достаточно высокими механическими и антифрикционными свойствами, но имеют высо­кую плотность (8,9 - 9,2 г/см³).

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.

Обработка давлением

Сущность технологии обработки металлов давлением заключается в пла­стическом деформировании или разделении материала заготовки без образо­вания стружки. Этим способом получают поковки и различного вида продук­цию прокатного производства, а также готовые изделия, не требующие по­следующей обработки.

При обработке металлов давлением получение заготовок, а в некоторых случаях и самих деталей требуемых размеров и форм, 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.

Способы обработки металлов давлением

Способы обработки металлов давлением по назначению подразделяют на следующие 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 700°С 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 2,0мм.

При высоких температурах нагрева интенсивно растет зерно, приводя сталь 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.

В первой части учебного пособия отмечалось, что структурное состоя­ние пластически деформированного металла термодинамически неустойчиво, хотя при комнатной температуре для большинства металлов может сохранять­ся весьма долго. При нагреве такой металл постепенно восстанавливает свою структуру и переходит снова в устойчивое состояние, проходя стадии возвра­та, рекристаллизации обработки и собирательной рекристаллизации. Размер зерна зависит от температуры нагрева и степени деформации. С повышением температуры ускоряются диффузионные процессы, что вызывает рост зерна. Малые степени деформации вызывают во время отжига укрупнение зерен. С дальнейшим увеличением степени деформации размер зерна уменьшается.

С температурой рекристаллизации связаны определения горячей и хо­лодной обработки давлением.

Горячей обработкой давлением называют пластическую деформацию при температурах, больших температуры рекристаллизации. В этом случае про­цесс рекристаллизации частично или полностью протекает в процессе обра­ботки.

Холодной обработкой давлением называют пластическую деформацию при температурах, меньших температуры рекристаллизации.

В процессе холодной деформации металл наклепывается. Если требуется снизить прочность и восстановить пластичность, металл подвергают рекристализационному отжигу – нагреву выше температуры рекристаллизации, которая определяется по формуле: Tp=a_*Тпл

Где Тр и Тпл – температура соответственно рекристаллизации и плавления; a=0,4 – для технически чистых металлов и 0,5-0,6 – для сплавов (твердых растворов).