Глава 3. Методы получения заготовок
3.1. Выбор заготовки
При выборе заготовки и метода ее получения решающее значение имеют несколько факторов:
1) Материал детали назначает конструктор изделия исходя из эксплуатационных качеств и долговечности работы детали. Материал должен обеспечивать необходимую прочность, обладать хорошей обрабатываемостью, быть доступным по стоимости.
При выборе заготовки в первую очередь надо учитывать технологические свойства материала детали. Так, для деталей из чугуна и большинства цветных сплавов заготовки получают только литьем. Стальные заготовки предпочтительно получать одним из способов обработки давлением, поскольку:
- сталь обладает невысокими литейными качествами;
- количество марок стали, пригодных для литья сильно ограничено;
- литье стали требует больших энергетических затрат (температура плавления сталей на 250-300 оС больше, чем чугунов).
2) Конструктивные формы и размер. Заготовки деталей сложной формы предпочтительно отливать. Большие по массе (свыше 5-10 тонн) и габаритным размерам заготовки возможно получать только литьем в землю или свободной ковкой.
3) Производственная программа выпуска. Например, в условиях единичного и мелкосерийного производства заготовки из стали получают преимущественно свободной ковкой, в серийном производстве – ковкой в подкладных штампах, а в крупносерийном и массовом производствах – горячей объемной штамповкой.
Чем больше форма и размеры заготовки приближаются к форме и размерам готовой детали, тем она дороже в изготовлении, но тем проще и дешевле последующая механическая обработка. Окончательный вывод о целесообразности того или иного метода получения заготовки делается на основе результатов технико-экономического расчета, целью которого является минимизация суммарных затрат средств как на изготовление заготовки, так и на ее последующую обработку.
3.2. Литейное производство
Литейное производство – это процесс получения литых заготовок путем заливки расплавленного металла в формы с последующим охлаждением отливки. При охлаждении расплав кристаллизуется и принимает конфигурацию полости формы.
Литьем получают отливки разнообразных конфигураций массой от нескольких грамм до 300 т, длиной от десятков миллиметров 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.). Отливки получают из черных (чугунови сталей) ицветных сплавов (алюминиевых, магниевых, медных, цинковых, титановых и др.).
Для получения расплава применяют шихтовые материалы: небольшие слитки металлургического производства (чушки), отходы собственного производства, лом, флюсы.
3.2.1. Литейные свойства сплавов
Сплавы характеризуются следующими литейными свойствами.
Жидкотекучесть – способность металлов и сплавов течь в расплавленном состоянии по каналам литейной формы, заполнять её полости и чётко воспроизводить контуры отливки.
Жидкотекучесть зависит от температурного интервала кристаллизации, вязкости и поверхностного натяжения расплава, температуры заливки и формы, свойств формы и т. д. Чистые металлы и сплавы, затвердевающие при постоянной температуре (эвтектоидные сплавы), обладают лучшей жидкотекучестью, чем сплавы, образующие твёрдые растворы и затвердевающие в интервале температур. Чем выше вязкость, тем меньше жидкотекучесть. С увеличением поверхностного натяжения жидкотекучесть понижается и тем больше, чем уже канал в литейной форме; с повышением температуры заливки расплавленного металла и температуры формы жидкотекучесть улучшается. Увеличение теплопроводности материала формы снижает жидкотекучесть. Так, песчаная форма отводит теплоту медленнее, и расплавленный металл заполняет её лучше, чем металлическую форму. Наибольшей жидкотекучестью обладает серый чугун, наименьшей – магниевые сплавы.
Усадка – свойство литейных сплавов уменьшать объём при затвердевании и охлаждении. Усадочные процессы в отливках протекают с момента заливки расплавленного металла в форму вплоть до полного охлаждения отливки. Различают объёмную и линейную усадку, выражаемые в относительных единицах. На усадку влияют химический состав сплава, температура его заливки, скорость охлаждения сплава в форме, конструкция отливки и литейной формы.
Линейная усадка – уменьшение линейных размеров отливки при её охлаждении от температуры, при которой образуется прочная корка, способная противостоять давлению расплавленного металла, до температуры окружающей среды. Линейную усадку определяют соотношением, выраженным в процентах:
,
(7)
где lф и lотл – размеры полости формы и отливки при температуре 20 °C.
Так, усадка отливок из серого чугуна уменьшается с увеличением содержания углерода и кремния. Усадку отливок из алюминиевых сплавов уменьшает повышение содержания кремния. Усадку отливок из любых сплавов уменьшает снижение температуры заливки и замедление скорости отвода теплоты от залитого в форму сплава.
При охлаждении отливки происходит механическое и термическое торможение усадки. Механическое торможение возникает вследствие трения между отливкой и формой. Термическое торможение обусловлено различными скоростями охлаждения отдельных частей отливки. Сложные по конфигурации отливки подвергаются совместному воздействию механического и термического торможения.
Линейная усадка серого чугуна составляет 0,9-1,3 %, высокопрочного чугуна – до 1,7 %, углеродистых сталей – 2-2,4 %, алюминиевых сплавов – 0,9-1,5 % и медных – 1,4-2,3 %.
Объёмная усадка – уменьшение объёма сплава при его охлаждении в литейной форме при формировании отливки. Объёмную усадку определяют соотношением, выраженным в процентах:
,
(8)
где Vф и Vотл – объемы полости формы и отливки при температуре 20 °C. Объемная усадка приблизительно равна утроенной линейной усадке.
Вследствие усадки в отливках появляются различные дефекты:
- усадочные раковины: сравнительно крупные полости, расположенные в тех местах отливки, которые затвердевают в последнюю очередь (на рис. 11 показан процесс образования усадочной раковины);
- усадочная пористость: скопление пустот, образовавшихся в отливке в обширной зоне в результате усадки в тех местах отливки, которые затвердели последними без доступа к ним расплавленного металла;
- трещины;
- коробление: изменение формы и размеров отливки под влиянием напряжений, возникающих при охлаждении.
После заливки жидкого металла в литейную форму он начинает охлаждаться, появляются центры кристаллизации, вокруг которых начинается рост кристаллов металла. Так как охлаждение происходит от поверхности отливки, то скорость затвердевания в наружных слоях максимальная, и она уменьшается по направлению к центру изделия. Скорость и время охлаждения зависит от температуры расплава, теплопроводности материала формы и теплопроводности затвердевающего сплава. С увеличением скорости охлаждения увеличивается число центров кристаллизации, это ведёт к уменьшению размера зерна металла, что повышает его механические свойства. Следовательно, поверхность изделия будет иметь максимальную прочность, а его середина – минимальную. Однако быстрое охлаждение приводит к возникновению значительных термических напряжений.
Рис. 11. Образование усадочной раковины в отливке:
1 – усадочная раковина; 2 – прибыль; 3 – усадочная пористость; 4 – отливка
Для предотвращения снижения механических свойств литых изделий вследствие неудачного расположения кристаллов и появления пористости, необходимо учитывать особенности процесса затвердевания при конструировании отливок. Например, при использовании сплавов, склонных к большой усадке, отливки конструируют так, чтобы затвердевание происходило снизу вверх. Вследствие этого усадочная раковина будет перемещаться в верхнюю часть отливки (см. рис. 11).
Газопоглощение – способность литейных сплавов в жидком состоянии растворять водород, азот, кислород и другие газы.
Степень растворимости газов увеличивается при повышении температуры расплава. Она зависит от химического состава сплава и его вязкости. В процессе кристаллизации газы, растворенные в расплаве, начинают выделяться и образовывать пузыри. Кристаллизующийся расплав обладает большой вязкостью, в результате часть газовых пузырей остается в объеме отливки и образует газовые раковины. Основная часть газовых раковин концентрируется в элементах отливки, находящихся при заливке в верхней части формы.
Ликвация – это химическая неоднородность, возникающая в сплаве при его кристаллизации. Ликвация, проявляющаяся в объеме отдельных зерен (кристаллитов, дендритов), называется внутрикристаллической или дендритной. Если химическая неоднородность наблюдается в объеме всего слитка или отливки, то такая ликвация называется зональной.
Ликвация любого вида является нежелательным процессом, ухудшающим многие свойства сплава (механические, коррозионные и др.) как в состоянии полуфабриката, так и в готовом изделии.