2.9. Особенности технологии производства отливок из различных сталей.

2.9.1. Особенности изготовления отливок из углеродистых сталей.

Особенности литейных свойств углеродистой стали вызывают необходимость разработки специфической технологии производ­ства фасонных отливок.

Сталь выплавляют в агрегатах периодического действия, т. е. металл выдается через определенные промежутки времени. Емкость плавильных агрегатов для этих условий выбирают с учетом допу­стимых продолжительности разливки всей плавки и максималь­ного числа открытий стопора ковша при разливке металла по фор­мам. Число открытий стопора, изготовленного из шамотного при­паса, составляет в среднем 120. В сталелитейных цехах наиболее распространены печи емкостью 3, 5 и 10 т.

В фасонно-сталелитейных цехах большой мощности, произво­дящих мелкие и средние отливки, при выборе емкости плавиль­ного агрегата учитывают необходимость непрерывной подачи стали на заливочную ветвь конвейера. В этих случаях устанавли­вают много печей малой емкости, что обеспечивает выдачу ме­талла из разных печей через короткие промежутки времени (не реже 2 - 3 раз в час). Крановый стопорный ковш часто является промежуточной емкостью, из которой сталь распределяется по раздаточным ковшам. Заливка движущихся на конвейере форм из кранового стопорного ковша невозможна, так как трудно добиться синхронности движения мостового крана и конвейера. Температура стали перед заливкой составляет 1550 - 1600 °С. В связи с этим к формовочным и стержневым смесям предъявляют высокие тре­бования по огнеупорности. Исходными материалами для смесей являются чистые кварцевые пески и огнеупорные глины. Глини­стые пески в сталелитейных цехах, как правило, не применяют. Заливка из стопорного ковша обусловливает значительное силовое воздействие струи металла на форму, поэтому ее необходимо изготовлять прочной, с большей степенью уплотнения смеси. Более низкая, по сравнению с другими сплавами, жидкотекучесть стали, меньший относительный перегрев требуют увеличения размеров каналов литниковой системы, сокращения ее протяженности. По данным Б. Б. Гуляева, площадь сечения питателей при литье стали должна быть в 1,5 - 2 раза больше, чем при литье чугуна. В случае изго­товления крупных отливок (массой более 10 т) эта разница может увеличиться до 3 раз.

Применение стопорных ковшей позволяет несколько упростить литниковую систему: вместо чаши применяют воронки, не уста­навливают фильтровальные сетки, вместо шлакоуловителей выполняют литниковые каналы меньшего сечения, по возмож­ности используют литниковые системы с меньшей протяженностью каналов. При этом площади сечения питателя, литникового хода и стояка часто выполняют одинаковыми.

Чтобы исключить механическое разрушение стенок литнико­вых каналов в крупных формах, их изготовляют из огнеупорного сифонного припаса. Конструкция литниковой системы опреде­ляется конфигурацией и массой отливки, а также наиболее ра­циональным местом подвода металла. Для отливок массой до 100 кг применяют преимущественно литниковые системы с боко­вым подводом металла по разъему формы; для отливок массой 100 -500 кг - с боковым и нижним подводом. Формы тяжелых отливок (500 кг и выше) заливают, как правило, через сифонные или ярусные литниковые системы. В зависимости от конфигура­ции отливки, ее назначения и ответственности металл подводят:

- в толстые стенки (лучше в прибыли, так как это повышает коэффициент использования металла прибыли) для создания на­правленного затвердевания, обеспечивающего получение плотной отливки;

- рассредоточенно через большое число литников, чтобы до­биться равномерного охлаждения частей отливки и, следовательно, меньших напряжений, что целесообразно при изготовлении тон­костенных протяженных отливок;

- к тонким частям, чтобы по возможности выравнять скорости охлаждения частей отливки, склонных к образованию трещин. Для питания массивных частей в этом случае целесообразно ис­пользовать прибыли, работающие под избыточным давлением газа или воздуха.

Усадка стали в жидком состоянии и в период кристаллизации, если не принимать специальных мер, вызывает образование уса­дочных раковин и пористости. Получение плотных отливок обес­печивается установкой прибылей и созданием направленного, по­следовательного затвердевания. Без прибылей из стали можно изготовлять только малоответственные тонкостенные отливки.

Усадка стали в твердом состоянии может вызвать образование горячих и холодных трещин, коробление отливок, высокие вну­тренние напряжения и изменение линейных размеров. Горячие трещины в отливках из углеродистой стали являются следствием сильного торможения, главным образом со стороны формы. Трещины располагаются в наиболее слабых местах, какими являются разогретые участки.

Увеличение содержания углерода (см. табл. 2.6.1) уменьшает линейную усадку, особенно доперлитную, что снижает опасность образования горячих трещин. С другой стороны, при охлаждении низкоуглеродистых сталей быстрее увеличивается их прочность. Отливки, испытывающие большое механическое торможение усадки, рекомендуется изготовлять из углеродистой стали с по­вышенным или очень низким содержанием углерода. Разностенные отливки со значительным термическим торможением усадки целесообразнее получать из низкоуглеродистой стали. Отрица­тельное влияние на трещиноустойчивость оказывают сера и не­металлические включения, особенно легкоплавкие. Повышенную склонность к образованию трещин имеют стали, выплавленные в печах с кислой футеровкой. Основные мероприятия по предотвращению появления горячих трещин заключаются в улучшении технологии изготовления форм, обеспечении хорошей их податливости, выборе конструкции от­ливки, литниковой системы, в рациональном режиме заливки и охлаждения.

Кроме уменьшения усилий, затрудняющих усадку, образова­ние горячих трещин предупреждают упрочнением слабых мест отливки усадочными ребрами и установкой холодильников. Уса­дочные ребра воспринимают часть усилий, тем самым разгружают слабое (горячее) место отливки. Холодильники, наружные или внутренние, способствуют более быстрому охлаждению и, следо­вательно, упрочнению опасного участка отливки.

В области температур ниже 650 °С под действием внутренних напряжений или внешних нагрузок в углеродистой стали возни­кают преимущественно упругие деформации. При охлаждении отливки происходит дальнейшее изменение ее линейных размеров в результате фазового у - превращения и послеперлитной усадки. Всякое препятствие развитию усадки вызывает образова­ние внутренних напряжений, которые могут привести к коробле­нию отливки или образованию холодных трещин. Металл в этом случае разрушается не по границам зерен, а по самим зернам. Поверхности трещин не окисляются.

Наибольшей склонностью к образованию холодных трещин обладают отливки из высокоуглеродистых сталей. Повышение содержания углерода вызывает увеличение среднего коэффициента термического сжатия. Например, коэффициент термического сжа­тия стали с 0,14 % С равен 14,5∙10^-6, стали с 0,45 % С - 16,1∙ 10^-8. Высокоуглеродистые стали менее теплопроводны, чем низкоугле­родистые, что обусловливает больший перепад температур по сечению отливки и между отдельными ее частями. Таким образом, из-за увеличения термических напряжений с повышением содер­жания углерода увеличивается и опасность образования холод­ных трещин.

Стали с низким содержанием углерода наряду с высокой прочностью имеют удовлетворительную пластичность. С повышением содержания углерода пластичность сильно падает, и такие стали можно применять для' отливок, под­вергающихся повышенному износу при отсутствии ударных на­грузок.