Тема 2. Основы литейного производства

Производство заготовок методами литья. Классификация способов литья. Литье в одноразовые и многоразовые формы. Специальные способы литья. Выбор способа литья.

Получение изделий, деталей изделия и фасонных заготовок для них заливкой жидкого металла в литейные формы с его последующим затвердеванием называется литейным производством. Получаемая отливка имеет конфигурацию и размеры, придаваемые ей литейной формой.

Литейное производство является наиболее эффективным методом получения заготовок для сложных деталей машин, обеспечивая максимальный коэффициент использования металла и минимальную стоимость, т.к. обладает следующими преимуществами:

• отливки можно изготовить любой сложности, из чугуна, стали и различных цветных металлов и сплавов. Масса отливок неограниченна, от нескольких граммов до сотен тонн. Конфигурация, размеры отливок близки форме и размерам готовых деталей или изделий с малыми припусками на обработку;

• отходы металла могут быть переплавлены и вновь залиты в литейную форму, что позволяет говорить о высокой экономичности.

Высокий коэффициент использования металла - КИМ, который превышает 0,7.

Однако, литейное производство имеет и недостатки, к которым можно отнести низкую усталостную прочность литых деталей.

Для литья пригодны лишь сплавы с хорошими литейными свойствами.

Несмотря на указанные недостатки, современное литейное производство развивается и совершенствуется как в области разработки литейных технологий, так и в области автоматизации и механизации всего литейного производства в целом.

Наибольшее количество литья - около 70% от массы всех отливок - производят из серого чугуна (включая модифицированный и высокопрочный), далее идет стальное литье (около 20%), далее литье и медных алюминиевых сплавов. За последним 30 лет бурно развивается производство стального литья по выплавляемым моделям, особенно из коррозионно-стойких сталей и жаропрочных сплавов, а также литье из титановых сплавов.

Большие успехи достигнуты в области изучения и улучшения механических и технологических свойств серых чугунов - наиболее распространенных и дешевых литейных сплавов. Освоены цветные сплавы и легированные стали для фасонного литья, обладающие специальными физическими и механическими свойствами. Все больше распространяются и совершенствуются специальные виды литья: под давлением, в оболочковые формы, по выплавляемым моделям, центробежное литье и др., обеспечивающие получение точных отливок, и, следовательно, уменьшающие затраты на механическую обработку.

В области автоматизации и механизации литейного производства также имеются большие успехи: созданы поточные линии, оборудованные литейными конвейерами.

Литейные свойства металлов и сплавов

Металлы и сплавы, применяемые в литейном производстве, на ряду с механическими должны обладать также литейными свойствами. Литейные свойства включают в себя совокупность тех физических, химических и физико-механических свойств сплавов, которые той или иной степени проявляются в условиях литейного производства. Главнейшие из них - жидкотекучесть, усадка, склонность к газопоглощению и трещинообразованию.

Жидкотекучестью называется способность металла или сплава заполнять литейную форму. В понятие жидкотекучесть входят свойства, определяющие подвижность металла в жидком состоянии. К ним относятся вязкость, поверхностное напряжение и прочность нерастворимых окислов на поверхности. Различные сплавы имеют разную жидкотекучесть. Так, например, жидкотекучесть углеродистой стали в среднем в 2 раза меньше, жидкотекучести серых чугунов. На жидкотекучесть отрицательно влияют тугоплавкие неметаллические включения попавшие в сталь в период выплавки, а также в момент раскисления.

Усадкой называется совокупность свойств, определяющих объемные и линейные изменения отливки.

Усадка является важнейшим литейным свойством, т.к. с ней связаны точность размеров, образование усадочной пористости и раковин, внутренних напряжений, коробления и трещин в отливке.

Усадка тонкостенных стальных отливок сложной конфигурации составляет 1,3-1,5%, толстостенных 2-2,3%. Но меньше 1% усадка быть не может, т.к. в противном случае образуются трещины. Если говорить об особенностях протекания усадочных процессов в серых чугунах, то они характеризуются относительно малой усадкой при кристаллизации и в твердом состоянии, при этом существенно облегчается задача получения качественных отливок. В отливках из серого чугуна реже, чем в стальных образуются усадочные раковины, трещины и т.д. Это позволяет изготовлять отливки из серого чугуна часто без применения прибылей.

Склонностью к газопоглащению называется способность металлов и сплавов поглощать газы в расплавленном состоянии и выделять их в период охлаждения. При достаточно высокой газопоглощаемости газовые дефекты в отливках не образуются. Однако, с этим свойством связан весьма распространенный дефект, получаемый в отливках - газовая пористость, которая неминуемо приводит к снижению механических свойств (прочности). Наиболее склонны к газопоглащению сплавы цветных металлов (алюминиевые, магниевые, ти­тановые и т.д.), широко применяемые в авиационной промышленно­сти для ответственных деталей.

Склонностью к трещинообразованию называется совокуп­ность свойств, определяющих прочность отливки в период охлажде­ния металла в форме. Различают "горячие" трещины, появляющиеся в отливках при высоких температурах, близких к температуре затвердевания сплавов, и холодные, проявляющиеся при низких температурах. Холодные трещины, возникающие в затвердевшей отливке в результате внутренних напряжений, тоже могут быть опасны. Они образуются в тонкостенных отливках сложной конфигурации и неравомерного сечения. Для предупреждения образования трещин в отливке следует обеспечивать усадку в форме, не допускать большого числа выступающих частей.

Ликвация. Большая часть литейных сплавов не позволяет получать отливки с однородным химическим составом. В них наблюда­ется ликвация - неоднородность химического состава. В литейных сплавах различают два основных вида ликвации: микроликвация - ха­рактеризует химическую неоднородность по сечению кристалла, зер­на, поэтому чаще всего ее называют дендритной (внутризеренной).

Микроликвация является следствием неравновесной кристаллизации сплавов в реальных условиях формирования отливки. В большинстве случаев дендритная ликвация устраняется высокотемпературным отжигом отливок.

Другой вид, макроликвация (зональная) проявляется в неоднородном составе поверхности и центральных зон, верхних или нижних слоев отливки. Практически такая ликвация не поддается устранению

На ликвацию оказывает значительное влияние температура плавления сплава, химический состав и скорость охлаждения отливки. Чем крупнее отливка, тем медленнее она охлаждается и тем больше склонна к зональной ликвации. В тонкостенных отливках зональная ликвация развита меньше.

Получение отливок в песчано-глинистых формах

Технологические процессы изготовления отливок литьем в песчано-глинистые формы для деталей различной конфигурации из черных и цветных металлов, а также в опытном или мелкосерийном производствах, когда экономически целесообразно изготовление дорогостоящих металлических литейных форм. Основные операции технологического процесса в песчано-глинистые формы: изготовление формы, плавка металла, заливка металла в форму, выбивка отливки и|з формы, очистка отливки, отрезка литнтков, термическая обработка и контроль отливки (рис. 35).

При изготовлении формы исходными материалами, как уже отмечалось ранее, являются кварцевый песок, специальные сорта глин и готовые детали форм - стержни (для получения в отливках внутренних полостей). Вначале готовится формовочная смесь. Формовочную смесь, состоящую из 80-90% песка, глины и других компонентов, добавленных в небольших количествах, тщательно перемешивают (ручная формовка), увлажняют небольшим количеством воды. Получение форм уплотнением смесей складывается из следующих основных процессов: изготовление модельных комплектов, приготовление формовочных и стержневых смесей, изготовление стержней (если это необходимо), формовки (машинной или ручной) с набивкой и уплотне­нием смесей. Для формовки нужна модель. Если в детали должны быть сквозные отверстия, внутренние полости или углубления, то для их образования нужны стержни, которую формует в стержневых ящиках. Модели бывают деревянные или металлические, неразъем­ные или разъемные. Разъемную модель применяют, как правило, в тех случаях, когда модель не имеет плоской поверхности.

Опоки - это ящики, состоящие только из стенок, выполненные из чугуна, стали или алюминиевых сплавов. На модельную плиту устанавливают нижнюю опоку рабочей плоскостью вниз. На модель наносят слой облицовочной смеси толщиной 40-100 мм, который слегка уплотняют ручной или пневматической трамбовкой. Излишек формовочной смеси срезают линейкой вровень с кромкой опоки, делают наколы, улучшающие газопроницаемость формы. Опоку с заформованной в ней половиной модели поворачивают на 180° и вновь устанавливают на модельную плиту. На нижней половине модели фиксируют ее верхнюю половину, устанавливают модели стояка и других элементов литниковой системы, выпора. Модель и элементы литниковой системы покрывают слоем облицовочной смеси, слегка обжимают и опоку заполняют наполнительной смесью. После уплотнения смеси трамбовкой срезают излишки смеси, делают вентиляционные наколы и извлекают модели стояка и выпора. Верхнюю полуформу снимают, поворачивают на 180° и извлекают с помощью специального подъемника половины моделей отливки и литниковой системы. Затем в нижнюю полуформу устанавливают стержень, который оформляет внутреннюю полость отливки и производят сборку двух половин форм: верхнюю опоку устанавливают на нижнюю и фиксируют контрольными штифтами. После скрепления опок форма считается подготовленной к заливке. Особенно необходимо отметить правильную установку всей литниковой системы (чаши, стояка, шлакоуловителя, питателя и выпора), т.к. литниковая система обеспечивает плавное равномерное течение при заполнении формы и подпитку жидким металлом утолщенных мест отливки в период остывания с целью компенсации усадки и исключения возможности появления трещин и недоливов. Выпор и вентиляционные каналы служат для отвода газов и формы в период заливки и определения момента наполнения формы металлом.

Плавку металла выполняют в электрических печах сопротивления, дуговых, индукционных и вакуумных электронно-лучевых установках. Температуру расплавленного металла доводят до температуры заливки, которая зависит от природы металла, массы отливки, размеров и формы, толщины стенок отливки, ряда других факторов.

Так, например, температура заливки толстостенных стальных отливок на 100°С выше температуры плавления, а тонкостенных на 150°С. Температура заливки бронзы колеблется 1050°-1200°С, латуни в пределах 1000°-1100°С. Соблюдение установленной температуры заливки является важнейшим условием получения высококачественной отливки.

Заливку металла выполняют в литейные формы, полностью подготовленные к этой операции. Металл, доведенный до температуры заливки, выпускают из печей в заливочные ковши, транспортируют к литейным формам и заливают в них.

Выбивку отливок из формы выполняют после окончания процесса затвердевания и охлаждения отливки. Литейную форму разрушают, отливку извлекают из формы и освобождают от формовочных материалов.

Очистку отливки от формовочных материалов производят на вибрационных машинах, в пескоструйных аппаратах или вручную.

Отрезку элементов литниковой системы (стояка, выпора, питателя и т.д.) выполняют на фрезерных станках дисковыми фрезам) круглошлифовальных станках. Когда подход к элементам литниковой системы режущим элементом на станке затруднен (отливе сложной конфигурации), их отрезку производят газовыми горелками.

Для защиты от коррозии к необрабатываемым поверхностям отливки применяют защитные покрытия. Стальные отливки при этом подвергают оксидированию или цинкованию, а алюминиевые и магниевые - анодируют.

Процесс литья в песчаные формы отличается невысокой точностью размеров и большой шероховатостью поверхности. Тем не менее, в ряде случаев он является незаменимым способом получения рациональных заготовок деталей. Литье в песчаные формы отличается большей в сравнении с другими процессами литья трудоемкостью

Основным преимуществом литья в песчаные формы является невысокая стоимость специальной технологической оснастки - моде лей, которые обычно бывают деревянные или металлические. Стойкость деревянных моделей при этом около 200 формовок, а стойкость алюминиевых моделей до 5000.

Специальные методы литья

Современное производство выдвигает новые требования к изделиям, что вынуждает лить их по особенному. В свое время способ изготовления отливок в формах из увлажненной песчано-глинистой смеси почти полностью заменял другие методы литья. Он и сейчас остается еще главным, на его долю приходится до 70% всех отливок. Однако, недостаток этого способа в том, что форму приходится разрушать после каждой заливки. У песчаной литейной формы есть и другие недостатки, которые нельзя устранить изменением процесса уплотнения или заменой составляющих смесей. Для этого потребова­лись более радикальные меры - внедрение принципиально новых способов литья. Литейщики всегда стремились изготовлять как можно более точные отливки. Чем меньше отливка отличается по своей конфигурации и размерам от готовой детали, тем меньше затрат идет на ее механическую обработку. При этом экономится металл и улучшаются условия для автоматизации процессов механической обработки.

Современное литейное производство отличается широким применением особых (специальных) способов литья, основная черта которых состоит в возможностях высокой степени автоматизации производства. Так родились многие новые процессы литья, гарантирующие высокую производительность труда и получение отливок повышенной точности и свойств.