Лекция № 2. Тема: «технология формообразования отливок»
Введение.
Элементы литейной формы.
Изготовление отливок в песчаных формах.
Теоретические основы производства отливок.
Изготовление отливок специальными способами литья.
Технологические требования к конструкции отливок.
Технический контроль в литейном производстве.
ВВЕДЕНИЕ
Из всех известных способов формообразования (ковка, штамповка, обработка резанием, сварка, порошковая металлургия и т.д.) литейная технология наиболее эффективна, так как позволяет получать изделия необходимой конфигурации непосредственно из расплава при сравнительно небольших затратах энергии, материалов и труда.
Сущность процесса формообразования отливок заключается в том, что расплавленный металл определенного состава заливается в литейную форму, внутренняя полость которой с максимальной степенью приближения воспроизводит конфигурацию и размеры будущей детали (при литье невозможно получить отливку, форма и размеры которой соответствует форме и размерам детали). В ходе дальнейшего охлаждения металл затвердевает, сохраняя приданную ему форму.
Эффективность литейной технологии объясняется ее универсальностью, позволяющей получать изделия из сплавов практически любого состава. Литьем получают разнообразные конструкции отливок массой от нескольких граммов до 300 т, длиной от нескольких сантиметров до 20 м, со стенками толщиной 0,5…500 мм (блоки цилиндров, поршни, коленчатые валы, корпуса и крышки редукторов, зубчатые колеса, станины станков, станины прокатных станов, турбинные лопатки и т. д.). В настоящее время объем выпуска фасонных отливок в мире превышает 79 млн.т.
Инструментом литейного производства является литейная форма – приспособление для формирования фасонных заготовок. По степени использования формы делят на разовые, полупостоянные и постоянные.
Разовые формы служат для изготовления только одной отливки и изготовляют их из кварцевого песка, зерна которого соединены каким-либо связующим веществом.
Полупостоянные формы – это формы, в которых получают несколько отливок (до 10…20), такие формы изготовляют из керамики.
Постоянные формы – формы, в которых получают от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч отливок. Такие формы изготовляют обычно из чугуна или стали.
Литейная технология может быть реализована различными и многообразными способами, но доминирующей пока остается технология получения отливок в разовой песчано-глинистой форме.
ЭЛЕМЕНТЫ ЛИТЕЙНОЙ ФОРМЫ
Литейная форма – это система элементов, образующих рабочую полость, при заливке которой расплавленным металлом формируется отливка. Форма обычно состоит из нижней и верхней полуформ, которые изготовляют по литейным моделям в литейных опоках. Литейная опока – приспособление для удержания формовочной смеси при изготовлении формы. Верхнюю и нижнюю полуформы взаимно ориентируют с помощью цилиндрических металлических штырей, вставляемых в отверстия приливов у опок. Для образования полостей, отверстий или иных сложных контуров в формы устанавливают литейные стержни, которые фиксируют с помощью выступов (стержневых знаков), входящих в соответствующие впадины в форме. Литейные стержни изготовляют по стержневым ящикам. Для подвода расплавленного металла в полость литейной формы, ее заполнения и питания отливки при затвердевании используют литниковую систему. После заливки расплавленного металла, его затвердевания и охлаждения форму разрушают, извлекая отливку.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВОК В РАЗОВЫХ ПЕСЧАНЫХ ФОРМАХ
Основные этапы технологического процесса:
Изготовление модельного комплекта.
По чертежу отливки в модельном цехе изготавливают модельный комплект – совокупность технологической оснастки и приспособлений, необходимых для образования в форме полости, соответствующей контурам отливки. Модельный комплект включает литейные модели, модельные плиты, стержневые ящики, модели элементов литниковой системы и другие приспособления.
Литейная модель – приспособление, при помощи которого в литейной форме получают полость с формой и размерами близкими к конфигурации получаемой отливки. Литейные модели бывают неразъемными, разъемными, с отъемными частями и др.
Модельная плита – металлическая плита с закрепленными на ней моделями и элементами литниковой системы. Ее применяют, как правило, при машинной формовке.
Стержневой ящик – приспособление, служащее для изготовления стержней. Стержневые ящики бывают цельными, разъемными, вытряхными и др.
Модели и стержневые ящики для единичного и серийного производства изготавливают деревянными, а для массового производства – из чугуна, алюминиевых сплавов, пластмассы.
Модельный комплект изготавливают в модельном цехе или модельном участке литейного цеха.
Приготовление формовочных смесей.
Для изготовления форм и стержней используют специально приготовленные из формовочных материалов смеси. Основными исходными материалами являются песок, глина, связующие вещества и добавки. Кроме исходных материалов для приготовления формовочных смесей используют регенерированные смеси.
Формовочные смеси по характеру использования разделяют на облицовочные, наполнительные и единые.
Облицовочная смесь – это формовочная смесь, используемая для изготовления рабочего слоя формы. Такие смеси содержат повышенное количество исходных формовочных материалов (песка и глины) и имеют высокие физико-механические свойства.
Наполнительная смесь – это формовочная смесь для наполнения формы после нанесения на модель облицовочной смеси. Поэтому ее приготовляют путем переработки оборотной смеси с малым количеством исходных формовочных материалов (песка и глины). Облицовочные и наполнительные формовочные смеси используют при изготовлении крупных и сложных отливок.
Единая смесь – это формовочная смесь, применяемая одновременно в качестве облицовочной и наполнительной смеси. Такие смеси применяют при машинной формовке и на автоматических линиях в серийном и массовом производствах. Единые смеси приготавливают из наиболее огнеупорных песков и глин с наибольшей связующей способностью, чтобы обеспечить их долговечность.
Стержневая смесь – это многокомпонентная смесь формовочных материалов, соответствующая условиям технологического процесса изготовления литейных стержней. Стержни при заливке расплавленного металла испытывают значительные тепловые и механические воздействия по сравнению с формой, поэтому стержневые смеси должны иметь более высокую огнеупорность, газопроницаемость, податливость, малую газотворную способность, легко выбиваться из отливок и т. д.
Жидкостекольные смеси, используемые для изготовления литейных стержней и литейных форм, приготавливают из кварцевых песков с содержанием не более 3,5% глины, связующего материала – жидкого стекла, с добавлением 10 % раствора едкого натра. Отверждение смеси осуществляется продувкой углекислым газом.
Холоднотвердеющие смеси (ХТС), используемые для стержней, изготавливают из кварцевого песка, связующих материалов – карбамидофурановых, фенолоформальдегидных смол и др. В качестве катализаторов применяют ортофосфорную или азотную кислоту и ее соли. Продолжительность отверждения смесей составляет 1…20 мин.
Изготовление литейной формы.
Процесс изготовления литейных форм называют формовкой. В литейном производстве используют ручную и машинную формовку. Свыше 20 % отливок получают в формах, изготовленных вручную.
Последовательность операций изготовления формы по двусторонней разъемной модели методом ручной формовки рассмотрим на примере изготовления отливки чугунной втулки (рис.2.1).
По чертежу втулки 1 изготавливают деревянную модель 2. Модель втулки состоит из двух половин, которые взаимно центрируются с помощью шипов и гнезд. Отверстие втулки 1 выполняется с помощью стержня 3. Его изготавливают из стержневой смеси, уплотняемой в стержневом ящике 4.
Литейную форму для втулки собирают из двух полуформ: верхней 6 и нижней 7. Полуформы изготавливают из формовочной смеси, уплотняемой в чугунных или стальных рамках 8, которые называют опоками.
На подопочный щиток 9 устанавливают нижнюю полуформу 7 и половину модели 2 (рис. 2.1, а). Поверхность модели 2 и щитка 9 посыпают сухим разделительным песком, после чего в опоку насыпают формовочную смесь и уплотняют ее. Нижнюю полуформу 7 поворачивают на 1800 и устанавливают на подопочный щиток 9. Затем на нижнюю половину модели устанавливают верхнюю половину модели 2, на нижнюю полуформу – верхнюю. Вновь посыпают поверхность модели разделительным песком. Ставят модели литниковой системы, засыпают формовочную смесь в верхнюю опоку и уплотняют ее (рис.2.1, б).
Рис. 2.1. Последовательность изготовления чугунной отливки втулки:
1 – чертеж втулки; 2 – деревянная модель; 3 – стержень; 4 – стержневой ящик; 5 – стержневые знаки; 6 – верхняя полуформа; 7 – нижняя полуформа;
8 – опока; 9 – подопочный щиток; 10 – втулки; 11 – центрирующие штыри;
12 – скобы; 13 – полость формы; 14 – стояк; 15 – шлакоуловитель;
16 – питатель; 17 – выпор.
Снимают верхнюю половину, извлекают половины моделей, устанавливают стержень 3 на стержневые знаки 5 и собирают форму (рис. 2.1, в). Для точной сборки формы опоки имеют специальные втулки 10, в которые входят центрирующие штыри 11. Верхнюю полуформу крепят к нижней скобами 12 (рис. 2.1, г).
При заливке металл поступает в полость формы 13 по литниковым каналам. Литниковая система состоит из стояка 14, шлакоуловителя 15, питателя 16, выпора 17, который служит для выхода из формы воздуха и газов, а также для контроля заполнения формы металлом (рис. 2.1, д).
Машинная формовка позволяет механизировать операции уплотнения формовочной смеси, удаления модели из формы, а для опок низа – поворот полуформы. По методу уплотнения формовочной смеси различают следующие типы формовочных машин: прессовые, встряхивающие, пескометы, пескодувные, пескострельные, импульсные, вакуумные, специальные и комбинированные (пескодувно-прессовые, гравитационно-прессовые и др.). Выбор типа машины определяется размерами и конфигурацией отливки и серийностью производства. Прессовый и пескострельный типы машин применяются для мелких отливок. Прессование под высоким давлением может быть использовано для средних и даже крупных форм. Встряхивающие машины и импульсная формовка обычно применяются для средних по размеру форм. Крупные формы набивают пескометом.
Сборка литейных форм.
Перед сборкой сырые полуформы припыливают графитом, тальком, древесным углем или окрашивают для получения чистой поверхности отливки. Стержни перед установкой в форму сушат в специальных печах – сушилах для увеличения прочности, газопроницаемости для уменьшения газотворной способности, окрашивают красками, состоящими из огнеупорных материалов: графита, пылевидного кварца и т. п.
Сборка литейных форм начинается с установки нижней полуформы на заливочную площадку или тележку конвейера. Затем в последовательности, указанной в технологической карте или на сборочном чертеже, устанавливают стержень, после этого нижнюю полуформу по центрирующим штырям накрывают верхней полуформой. Устойчивое положение стержней обеспечивается стержневыми знаками, Верхнюю полуформу с нижней скрепляют болтами, скобами или накладывают груз. Затем литейную форму подают на заливку жидким металлом.
Выплавка сплава.
Металл плавят в плавильных отделениях.
Литейные сплавы должны обладать высокими литейными свойствами (высокой жидкотекучестью, малыми усадкой и склонностью к образованию трещин и др.), требуемыми физическими и эксплуатационными свойствами.
Для производства отливок используются сплавы черных металлов – серые, высокопрочные, ковкие и другие виды чугунов; углеродистые и легированные стали; сплавы цветных металлов – медные (бронзы и латуни), цинковые, алюминиевые и магниевые; сплавы тугоплавких металлов – титановые, молибденовые, вольфрамовые и др.
Для плавки чугуна применяют специальные печи – вагранки; для плавки стали – конверторы, мартеновские и электропечи; для плавки цветных металлов – электро- и пламенные печи.
Заливка литейных форм.
После расплавления и перегрева металл сливают из печи в разливочные чайниковые, барабанные и другие ковши и транспортируют мостовым краном или по монорельсовому пути на участок заливки форм.
Важное значение при заливке форм имеет выбор температуры заливки расплавленного металла. При повышенной температуре заливки возрастает жидкотекучесть металла, улучшается питание отливок, но горячий металл более газонасыщен, сильнее окисляется, вызывает пригар на поверхности отливки. В то время как низкая температура заливки увеличивает опасность незаполнения полости формы, захвата воздуха, ухудшается питание отливки. Температуру заливки сплавов целесообразно назначать на 100…150°С выше температуры ликвидуса.
Автоматизация заливки литейных форм обеспечивает высокую точность дозировки металла, облегчает труд заливщика, повышает производительность труда.
Охлаждение отливок в литейных формах после заливки продолжается до температуры выбивки. Небольшие тонкостенные отливки охлаждаются в форме несколько минут, а толстостенные (массой 50…60 т) – в течение нескольких суток и даже недель. Обычно стальные отливки охлаждаются до 500…700о С. Чугунные – до 400…500оС, бронзовые – до 300…500оС и алюминиевые – до 200…300оС. Для сокращения продолжительности охлаждения отливок, особенно массивных, используют различные методы принудительного охлаждения: формы обдувают воздухом; в формы при формовке укладывают змеевики или трубы, по которым пропускают воздух или воду и др. При этом качество отливок не ухудшается.
После выдержки отливки в форме до установленной для каждого вида сплава температуры форму выбивают.
8. Выбивка форм и стержней из отливок.
Выбивку форм осуществляют на механических, чаще всего эксцентриковых или инерционных выбивных решетках. Выбивка форм сопровождается выделением большого количества газов, тепла, пыли и сильным шумовым эффектом. Поэтому решетки оборудуются пылегазоулавливающими и звукоизоляционными системами. Комплексное решение многих проблем может быть достигнуто выбивкой в гидравлических камерах, где струя воды толщиной 5…20 мм под давлением 5…10 МПа размывает формовочную смесь. Этот метод хорошо вписывается в схему мокрой регенерации оборотной смеси. Кроме того, в нем одновременно сочетаются выбивка форм, удаление стержней из отливок и очистка поверхности от пригара.
В технологических процессах стремятся исключить операцию выбивки стержней, для чего применяют легко выгорающие связующие, а стержни стараются делать полыми и тонкостенными. Если же выбивка стержней необходима, то ее осуществляют на пневматических вибрационных машинах, в гидравлических камерах и в электрогидравлических установках.
9. Обрубка и очистка отливок.
Обрубка отливки заключается в отделении от нее литников, выпоров, прибылей и заливов по разъему формы и в местах сопряжения стержневых знаков с формой. Для серого и белого чугунов удаление литников производится ударом по литнику молотком. Для стальных отливок применяют пневматическое зубило, пресс или ацетиленокислородную резку. Для цветных сплавов используются ленточные пилы или обрубку производят на токарных станках и прессах.
Очистка отливок заключается в удалении пригара и улучшении чистоты поверхности. Очистку можно производить галтовкой, дробеметной, дробеструйной, вибрационной и электрохимической обработкой, а зачистку – абразивными кругами.
10. Термическая обработка и контроль качества отливок.
Отливки имеют крупнозернистую структуру и низкие прочностные характеристики. Кроме того, в связи с неравномерностью охлаждения различных зон и затрудненностью усадки в них сохраняются внутренние напряжения. Структура и свойства отливок могут быть существенно улучшены термической обработкой. Вид обработки (отжиг, нормализация, закалка, отпуск) определяется природой и составом сплава, размерами и конфигурацией отливки, а также техническими условиями.
Контроль качества проводят на всех этапах технологического процесса, проверяют:
– качество исходных материалов (шихты, песка, глины, связующего, ферросплавов);
– качество и износ литейной оснастки (моделей, ящиков, штырей и втулок, опок, сушильных плит);
– техническое состояние оборудования (формовочных и стержневых машин, транспортеров, бегунов, печей);
– качество и химический состав жидкого металла и готовых отливок.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА ОТЛИВОК
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 и образованию газовых раковин и пористости в отливках и др.
Жидкотекучесть – способность металла заполнять тонкие очертания полости формы. При недостаточной жидкотекучести расплавленный металл не заполняет форму и отливка становится браком. Жидкотекучесть прежде всего зависит о химического состава, от температуры перегрева – чем она выше, тем больше жидкотекучесть. Величину жидкотекучести определяют по технологической пробе.
Усадка – свойство литейных сплавов уменьшать объем при затвердевании и охлаждении. Усадочные процессы в отливках протекают с момента заливки расплавленного металла в литейную форму вплоть до полного охлаждения отливки. Различают линейную и объемную усадку, выражаемую в относительных единицах.
Линейная усадка – изменение линейных размеров отливки при ее охлаждении до температуры окружающей среды. На линейную усадку влияют химический состав сплава, температура его заливки, скорость охлаждения сплава в форме, конструкция отливки и литейной формы. Так, усадка серого чугуна уменьшается с увеличением содержания углерода и кремния. Увеличение скорости отвода теплоты от залитого в форму сплава приводит к возрастанию усадки отливки.
Объемная усадка – уменьшение объема сплава при его охлаждении в литейной форме при формировании отливки.
Усадочные раковины – сравнительно крупные полости, расположенные в местах отливки, затвердевающие последними.
Усадочная пористость – скопление пустот, образовавшихся в отливке в обширной зоне в результате усадки в тех местах отливки, которые затвердевали последними без доступа к ним расплавленного металла. Получить отливки без усадочных раковин и пористости возможно за счет непрерывного подвода расплавленного металла в процессе кристаллизации вплоть до полного затвердевания.
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 (водорода, кислорода), серы и других примесей.
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 и чем ниже его теплопроводность.
Коробление – изменение формы и размеров отливки под влиянием внутренних напряжений, возникающих при охлаждении.
Выбор сплава для тех или иных литых деталей является сложной задачей, поскольку все требования учесть не представляется возможным.
Формовочные смеси должны иметь высокую огнеупорность, достаточную прочность и газопроницаемость, противопригарность, пластичность, податливость.
Огнеупорность – способность смеси и формы сопротивляться размягчению или расплавлению под воздействием температуры расплавленного металла. Чем крупнее песок, тем меньше в нем примесей и пыли и чем больше кремнезема, тем более огнеупорна смесь. При низкой огнеупорности на поверхности отливки образуется пригар – прочное соединение формовочной или стержневой смеси с поверхностью отливки.
Прочность – способность материала формы не разрушаться при извлечении модели из формы, транспортировании и заливке форм. Прочность формовочной смеси увеличивается с увеличением содержания глины, с уменьшением размеров зерен песка.
Газопроницаемость – способность смеси пропускать через себя газы. Газопроницаемость тем выше, чем больше песка в формовочной смеси и чем он крупнее, а также чем меньше содержание глины в формовочной смеси.
Пластичность – способность деформироваться без разрушения и точно воспроизводить отпечаток модели.
Податливость – способность формы или стержня сжиматься при усадке отливки.
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОТЛИВОК СПЕЦИАЛЬНЫМИ СПОСОБАМИ ЛИТЬЯ
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 другие, позволяющие получать отливки повышенной точности, с малой шероховатостью поверхности, минимальными припусками на механическую обработку, а иногда полностью исключающие ее, обеспечивают высокую производительность труда и т. д. Себестоимость отливок, полученных специальными способами литья в 3…10 раз выше отливок, полученных в песчано-глинистые формы, но высокое качество и минимальная механическая обработка обеспечивают их рентабельность в массовом и крупносерийном производстве.
К специальным методам литья в разовые формы относятся литье в оболочковые формы, по выплавляемым и выжигаемым моделям.
К специальным методам литья в постоянные формы можно отнести кокильное литье, литье под давлением, центробежное литье, непрерывное литье, литье вакуумным всасыванием, выжиманием, методом жидкой прокатки, намораживанием и др. Особенностью данных методов является многократное использование форм, как правило, металлических.
При литье в оболочковые формы, полуформы и стержни изготавливают в виде оболочек толщиной 6…10 мм. В качестве связующего используются горячетвердеющие смолы с высокой удельной прочностью. Технология литья этим способом включает операции приготовления плакированной песчано-смоляной смеси, получения по модельной оснастке оболочковых полуформ, сборки форм и их заливки.
Процесс изготовления полуформ, их сборка и заливка показаны на рис. 2.2. Разъемная модель 1 с модельной плитой 2 нагреваются в печи до 200…2500С и устанавливаются на поворотный бункер 3 со смесью песка и пульвербакелита 4. Затем бункер поворачивается на 1800 и выдерживается в течение 15…25 с в таком положении. За это время прогревается слой смеси толщиной 6…10 мм и после поворота бункера в исходное положение на модели остается слой песка 5, скрепленный расплавленной смолой. Модельную плиту вместе с моделью и полутвердой оболочкой помещают в печь, где она при температуре 300…350оС необратимо затвердевает в течение 50…60 с. С помощью выталкивателей корочку снимают с модели, в нее устанавливают оболочковый или обычный стержень 6, скрепляют струбцинами или склеивают со второй оболочковой полуформой. Собранную форму устанавливают в опоки 7 и в зазор между формой и опокой засыпают песок или чугунную дробь 8. Применение опорного слоя позволяет увеличить жесткость формы. Заливка форм производится в вертикальном или горизонтальном положении.
Рис. 2.2. Последовательность операций формовки при литье в оболочковые формы:
а – деталь; б – нагревание модели; в – установка модели на ящике со смесью;
г – выдержка смеси на модели; д – удаление непрогретой смеси; е – удаление корковой полуформы; ж – сборка и заливка формы
Литье в оболочковые формы обеспечивает высокую геометрическую точность отливок, так как формовочная смесь, обладая высокой подвижностью, дает возможность получать четкий отпечаток модели. Точность отпечатка не нарушается, так как оболочка снимается с модели без расталкивания. Повышенная точность формы позволяет в 2 раза снизить припуски на механическую обработку отливок. Применяя мелкозернистый кварцевый песок для форм, можно снизить шероховатость поверхности отливок.
Высокая прочность оболочек позволяет изготовлять формы тонкостенными, что значительно сокращает расход формовочных материалов. В оболочковых формах изготовляют отливки с толщиной стенки 3…15 мм и массой 0,25…100 кг для автомобилей, тракторов, сельскохозяйственных машин из чугуна, углеродистых сталей, цветных сплавов.
К недостаткам метода следует отнести высокую токсичность, выделяющихся при горении смолы, газов.
Литье по выплавляемым моделям применяют для изготовления отливок различной сложности из любых сплавов массой от нескольких граммов до нескольких килограммов с толщиной стенок 0,4…20 мм, точностью размеров до 12 квалитета и шероховатостью поверхности до Rz = 20 мкм. Способ применяют при любом виде производства.
При литье по выплавляемым моделям форма представляет собой неразъемную керамическую огнеупорную оболочку, которая формируется вокруг разовой неразъемной выплавляемой из оболочки модели (рис. 2.3).
Технология литья по выплавляемым моделям включает следующие операции:
1. Изготовление разовой модели и модельных блоков (рис. 2.3, а, б).
В процессе литья по выплавляемым моделям применяют две формы. Первую форму используют для изготовления моделей (пресс-форма), вторая – это литейная форма, изготовляемая на основе мелкого песка и связующего вещества.
Конструкция модельной формы зависит от вида производства. Для опытного и единичного производства применяют пресс-формы с ручным разъемом и выталкиванием, в серийном и массовом производстве изготовление моделей механизировано или автоматизировано.
Размеры рабочей полости определяют с учетом усадки материала и изменения размеров формы при нагреве.
Для изготовления моделей применяют выплавляемые, растворяемые и выжигаемые модельные составы. Наиболее часто применяют выплавляемые составы. Основными компонентами выплавляемых составов являются парафин и стеарин.
Примеры составов:
(температура запрессовки 42…45оС);
ПС-50-50 - парафин 50%, стеарин 50%;
ПС-70-30 - парафин 70%, стеарин 30%;
(температура запрессовки 58…60оС);
ПП-85-15 - парафин 85%, полиэтилен 15%.
Модельный состав расплавляют в водяном термостате и заливают под давлением в пресс-форму. После охлаждения модельного состава до 15...18оС модель удаляют из формы. Для ускорения процесса пресс-формы охлаждают в холодильнике до 10оС. После этого модели зачищают по плоскости разъема и собирают в блок.
2. Сборку моделей в блок (рис. 2.3, в) выполняют путем сварки моделей со стояком с помощью разогретого ножа-полосы.
3. Приготовление суспензии из связующего и пылевидного наполнителя.
Для изготовления литейной формы используют суспензию, состоящую из мелкозернистого кварцевого песка – маршалита и жидкого связующего вещества – этилсиликата, приготовленного на основе этилового спирта.
Рис. 2.3. Литье по выплавляемым моделям:
а – деталь; б – изготовление блока моделей; в – сборка блоков; г – нанесение покрытия; д – заливка формы.
1 – пресс-форма; 2 – шприц; 3 – модельная композиция; 4 – блок;
5 – металлический стержень; 6 – оболочковая форма; 7 – опока; 8 – песок
4. Нанесение на блок моделей огнеупорного покрытия (рис. 2.3, г).
Суспензию на блок наносят погружением. Для удержания на поверхности блока суспензии на него наносят молотый кварцевый песок, который при последующих погружениях (4...5 раз) способствует увеличению толщины покрытия. Обычно получают толщину формы 5...6 мм. Свеженанесенное покрытие не обладает прочностью и удерживается на поверхности модели только благодаря смачиванию. Для придания прочности покрытию его сушат, при сушке одновременно с испарением влаги происходит затвердевание связующего вещества этилсиликата (переход его из золя в гель). Сушка 2-го слоя происходит 2…4 часа при температуре 18…20оС. Для ускорения затвердевания связующего применяют аммиачную среду. В этом случае затвердевание протекает за 2...3 минуты. Для нанесения следующего слоя суспензии необходимо полное исчезновение запаха аммиака, что обычно происходит за 7...10 минут на воздухе. Весь процесс изготовления одного слоя длится 15…20 минут вместо 2…4 часов.
5. Выплавка модели из оболочки.
Выплавление моделей осуществляют в горячей воде или горячим воздухом или другими способами. Наиболее часто выплавляют модельный состав горячей водой. Для этого блок моделей с формой помещают литниковой частью вверх в воду с температурой 85…90оС на 10…15 минут.
6. Упрочнение оболочки прокаливанием и ее засыпка песком.
После выплавления модельного состава модельные блоки прокаливают для удаления из них остатков модельного состава и влаги. Кроме того при прокаливании форму нагревают до 900…1000оС, что повышает заполняемость формы. Перед прокаливанием оболочки (формы) заформовывают, то есть засыпают в ящике-опоке наполнителем. В качестве наполнителя применяют смесь песка и шамотной крошки.
Прокаливание длится 3…4 часа.
7. Заливку в оболочку металла (рис. 2.3, д).
Непосредственно после прокаливания форму заливают расплавом, полученным в электрической индукционной печи, после охлаждения блока отливок, форму разрушают и очищают от следов керамического покрытия путем погружения в каустическую соду (45% едкий натр с температурой 150 °С) на 3…4 часа.
8. Отделение отливок от стояка и их очистка.
Отрезку отливок от питателей и стояков производят тонкими абразивными кругами. После травления отливки промывают проточной водой, сушат, подвергают термической обработке и контролю.
Литье по выплавляемым моделям широко применяется для производства мелких сложных отливок в приборо-, автомобиле- и тракторостроении. Этим способом получают отливки из труднообрабатываемых сплавов (лопатки турбин, колеса насосов, постоянные магниты и др).
Сущность литья в кокиль состоит в применении металлических материалов для изготовления многократно используемых литейных форм, металлические части которых составляют их основу и формируют конфигурацию и свойства отливки. Кокиль – металлическая форма, которая заполняется расплавом под действием гравитационных сил. В отличие от разовой песчаной формы кокиль может быть использован многократно.
Основные операции технологического процесса.
Перед заливкой расплава новый кокиль подготовливают к работе: поверхность рабочей полости и разъем тщательно очищают от следов загрязнений, ржавчины, масла. Проверяют легкость перемещения подвижных частей, точность их центрирования, надежность крепления. Затем на поверхность рабочей полости и металлических стержней наносят слой огнеупорного покрытия – облицовки и краски. Состав облицовок и красок зависит в основном от заливаемого сплава, а их толщина – от требуемой скорости охлаждения отливки: чем толще слой огнеупорного покрытия, тем медленнее охлаждается отливка. Вместе с тем слой огнеупорного покрытия предохраняет рабочую поверхность формы от резкого повышения ее температуры при заливке, расплавления и схватывании с металлом отливки. Таким образом, облицовки и краски выполняют две функции: защищают поверхность кокиля от резкого нагрева и схватывания с отливкой и позволяют регулировать скорость охлаждения отливки, а значит, и процессы ее затвердевания, влияющие на свойства металла отливки. Перед нанесением огнеупорного покрытия кокиль нагревают газовыми горелками или электрическими нагревателями до температуры 423…453оК. Краски наносят на кокиль обычно в виде водной суспензии через пульверизатор. Капли водной суспензии, попадая на поверхность нагретого кокиля, испаряются, а огнеупорная составляющая ровным слоем покрывает поверхность.
После нанесения огнеупорного покрытия кокиль нагревают до рабочей температуры, зависящий в основном от состава заливаемого сплава, толщины стенки отливки, ее размеров, требуемых свойств. Обычно температура нагрева кокиля перед заливкой 473…623оК. Затем в кокиль устанавливают песчаные или керамические стержни, если таковые необходимы для получения отливки. Половины кокиля соединяют и скрепляют специальными зажимами, а при установке кокиля на кокильной машине – с помощью ее механизма запирания; после чего заливают расплав в кокиль. После охлаждения отливки до заданной температуры кокиль раскрывают и удаляют отливку из кокиля. Из отливки выбивают металлический и песчаный стержени, обрезают литники, прибыли, выпоры, контролируют качество отливки. Затем цикл повторяется.
Перед повторением цикла осматривают рабочую поверхность кокиля, плоскость разъема. Обычно огнеупорную краску наносят на рабочую поверхность кокиля 1…2 раза в смену, изредка восстанавливая ее в местах, где она отслоилась от рабочей поверхности. После этого при необходимости, что чаще бывает при литье тонкостенных отливок или сплавов с низкой жидкотекучестью, кокиль подогревают до рабочей температуры, так как за время извлечения отливки и окраски рабочей поверхности он охлаждается. Если же отливка достаточно массивная, то, наоборот, кокиль может нагреваться ее теплотой до температуры большей, чем требуемая рабочая, и перед следующей заливкой его охлаждают. Для этого в кокиле предусматривают специальные системы охлаждения.
Как видно, процесс литья в кокиль – малооперационный. Манипуляторные операции достаточно просты и кратковременны, а лимитирующей по продолжительности операцией является охлаждение отливки в форме до заданной температуры. Практически все операции могут быть выполнены механизмами машины или автоматической установки, что является существенным преимуществом способа, и, конечно, самое главное, исключается трудоемкий и материалоемкий процесс изготовления формы кокиль используется многократно.
Особенности формирования и качество отливок.
Кокиль – металлическая форма, обладающая по сравнению с песчаной значительно большей теплопроводностью, теплоемкостью, прочностью, практически нулевыми газопроницаемостью и газотворностью. Эти свойства материала кокиля обусловливают рассмотренные ниже особенности его взаимодействия с металлом отливки.
1. Высокая эффективность теплового взаимодействия между отливкой и формой: расплав и затвердевающая отливка охлаждаются в кокиле быстрее, чем в песчаной форме, т.е. при одинаковых гидростатическом напоре и температуре заливаемого расплава заполняемость кокиля обычно хуже, чем песчаной формы. Это осложняет получение в кокилях отливок из сплавов с пониженной жидкотекучестью и ограничивает минимальную толщину стенок и размеры отливок. Вместе с тем повышенная скорость охлаждения способствует получению плотных отливок с мелкозернистой структурой, что повышает прочность и пластичность металла отливок. Однако в отливках из чугуна, получаемых в кокилях, вследствие особенностей кристаллизации, часто образуются карбиды, феррито-графитная эвтектика, отрицательно влияющие на свойства чугуна. Снижается ударная вязкость, износостойкость, резко возрастает твердость в отбеленном поверхностном слое, что затрудняет обработку резанием таких отливок и приводит к необходимости подвергать их термической обработке (отжигу) для устранения отбела.
2. Кокиль практически неподатлив и более интенсивно препятствует усадке отливки, что затрудняет извлечение ее из формы, может вызвать появление внутренних напряжений, коробление и трещины в отливке.
Однако размеры рабочей полости кокиля могут быть выполнены значительно точнее, чем песчаной формы. При литье в кокиль отсутствуют погрешности, вызываемые расталкиванием модели, упругими и остаточными деформациями песчаной формы, снижающими точность ее рабочей полости и соответственно отливки. Поэтому отливки в кокилях получаются более точными. Точность отливок в кокилях обычно соответствует 12…14 квалитетам. При этом точность по 12-му квалитету возможна для размеров, расположенных в одной части формы. Точность размеров, расположенных в двух и более частях формы, а также оформляемых подвижными частями формы, ниже. Коэффициент точности отливок по массе достигает 0,71, что обеспечивает возможность уменьшения припусков на обработку резанием.
3. Физико-химическое взаимодействие металла отливки и кокиля минимально, что способствует повышению качества поверхности отливки. Отливки в кокиль не имеют пригара. Шероховатость поверхности отливок определяется составами облицовок и красок, наносимых на поверхность рабочей полости формы, и соответствует Rz = 18 мкм, но может быть и меньше.
4. Кокиль практически газонепроницаем, но и газотворность его минимальна и определяется в основном составами огнеупорных покрытий, наносимых на поверхность рабочей полсти. Однако газовые раковины в кокильных отливках – явление не редкое. Причины их появления различны, но в любом случае расположение отливки в форме, способ подвода расплава и вентиляционная система должны обеспечивать удаление воздуха и газов из кокиля при заливке.
Недостатки литья в кокиль:
1. Высокая стоимость кокиля, сложность и трудоемкость его изготовления.
2. Ограниченная стойкость кокиля, измеряемая числом годных отливок, которые можно получить в данном кокиле. От стойкости кокиля зависит экономическая эффективность процесса.
3. Сложность получения отливок, для выполнения которых необходимо усложнять конструкцию формы – делать дополнительные разъемы, использовать вставки, разъемные металлические или песчаные стержни.
4. Неподатливый кокиль приводит к появлению в отливках напряжений, а иногда к трещинам.
Этот способ литья применяют как правило в серийных и массовых производствах.
Эффективность литья в кокиль обычно определяют в сравнении с литьем в песчаные формы. Экономический эффект достигается благодаря устранению формовочной смеси, повышению качества отливок, их точности, уменьшению припусков на обработку, снижению трудоемкости очистки и обдувки отливок, механизации и автоматизации основных операций и, как следствие, повышению производительности и улучшению условий труда.
Литье в кокиль следует отнести к трудо- и материалосберегающим, малооперационным и малоотходным технологическим процессам, улучшающим условия труда в литейных цехах и уменьшающим вредное воздействие на окружающую среду.
Классификация конструкций кокилей. В зависимости от расположения поверхности разъема кокили бывают: неразъемные, с вертикальной плоскостью разъема, с горизонтальной плоскостью разъема, со сложной поверхностью разъема.
Неразъемные, или вытряхные, кокили применяют, когда конструкция отливки позволяет удалить из плоскости кокиля без его разъема.
Кокили с вертикальной плоскостью разъема состоят из двух и более полуформ (рис. 2.4).
Рис. 2.4. Конструкция кокилей:
а – разъемный кокиль; б – вытряхной кокиль;
1 – полуформы; 2 – вентиляционные канавки; 3 – стержни; 4 – литниковые каналы; 5 – полости для охлаждения; 6 – заливочная чаша; 7 – стержень;
8 – вытряхной кокиль; 9 – опорные цапфы.
Отливка может располагаться целиком в одной из половин кокиля, в двух половинах кокиля, одновременно в двух половинах кокиля и в нижней плите.
Кокили с горизонтальным разъемом применяют преимущественно для простых по конфигурации, а также крупногабаритных отливок.
Кокили со сложной (комбинированной) поверхностью разъема используют для изготовления отливок сложной конфигурации.
В зависимости от способа охлаждения различают кокили с воздушным, жидкостным и с комбинированным охлаждением.
К основным конструктивным элементам кокилей относят:
Формообразующие элементы – половины кокилей, нижние плиты, вставки, стержни. Конструктивные элементы – выталкиватели, плиты выталкивателей, запирающие механизмы, системы нагрева и охлаждения кокиля и отдельных его частей, вентиляционную систему, центрирующие штыри и втулки.
Корпус кокиля или его половины выполняют коробчатыми, с ребрами жесткости. Толщина стенки кокиля зависит от состава заливаемого сплава и его температуры, размеров и толщины стенки отливки, материала, из которого изготовляется кокиль, конструкции кокиля. Толщина стенки кокиля должна быть достаточной, чтобы обеспечить заданный режим охлаждения отливки, достаточную жесткость кокиля и минимальное его коробление при нагреве теплотой залитого расплава, стойкость против растекания.
Стержни в кокилях могут быть песчаными и металлическими. Песчаные стержни для кокильных отливок должны обладать пониженной газотворностью и повышенной поверхностной прочностью. Первое требование обусловлено трудностями удаления газов из кокиля; второе – взаимодействием знаковых частей стержней с кокилем, в результате чего отдельные песчинки могут попасть в полость кокиля и образовать засоры в отливке. Стержневые смеси и технологические процессы изготовления песчаных стержней могут быть различными. Металлические стержни применяют, когда это позволяет конструкция отливки и технологические свойства сплава. Использование металлических стержней дает возможность повысить скорость затвердевания отливки, сократить продолжительность цикла ее изготовления. Однако при использовании металлических стержней возрастают напряжения в отливках, возможно появление трещин.
Вентиляционная система обеспечивает направленное вытеснение воздуха из кокиля расплавом. Для выхода воздуха используют открытые выпоры, прибыли, зазоры по плоскости разъема и между подвижными частями кокиля и специальные вентиляционные каналы. В местных углублениях формы при заполнении их расплавом могут образовываться воздушные мешки. В этих местах в стенке кокиля устанавливают вентиляционные пробки. При выборе места установки вентиляционных пробок необходимо учитывать последовательность заполнения формы расплавом.
Центрирующие элементы: контрольные штыри и втулки – предназначены для точной фиксации половин кокиля при его сборке. Обычно их количество не превышает двух. Их располагают в диагонально расположенных углах кокиля.
Запирающие механизмы предназначены для предотвращения раскрытия кокиля и исключения прорыва расплава по его разъему при заполнении, а также для обеспечения точности отливок.
Системы нагрева и охлаждения предназначены для поддержания заданного температурного режима кокиля. Применяют электрический и газовый обогрев. Первый используется для общего нагрева кокиля, второй более удобен для общего и местного нагрева.
Влияние кокиля на свойства отливок.
Интенсивное охлаждение расплава отливок в кокиле увеличивает скорость ее затвердевания, что благоприятно влияет на структуру – измельчается зерно твердого раствора, эвтектики и вторичных фаз. Структура силуминов, отлитых в кокиль, близка к структуре модифицированных сплавов; снижается опасность появления газовой пористости, уменьшается вредное влияние железа и других примесей. Это позволяет допускать большое содержание железа в алюминиевых отливках, получаемых в кокилях, по сравнению с отливками в песчаные формы. Все это способствует повышению механических свойств отливок.
Кокили для литья алюминиевых сплавов применяют массивные, толстостенные. Такие кокили имеют высокую стойкость и большую тепловую инерцию: после нагрева до рабочей температуры они охлаждаются медленно.
Положение отливки в форме должно способствовать ее направленному затвердеванию: Тонкие части отливки располагают внизу, а массивные вверху, устанавливая на них прибыли и питающие выпоры.
Литниковая система должна обеспечивать спокойное, плавное поступление расплава в полость формы, надежное улавливание шлаковых включений, способствовать направленному затвердеванию и питанию массивных узлов отливки. Используют литниковые системы с поводом расплава сверху, снизу, сбоку, комбинированные и ярусные. Для получения качественных отливок скорость движения расплава должна убывать от сечения стояка к питателю.
Литье в кокиль является одним из наиболее широко применяемых видов литья в настоящее время. Из-за автоматизации технологического процесса, литье в кокиль становится наиболее экономически выгодным при изготовлении больших партий отливок или начале серийного производство конкретной детали.
Литьем под давлением получают отливки в металлических формах (пресс-формах), при этом заливку металла в форму и формирование отливки осуществляют под давлением.
Литье под давлением является самым производительным способом изготовления тонкостенных деталей сложной конфигурации в серийном и массовом производстве.
Процесс литья заключается в заливке расплавленного металла в камеру сжатия машины и последующем выталкивании его через литниковую систему в полость металлической формы, которая заполняется под давлением. Заполнение полости происходит при высокой скорости впуска металла, которая обеспечивает высокую кинетическую энергию, поступающего в форму металла.
Энергия движения струи при резком замедлении ее скорости в форме до нуля частично переходит в тепловую энергию, повышающую температуру металла и создает гидродинамическое давление на стенку формы.
Скорость выпуска при литье под давлением в зависимости от типа отливки и сплава может быть в пределах от 0,5 до 120 м/с. Различают три способа литья под давлением:
1. Литье с низкими скоростями впуска (0,5…2,5 м/с), обеспечивающее заполнение формы сплошным ламинарным потоком. Применяют этот способ для изготовления толстостенных отливок из алюминиевых сплавов и латуней.
2. Литье со средними скоростями впуска (2…15 м/с), обеспечивающее турбулентное движение расплавленного металла, при котором в результате срыв струй захватываются в поток металла пузырьки воздуха, оттесняемые затвердевающим сплавом к середине отливки. Это создает воздушную пористость, которую удалить почти невозможно, но можно уменьшить под действием высокого давления. Изготовляют при этом отливки средней сложности.
3. Литье с высокими скоростями впуска (более 30 м/с), обеспечивает заполнение только в режиме турбулентного течения истока расплава, но и со значительным его распылением, результатом которого является еще больший объем захваченного в полость отливки воздуха, для уменьшения воздушной пористости и в этом случае создают высокое давление (до 500 МПа). Этот способ применяют для тонкостенных отливок сложной конфигурации.
Для литья под давлением применяют литейные машины с горячей и холодной камерой прессования.
Требования к литейным сплавам для литья под давлением:
1. Достаточная прочность при высоких температурах, чтобы отливка не ломалась при выталкивании.
2. Минимальная усадка.
3. Высокая жидкотекучесть при небольшом перегреве.
4. Небольшой интервал кристаллизации.
Этим требованиям удовлетворяют сплавы на основе цинка, алюминия, магния и меди.
Основными факторами, определяющими выбор того или иного способа литья под давлением (в зависимости от скорости впуска) и сплава является конфигурация отливки и требования к качеству.
1. При литье под давлением получают высокое качество отливок. Достижимая точность: 9…11 квалитет по размерам, получаемым в одной части литейной формы и 11…12 квалитет по размерам, получаемым в двух частях формы. Точность зависит от точности изготовления формы, обычно форму изготовляют на 1…2 квалитета точнее детали.
2. Шероховатость поверхности отливки зависит от шероховатости поверхности рабочей поверхности формы, продолжительности ее эксплуатации и материала отливки. Обычно рабочую поверхность формы полируют (при этом достигают параметр Ra = 0,16 мкм).
3. При литье под давлением механические свойства неравномерны по толщине отливки и отличаются в лучшую сторону по сравнению с этими свойствами отливок полученных другим способом. При быстром охлаждении, у отливок образуется литейная корочка с мелкозернистой структурой, толщина которой не более 1…1,5 мм. Поэтому тонкостенные отливки имеют мелкозернистую структуру, повышенную прочность (на 20…30%).
4. Важным показателем качества является пористость, вскрываемая при механической обработке и являющаяся причиной брака. Так как пористость всегда имеет место при литье сложных тонкостенных деталей, то необходимо применять конструктивные меры для предупреждения вскрытия пор. В этом случае для уменьшения влияния воздушной пористости на качество необходимо устранять механическую обработку отливок, предусматривать отливку отверстий, а при необходимости механообработки назначать припуск не более 0,5 мм.
При центробежном литье сплав заливают во вращающиеся формы; формирование отливки осуществляется под действие центробежных сил, что обеспечивает высокую плотность и механические свойства отливок.
Центробежным литьем отливки изготовляют в металлических формах на центробежных машинах с горизонтальной или вертикальной осью вращения (рис. 2.5).
При получении отливок на машинах с вращением формы вокруг вертикальной оси (рис. 2.5, а), расплавленный металл из разливочного ковша 1 заливают через отверстие в крышке 2 в изложницу 3, укрепленную на шпинделе, который вращается от электродвигателя. Расплавленный металл центробежными силами прижимается к боковой стенке изложницы. Литейная форма вращается до полного затвердевания. После остановки формы отливка извлекается. На этих машинах изготовляют кольца большого диаметра высотой не более 500 мм.
При получении чугунных водопроводных труб на машинах с горизонтальной осью вращения, изложницу устанавливают на опорные ролики и закрывают кожухом (рис. 2.5, б). Изложница 5 приводится во вращение электродвигателем. Расплавленный чугун из ковша заливают через желоб 6, который в процессе заливки чугуна перемещается, что обеспечивает получение равностенной отливки. Для образования раструба трубы используют либо песчаный, либо оболочковый стержень. 4. Для опоры и привода изложницы используют ролики 7.
а
б
Рис. 2.5. Центробежное литье:
а – вертикальная ось вращения; б – горизонтальная ось вращения
После затвердевания залитого чугуна трубу извлекают из изложницы. На этих машинах изготовляют втулки, кольца и т. п.
Преимущества центробежного литья – получение внутренних полостей трубных заготовок без применения стержней; большая экономия сплава за счет отсутствия литниковой системы; возможность получения двухслойных заготовок, что достигается поочередной заливкой в форму различных сплавов (сталь и чугун, чугун и бронза и т. д.).
Непрерывное литье – это способ получения протяжных отливок постоянного поперечного сечения путем непрерывной подачи расплава в форму и вытягивания из нее затвердевшей части отливки. В зависимости от направления вытягивания различают вертикальное и горизонтальное непрерывное литье. Вертикальное литье обычно применяется для получения слитков и труб.
Схема горизонтального литья приведена на рис.2.6.
Рис.2.6. Непрерывное горизонтальное литье
Кристаллизатор 2, установленный в металлоприемник 1, изготавливается из меди, графита и, реже, стали. Он имеет внутреннюю полость, профиль которой соответствует поперечному сечению отливки. На выходной части кристаллизатора устанавливается рубашка водяного охлаждения 3. Слиток 6 вытягивается из кристаллизатора тянущими роликами 5 и разделяется на мерные куски с помощью пилы 7. Центральная часть слитка после его выхода из кристаллизатора остается жидкой, поэтому чтобы ускорить затвердевание и исключить прорыв расплава через оболочку твердого металла, устанавливается устройство 4 для охлаждения водой.
Непрерывным литьем получают заготовки постоянного сечения в виде круга или полосы.
Методом литья вакуумным всасыванием получают отливки типа втулок, колец, заготовок зубчатых колец, гильз и т.д. Схема процесса приведена на рис. 2.7.
На поверхность расплава, находящегося в металлоприемнике 3, помещают плоское кольцо из огнеупорного материала 2, на которое сверху опускается металлическая водоохлаждаемая форма – кристаллизатор 1. Внутри формы насосом создается разряжение, и расплавленный металл 4 втягивается в форму. Снимая разряжение в форме, можно удалять из нее расплав и получать полые отливки. За счет направленной кристаллизации от поверхности к центру и подпитки затвердевающей отливки из металлоприемника удается получить плотную отливку без усадочных дефектов и газовой пористости, кроме того, отсутствует необходимость в литниковой системе и прибылях.
Рис.2.7. Литье вакуумным всасыванием
Литье выжиманием применяют для получения тонкостенных панельных отливок толщиной 2…5 мм с большими габаритными размерами (до 2500 мм) в основном из алюминиевых, магниевых и медных сплавов. Различают установки с угловым и плоскопараллельным перемещением подвижной полуформы. На рис. 2.8 представлена установка с угловым перемещением полуформы.
Рис. 2.8. Литье выжиманием
Перед началом цикла подвижная полуформа 2 отводится от неподвижной 1 и в металлоприемник 3 заливают расплавленный металл. Боковые щеки 4 препятствуют вытеканию расплава через торцы установки и служат направляющими при повороте подвижной полуформы. Сближение полуформ приводит к подъему расплава вверх с одновременным образованием корочки твердого металла на стенках полуформ. Скорость поворота рассчитана таким образом, чтобы в момент фиксации подвижной полуформы в положении, определяемом толщиной отливок, происходило схватывание корочек.
Несмотря на небольшую толщину отливок, направленная снизу вверх кристаллизация обеспечивает их высокую плотность.
Литье методом жидкой прокатки. Этот метод совмещает литье с прокаткой. Он широко применяется для изготовления лент и листов из чугуна, алюминия, свинца и других металлов. Схема данного процесса приведена на рис.2.9.
Рис .2.9. Литье методом жидкой прокатки
Жидкий расплав заливают в металлоприемник 1, плотно прилегающий к вращающимися навстречу друг другу водоохлаждаемым валкам 2 и 4. Корочки, образующиеся в месте контакта расплава с валками, захватываются в зев между ними и сдавливаются. При этом осуществляется калибрование листа 3 по толщине.
Литье намораживанием. Известно несколько методов литья намораживанием. При одном из них на поверхность расплавленного металла помещают плиту из огнеупорного материала, в котором вырезано отверстие с профилем, соответствующим наружному профилю будущего литого изделия. Внутрь отверстия опускается затравка, к которой приваривается расплавленный металл.
Если вытягивать затравку со скоростью, не превышающей скорость кристаллизации металла, из отверстия плиты извлекается заготовка соответствующего профиля. Таким способом можно получить ленты и трубы с внутренним и наружными ребрами. Способ малопроизводителен, но прост в осуществлении и обеспечивает высокий выход годного металла.
Другая схема предполагает намораживание металла на наружных и или внутренних стенках кристаллизатора (рис.2.10).
Рис. 2.10. Литье намораживанием
Водоохлаждаемый кристаллизатор 1 опускают в расплав 3 и выдерживают в нам в течение определенного времени. Изменяя выдержку, можно регулировать толщину отливки 2. После извлечения кристаллизатора из расплава отливка снимается с него.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К КОНСТРУКЦИИ ОТЛИВОК
Одними из основных параметров, определяющих технологические требования к конструкции отливок, являются литейные свойства сплавов.
Эти свойства определяют следующее основные требования:
Равностенность.
Радиусы закругления.
Плавные переходы.
Уклоны (или конусность).
Отверстия.
Армирование.
Установим действительную необходимость соблюдения этих требований.
Равностенность – требование заключается в назначении одинаковой толщины стенок на всем протяжении и в различных основных плоскостях. Это обеспечивает равномерность и одновременность усадки и отсутствие усадочных раковин, которые обычно в этом случае выводят в приливы-прибыли или в литниково-питающую систему. Одновременно с равностененностью необходимо стремиться к тонкостенности для устранения крупнозернистой структуры, увеличения прочности.
В тонкостенных отливках для создания необходимой жесткости предусматривают ребра жесткости.
Толщина ребер жесткости внешних dр = (0,8…0,9)d, внутренних dр = (0,6…0,7)d, где d – средняя толщина стенки детали. Толщина стенок зависит от способа литья площади сплошной поверхности и сплава.
Радиусы закругления назначают для предупреждения образования усадочных трещин, возникающих вследствие неравномерности кристаллизации
Кроме внутренних сопрягают также и внешние острые кромки для предупреждения образования трещин в формах. Острые кромки допускают только на плоскостях разъема. Величина рекомендуемых внутренних и внешних радиусов сопряжения отливок зависит от способа литья:
Плавные переходы. Переходы от толстых сечений к тонким выполняются для предупреждения образования трещин в граничных зонах при охлаждении отливки. Величину участка сопряжения определяет соотношение толщин стенок.
Уклоны (конусность) необходимы на поверхностях, расположенных в плоскости разъема формы, для обеспечения удаления модели (отливки) из формы. Уклоны на внутренние поверхности больше уклонов на наружные поверхности.
Величина уклона также зависит от способа литья.
Отверстия отливают всегда с целью предупреждения вскрытия усадочных раковин и пористости в сплошной отливке, уменьшения объема последующей обработки, уменьшения массы. Минимальная величина диаметра и максимальная длина отверстия зависят от способа литья и сплава. Расстояние от отверстия до края литой детали должно быть более 1,2 d, где d – диаметр отверстия.
Армирование – это процесс заливки в полости отливки металлических деталей, улучшающих свойства отливки. Заливаемые металлические детали называют арматурой в должны иметь сравнимые величины усадки при охлаждении. Армирование наиболее широко применяют при литье под давлением для уменьшения объема последующей сборки, для создания специальных физических свойств или для исключения усадочных раковин.
ТЕХНИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ В ЛИТЕЙНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ.
ЗАДАЧИ ТЕХНИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Основные задачи технического контроля: выявление причин отклонения качества отливок от заданного и нарушений технологического процесса; разработка мероприятий по повышению качества продукции; установление соответствия режимов и последовательности выполнения технологических операций, предусмотренных технической документацией; установление соответствия качества материалов, требуемого для производства отливок и т. д.
Контроль отливок, прежде всего, осуществляют 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. Технический контроль возложен на отдел технического контроля завода.
Тщательному контролю подвергают литейную оснастку (модели, модельные плиты и др.) и весь технологический процесс на всех этапах производства отливок (контроль свойств формовочных и стержневых смесей, уплотнения в форме, качества стержней и правильности их установки, химического состава и технологических свойств сплава, температуры заливки и т. д.).
Дефекты отливок и причины их возникновения. Дефекты отливок по внешним признакам подразделяют на наружные (песчаные раковины, перекос, недолив и др.); внутренние (усадочные и газовые раковины, трещины горячие и холодные и др.).
Песчаные раковины – открытые или закрытые пустоты в теле отливки, которые возникают из-за низкой прочности формы и стержней, слабого уплотнения формы, недостаточного крепления выступающих частей формы и прочих причин.
Перекос – смещение одной части отливки относительно другой, возникающий в результате небрежной сборки формы, износа центрирующих штырей, несоответствия знаковых частей стержня на модели и в стержневом ящике, неправильной установки стержня в форму и других причин.
Недолив – некоторые части отливки остаются незаполненными в связи с низкой температурой заливки, недостаточной жидкотекучестью, недостаточным сечением элементов литниковой системы, неправильной конструкцией отливки (например, малая толщина стенки отливки) и др.
Усадочные раковины – открытые или закрытые пустоты в теле отливки с шероховатой поверхностью и грубокристаллическим строением. Эти дефекты возникают при недостаточном питании массивных узлов, нетехнологичной конструкции отливки, неправильной установке прибылей, заливке перегретым металлом.
Газовые раковины – открытые или закрытые пустоты в теле отливки с чистой и гладкой поверхностью, которые возникают из-за недостаточной газопроницаемости формы и стержней, повышенной влажности формовочных смесей и стержней, насыщенности расплавленного металла газами и др.
Трещины горячие и холодные– разрывы в теле отливки, возникающие при заливке чрезмерно перегретым металлом, из-за неправильной конструкции литниковой системы и прибылей, неправильной конструкции отливки, повышенной неравномерной усадки, низкой податливости форм и стержней и др.
Методы дефектоскопии отливок. Наружные дефекты отливок обнаруживаются внешним осмотром непосредственно после извлечения отливок из формы или после их очистки.
Внутренние дефекты отливок выявляются радиографическими или ультразвуковыми методами дефектоскопии.
При использовании радиографических методов (рентгеноскопии, гамма-дефектоскопии) на отливки воздействуют рентгеновским или гамма-излучением. С помощью этих методов выявляют наличие дефекта, размеры и глубину его залегания.
При ультразвуковом контроле ультразвуковая волна, проходящая через стенку отливки, при встрече с границей дефекта (трещиной, раковиной и др.) частично отражается. По интенсивности отражения волны судят о наличии, размерах и глубине залегания дефектов. Трещины в отливках выявляют люминесцентным контролем, магнитной или цветной дефектоскопией.
Методы исправления дефектов в отливках. Незначительные дефекты в ответственных местах отливок исправляют заделкой замазками или мастиками, пропиткой различными составами, газовой или электрической сваркой.
Заделка дефектов замазками или мастиками – декоративное исправление мелких поверхностных раковин на отливках. Перед заполнением мастикой дефектные места очищают от грязи и обезжиривают. После заполнения раковин мастикой исправленное место заглаживают, подсушивают и затирают пемзой или графитом.
Пропитывание составами применяют для устранения пористости отливок. С этой целью их погружают на 8…12 ч в водный раствор хлористого аммония. Проникая в промежутки между кристаллами металла, раствор образует оксиды, заполняющие поры отливок. Для устранения течи отливки из цветных сплавов пропитывают бакелитовым лаком.
Газовую и электрическую сварку применяют для исправления дефектов на необрабатываемых поверхностях (раковины, сквозные отверстия, трещины). Дефекты в чугунных отливках заваривают с использованием чугунных электродов и присадочных прутков, в стальных отливках – электродами соответствующего состава. Чугунные отливки перед заваркой нагревают до температуры 350…600°С, а после заварки их медленно охлаждают до температуры окружающей среды. Для лучшей обрабатываемости отливки подвергают отжигу.
Контрольные вопросы
Что называют литейным производством?
Как подразделяют литейные формы по степени использования?
Перечислите основные этапы технологического процесса изготовления отливок в разовые формы?
Какие вы знаете литейные свойства сплавов?
Какими свойствами должны обладать формовочные смеси?
Какие вы знаете специальные способы литья?
Какие технологические требования предъявляются к конструкции отливок?
Перечислите дефекты отливок и методы их исправления.