9. Технология металлов

9.1. Литейное производство

Литейным производством называется процесс изготовления деталей (заготовок), основанный на заполнении жидким металлом полости формы, соответствующей по конфигурации отливаемой детали. Литейное производство основано на жидкотекучести - способности металлов и сплавов в расплавленном состоянии заполнять полость литейной формы и точно воспроизводить очертания отливки.

Литейное производство состоит из ряда последовательных технологических операций:

изготовления моделей и стержневых ящиков;

приготовления формовочных и стержневых смесей;

изготовления и сборки литейных форм и стержней;

расплавления металла и заливки форм;

выбивки и очистки отливок.

Отливки изготавливаются из различных сплавов (чугуна, стали, сплавов на основе меди, алюминия, магния, титана и т.д.) любой сложности.

Рассмотрим схему технологического процесса изготовления отливки (рис. 18).

Рис. 18. Схема технологического процесса изготовления

отливки тройника:

1 – стержневые знаки; 2 – чаша; 3 – стояк; 4 - шлакоуловитель; 5 – питатели; 6 – выпоры; 7 – верхняя опока; 8 - стержень; 9 – нижняя опока;

10 – литниковая система

По чертежу детали (рис. 18, а) технолог-литейщик разрабатывает чертеж модели и стержневого ящика. В модельном цехе по этим чертежам изготавливают модель (рис. 18, б) и стержневой ящик (рис. 18, в), при этом учитываются припуски на механическую обработку и усадку сплава при остывании. С целью получения опорных поверхностей для установления стержней на моделях выполнены стержневые знаки. По стержневому ящику формуют стержень, который предназначен для образования в отливке внутренней полости (рис. 18, г).

Для заливки формы металлом имеется литниковая система, состоящая из чаши 2, стояка 3, шлакоуловителя 4, питателей 5, и выпоров 6 (рис. 18, е). При сборке в нижнюю полуформу (рис. 18, д) устанавливают стержень (рис. 18, г), затем спаривают обе полуформы и нагружают балластом. В плавильном отделении расплавляют металл и заливают в формы. Остывшую отливку выбивают из формы и передают в отделение очистки и обрубки, где ее очищают от формовочной и стержневой смеси, обрубают остатки литника, заливы и т.д.

В настоящее время существует более ста различных способов изготовления литейных форм и получения отливок, основные из которых:

литье в песчано-глинистые формы;

литье в формы из специальных смесей;

литье в металлические формы (кокили);

литье в оболочковые формы;

центробежное литье;

литье под давлением;

литье по выплавляемым моделям;

способ непрерывного литья;

способ полунепрерывного литья.

Литейную форму заливают расплавом через литниковую систему. Литниковой системой называют совокупность каналов и резервуаров, по которым расплав поступает из ковша в полость формы. Основными элементами литниковой системы являются литниковая чаша, стояк, шлакоуловитель, питатели, выпоры (рис. 18, е; рис. 19). Выпоры служат для удаления газов и неметаллических включений из полости формы и сигнализируют о конце процесса заливки.

Литниковые системы в зависимости от формы, размера отливки, состава и свойств литейного сплава имеют различное устройство (рис. 19).

Верхняя литниковая система наиболее проста. Ее применяют для мелких деталей небольшой высоты. Нижняя (сифонная) литниковая система применяется для средних и толстостенных отливок значительной высоты. Ярусная литниковая система обеспечивает последовательное питание отливки снизу вверх и ее применяют для крупных отливок. Вертикально-щелевая система предназначена для цветных сплавов.

Модельные комплекты изготовляются из дерева, металлических сплавов, пластмасс и других материалов.

Литейные формы изготовляются по моделям, которые воспроизводят наружные очертания отливки. Внутренние же полости, отверстия, выступы, которые невозможно получить по модели формы, выполняются при помощи стержней, которые изготовляют в стержневых ящиках.

Рис. 19. Типы литниковых систем:

а – верхняя; б – сифонная; в – ярусная; г – вертикально-щелевая; 1 – чаша; 2 – стояк; 3 – литниковый ход; 4 – питатель; 5 – выпор; 6 – отливка

Для изготовления форм и стержней приготавливают смеси из нескольких природных материалов, которые называют формовочными. Формовочные материалы подразделяют на основные (пески и глины) и вспомогательные. К вспомогательным материалам относятся связующие стержневые крепители и противопригарные материалы.

Формовочная смесь состоит из кварцевого песка, глины, воды и противопригарных добавок. Для изготовления стержней глина не всегда дает достаточную прочность, к тому же удаление стержней из отливки вследствие спекания глины затруднено. Поэтому песчано-глинистые смеси имеют ограниченное применение и используются для массивных стержней или стержней простой формы. Тонкостенные стержни изготавливаются из песка и связующих (крепителей), благодаря чему они отличаются значительной прочностью в сухом состоянии, высокой газопроницаемостью и легко удаляются из отливок.

Связующие делятся на органические (масла, пеки, канифоли, декстрин, сульфитно-спиртовая барда) и неорганические (формовочная глина, цемент, жидкое стекло).

В специальных формовочных смесях основным компонентом является кварцевый песок с минимальным содержанием глинистых веществ. В качестве связующих используют синтетические смолы, жидкое стекло, при необходимости вводят катализаторы.

По условиям отверждения специальные смеси разделяют на следующие типы: отверждаемые при продувке углекислого газа; горячего отверждения; самоотверждаемые.

Важным свойством формовочных смесей является противодействие пригару, который может быть химическим и механическим.

Для снижения пригара в состав формовочной смеси вводятся противопригарные добавки или наносятся на поверхность изготовленной формы. В качестве противопригарных добавок применяют: пылевидный каменный уголь, мазут, графит и противопригарные эмульсии. Увеличение противопригарности достигается также окраской поверхности форм формовочными красками.

В современном литейном производстве все более широкое применение получают специальные способы литья: в оболочковые формы, по выплавляемым моделям, в металлические формы (кокили), центробежное литье и др.

Литье в оболочковые формы. При этом способе детали получают в тонкостенных формах-оболочках толщиной 6-15 мм, изготовленных из высокопрочных песчано-смоляных смесей. Форма состоит из двух оболочковых полуформ, соединенных по вертикальной или по горизонтальной линии разъема путем склеивания или при помощи скоб.

Оболочки изготавливают из песчано-смоляных смесей горячего отверждения. В качестве связующего применяют фенолоформальдегидную смолу с добавками уротропина.

Литье в металлические формы. Литье в металлические формы (кокили) получило большое распространение. Этим способом получают более 40% всех отливок из алюминиевых и магниевых сплавов, отливки из чугуна, стали и других сплавов. Сущность способа состоит в получении литых деталей путем свободной заливки расплава в металлические формы. конструкции кокилей могут быть неразъемными (вытряхными) и разъемными.

Литье под давлением. Литье под давлением – наиболее производительный способ изготовления относительно небольших отливок из цветных металлов с высокой точностью по размерам и чистотой поверхности. Отливки получают в стальных пресс-формах. Расплавленный сплав заполняет пресс-форму под давлением поршня до 3000 кгс/см , быстро застывает и образует отливку.

Центробежное литье. Этот способ литья отличается тем, что форма перед заливкой в нее жидкого сплава приводится в быстрое вращение до момента полного затвердевания отливки. При этом жидкий сплав, испытывая действие центробежной силы, оттесняется к стенкам формы. Таким образом изготавливают трубы.