Tehnologiya_konstruktsionnyh_materialov

другие способы, каждый из которых имеет свои особенности и область при-

менения, являющиеся основными факторами при выборе способа изготовле-

ния заготовок.

3.5. Изготовление отливок из различных сплавов

Производство отливок из чугуна

Чугун – это сплав на основе железа и углерода (от 2,14% до 6.67%), ко-

торый обычно содержит примеси кремния, марганца, фосфора, серы и других элементов. Практически чугуны содержат примерно (3,0 … 4,5)% углерода.

Углерод в чугуне может находиться в химически связанном состоянии в виде цементита (FезС) и в свободном состоянии в виде включений графита.

В зависимости от этого чугуны можно разделить на две группы.

К первой группе относятся белые чугуны, в которых весь углерод на-

ходится в цементите. Структура белых чугунов соответствует диаграмме со-

стояния «железо – углерод». Они обладают высокой твердостью и высокой хрупкостью и практически не используются в промышленности, кроме от-

дельных специальных случаев, чаще всего при получении отливок из ковкого чугуна. Вторая группа - это чугуны с графитом, в которых весь углерод или хотя бы часть его находится в свободном состоянии – в виде графитных включений. К ним относятся серые, ковкие и высокопрочные чугуны, отли-

чающиеся формой графитных включений и существенно различающиеся по свойствам.

Серый чугун является самым дешевым и наиболее распространенным материалом для изготовления отливок. Он обладает хорошими литейными свойствами (высокой жидкотекучестью и низкой усадкой – 1%), что позволя-

ет получать из него отливки самой сложной конфигурации.

Структура серого чугуна состоит из металлической основы и включе-

ний графита, имеющих форму пластин. Металлическая основа серого чугуна может быть ферритной, феррито-перлитной и перлитной (рис. 3.23).

71

Механические свойства серого чугуна зависят от величины зерна металла, от размеров и характера распределения включений графита, а также от соотно-

шения между общим, связанным и свободным углеродом. Пластинки графи-

та являются как бы надрезами металлической массы и действуют как внут-

ренние трещины. В связи с этим серый чугун имеет невысокую прочность на растяжение (прочность на сжатие в два раза выше, чем на растяжение) и ма-

лую пластичность. Из-за низкой пластичности этот чугун не используется для деталей машин, работающих при ударных нагрузках.

Рис. 3.23. Микро-

структура серого чу-

гуна:

а – ферритного, б –

феррито-перлитного,

в – перлитного

1 - феррит, 2 – пластинчатый графит, 3 – перлит.

Однако серый чугун не чувствителен к внешним надрезам, хорошо га-

сит вибрации, имеет высокие антифрикционные свойства, легко обрабатыва-

ется резанием, что позволяет использовать его для изготовления деталей, ис-

пытывающих сжимающие нагрузки (станины и корпусные детали металло-

режущих станков, корпуса редукторов и коробок передач ).

Серый чугун маркируют СЧ 10 - СЧ 45. Буквы обозначают принадлеж-

ность данного сплава к серым чугунам, цифры показывают временное сопро-

тивление разрыву в десятых долях МПа.

Важнейшими факторами, определяющими структуру чугунной отлив-

ки, являются скорость охлаждения отливки и химический состав чугуна.

Увеличение скорости охлаждения чугуна приводит к повышению со-

держания цементита. Вследствие этого структура чугуна в пределах одной отливки, как правило, неодинакова, несмотря на неизменность химического состава. Поэтому отливки со стенками разной толщины при одном и том же химическом составе имеют разные механические свойства.

72

Вторым фактором, влияющим на процесс графитизации чугуна, явля-

ется его химический состав. Углерод и кремний способствуют графитизации чугуна. Аналогично им влияют и некоторые легирующие элементы, напри-

мер, никель. Сера и хром препятствует графитизации чугуна, также действу-

ют ванадий и молибден.

Таким образом, регулируя скорость охлаждения отливки и химический состав чугуна, можно получить необходимую структуру чугуна в отливках с различной толщиной стенок.

Механические свойства серого чугуна можно повысить модифициро-

ванием и легированием. При модифицировании в ковш с жидким чугуном вводят небольшое количество измельченного модификатора(ферросилиция,

силикокальция, силикоалюминия). Это приводит к измельчению зерен в структуре отливки и к улучшению ее механических свойств. При легирова-

нии в расплавленный чугун вводят специальные легирующие элементы (ни-

кель, хром, медь, титан и другие), которые изменяют химический состав чу-

гуна, а, следовательно, и свойства.

Плавка чугуна

Для плавки серого чугуна применяют вагранки, индукционные и элек-

тродуговые печи.

Вагранка - это печь шахтного типа (рис.

3.24), которая имеет стальной Рис. 3.24. Схема вагранки:

1 – подъемник; 2 – скип с шихтой; 3 – засып-

ной механизм; 4 - стальной кожух; 5 - футе-

ровка; 6 – фурма; 7 – копильник.

кожух 4, футерованный внутри огнеупорным материалом 5. Металлическая шихта состоит из литейных и передельных доменных чугу-

нов, стального и чугунного лома, отходов собственного производства, стружки, ферросплавов, кокса и флюсов. Кокс

73

горит в струе воздуха, вдуваемого в вагранку через фурмы 6, расплавляя ме-

таллическую шихту. Жидкий чугун непрерывной струей вытекает в копиль-

ник 7, установленный перед вагранкой. В качестве флюса обычно использу-

ется известняк.

В настоящее время в современных литейных цехах для плавки чугуна широко используются индукционные и электродуговые печи, позволяющие улучшить качество чугуна и снизить его стоимость благодаря увеличению доли дешевых и недефицитных металлов в шихте. Конструкции этих печей приведены в разделе 2.4 (рис. 2.3 и 2.4).

Получение отливок из высокопрочного чугуна

Характерной особенностью высокопрочных чугунов является шаро-

видная форма графита (рис. 3.25, а, б), которая образуется при введении в

Рис. 3.25. Микро-

структуры высоко-

прочного чугуна: а –

ферритный; б – фер-

рито-перлитный; в -

с вермикулярным графитом; 1 – фер-

рит; 2 – графит; 3 – перлит.

жидкий чугун модификаторов, содержащих редкоземельные металлы, маг-

ний или сплавы на основе магния. Шаровидные включения обеспечивают увеличение прочности и пластичности отливок, так как в меньшей степени,

чем пластинчатые, ослабляют металлическую основу чугуна. Для формиро-

вания в структуре чугуна шаровидного графита необходимо, чтобы количе-

ство усвоенного модификатора было более 0,03%. При меньшем остаточном содержании модификатора образуется чугун с вермикулярным графитом

(рис. 3.25, в).

По металлической основе высокопрочный чугун может быть феррит-

ным, феррито-перлитным и перлитным.

74

го цементит разлагается с образованием углерода отжига (хлопьевидный графит).

Металлическая основа ковкого чугуна может быть ферритной или пер-

литной в зависимости от режима охлаждения при отжиге.

Включения графита в металлическую основу имеют компактную хлопьевидную форму, количество и размеры включений невелики. Вследст-

вие этого ковкий чугун более прочен и значительно более пластичен, чем се-

рый чугун. Однако название « ковкие» чугуны является условным. Получать изделия из ковких чугунов можно только литьем, ковать эти чугуны нельзя – они для этого недостаточно пластичны.

В маркировке ковкого чугуна буквы обозначают принадлежность спла-

ва к ковким чугунам, а число обозначает временное сопротивление при рас-

тяжении (КЧ 35, КЧ 37и т.д.).

Изготовление отливок из стали

Сталь по сравнению с чугуном является более трудным литейным ма-

териалом, требующим для изготовления отливок дополнительных затрат и усилий. Она имеет более высокую температуру плавления, литейные свойст-

ва стали значительно хуже: жидкотекучесть ниже, что делает проблематич-

ным получение тонкостенных отливок, усадка в два раза больше, вследствие чего в литейных формах необходимо предусматривать установку массивных прибылей, вес которых в ряде случаев оказывается равным (или даже боль-

ше) весу отливки.

Тем не менее, в тех случаях, когда деталь должна обладать высокими механическими свойствами - прочностью, пластичностью, ударной вязко-

стью отливки приходится изготавливать только из сталей. Стальное литье несколько уступает стальным кованым или катаным деталям по механиче-

ским свойствам, но с помощью литья можно изготовить детали очень слож-

ной формы, с внутренними полостями, ребрами, с переменной толщиной стенок, что очень трудно или невозможно получить каким – либо другим способом.

76

Для изготовления отливок применяют углеродистые и легированные стали. Углеродистые стали в отливках содержат от 0,15 до 0,55% С и марки-

руются соответственно 15Л, 25Л и т.д., где 15, 25 – содержание углерода в сотых долях процента (0,15%, 0,25%), Л - литая.

Легированные стали в зависимости от суммарного содержания в них легирующих веществ делятся: на низколегированные, среднелегированные и высоколегированные. Низколегированные стали применяют для получения отливок с более высокими механическими свойствами по сравнению с чугу-

нами, средне- и высоколегированные - для отливок с особыми физико-

химическими свойствами. Легированные стали маркируются аналогично конструкционным сталям 15Х18Н9ТЛ, где 15содержание углерода в сотых долях процента (0,15%), хрома - 18%, никеля - 9%, титана – до 1%, Л- литая.

Производство отливок из алюминиевых сплавов

Литейные алюминиевые сплавы делятся на несколько групп, важней-

шими из которых являются сплавы на основе системы АI –Si (силумины).

Они обладают высокой жидкотекучестью, небольшой усадкой, не склонны к образованию горячих и холодных трещин.

Маркировка литейных алюминиевых сплавов - АК9, АК 12, АК5М2 и

т.д., где А обозначает принадлежность данного сплава к алюминиевым спла-

вам, буквы К – кремний, М- медь, Мг –магний, Н –никель и другие обозна-

чают элементы, входящие в состав сплава, числа, стоящие после букв – сред-

нее процентное содержание данного элемента в сплаве.

Алюминиевые сплавы склонны к окислению и газонасыщению, поэто-

му плавку их ведут в индукционных печах или печах сопротивления под сло-

ем флюса. Перед заливкой металла в форму алюминиевые сплавы рафини-

руют гексахлорэтаном, реже хлором (в особых случаях используют вакуум),

что позволяет удалить из расплава водород и неметаллические включения,

повышая тем самым механические свойства сплава.

Отливки из алюминиевых сплавов получают чаще всего литьем в ко-

киль или под давлением, значительно реже в песчаные формы. Расплавлен-

77

ный металл в полость формы подводят через расширяющиеся литниковые системы, предусматривающие спокойное заполнение формы металлом - за-

ливку металла снизу (сифонная заливка) или щелевидные питатели. Алюми-

ниевые сплавы имеют большую усадку, поэтому на все тепловые узлы уста-

навливают прибыли для предупреждения образования усадочных раковин.

Отливки из алюминиевых сплавов широко используются в авиацион-

ной, автомобильной, приборостроительной, электротехнической промыш-

ленности и других областях.

Производство отливок из магниевых сплавов

По химическому составу литейные магниевые сплавы подразделяются на ряд групп, из которых чаще других применяются сплавы на основе систе-

мы магний – алюминий – цинк, где основным легирующим элементом явля-

ется алюминий, оказывающий благоприятное воздействие на механические и литейные свойства сплавов.

Маркировка литейных магниевых сплавов - МЛ 1 … МЛ 19, где буквы обозначают принадлежность данного сплава к литейным магниевым сплавам,

а цифры – порядковый номер сплава.

Магниевые сплавы имеют небольшой удельный вес, высокие механи-

ческие свойства, способны противостоять ударным и вибрационным нагруз-

кам, хорошо обрабатываются резанием. Упрочняющая термическая обработ-

ка значительно повышает их механические свойства.

Магниевые сплавы легко окисляются, растворяют водород и склонны к самовозгоранию при плавке и заливке форм. Поэтому плавку их ведут под слоем хлористых флюсов или в среде защитных газов. При заливке струю магния обсыпают серным порошком, который, сгорая, предотвращает кон-

такт жидкого металла с воздухом.

В формовочную смесь обязательно добавляется борная кислота и по-

рошкообразная сера. В процессе заливки сера сгорает, образуя защитную ат-

мосферу в форме. Борная кислота при сушке форм и стержней образует с

78

песком глазурь, которая изолирует сплав от соприкосновения с влагой фор-

мы.

Магниевые сплавы имеют низкие литейные свойства - пониженную жидкотекучесть, повышенную усадку, склонны к образованию трещин. Для получения отливок применяют литье в кокиль, песчаные формы и другие способы. Для предупреждения образования усадочных раковин и пористости в формах предусматривают установку прибылей, питающих бобышек и хо-

лодильников.

Производство отливок из сплавов меди

Чистая медь имеет высокую тепло- и электропроводность, пластич-

ность, но невысокую прочность. Для изготовления отливок она не применя-

ется, используются сплавы меди: бронзы и латуни.

Бронзы - это сплавы меди с оловом и другими элементами, в зависимо-

сти, от содержания которых бронзы делятся на: оловянные и безоловянные.

Наиболее известными и ценными материалами являются оловянные бронзы,

которые обладают высокими антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью, сопротивлением износу и являются прекрасным материалом для подшипников скольжения, втулок, червячных колес и других изделий. Одна-

ко вследствие дефицитности олова, оловянные бронзы часто заменяются другими – алюминиевыми, марганцевыми, бериллиевыми и другими специ-

альными бронзами.

Латуни – это сплавы меди с цинком и другими элементами, обладаю-

щие высокими технологическими, механическими и коррозионными свойст-

вами, благодаря которым широко применяются для изготовления деталей морских судов, втулок и сепараторов подшипников, червячных винтов и дру-

гих изделий.

Маркировка литейных бронз и латуней начинается соответственно с букв « БР» или « Л», за ними следуют буквы, показывающие какие элементы входят в состав сплава, и цифры, стоящие после букв – процентное содержа-

ние данных элементов в сплаве. Приняты следующие обозначения элемен-

79

тов: О – олово, А - алюминий, Ц – цинк, К- кремний, Ф – фосфор, С –свинец,

Ж – железо, Мц - марганец. Например, БР О5Ц5С5 – бронза, где олова, цинка и свинца по 5%, остальное – медь.

Медные сплавы имеют хорошую жидкотекучесть, достаточно высокую усадку, что обусловливает необходимость установки в форме прибылей или питающих бобышек для предотвращения образования в отливке усадочных раковин и пористости.

Для плавки медных сплавов применяют индукционные тигельные и канальные печи, где процесс ведут под слоем древесного угля для предот-

вращения окисления и газонасыщения жидкого металла.

Отливки из медных сплавов изготавливают литьем в песчаные формы,

оболочковые формы, кокиль, под давлением, центробежным литьем.

3.6. Технологические принципы конструирования отливок

Конструкция литой детали должна обеспечивать высокий уровень ме-

ханических и эксплуатационных свойств детали при заданной массе, конфи-

гурации, точности размеров, технологичности изготовления литой заготовки

иобработки ее резанием.

Втехнологичных конструкциях литых деталей должны быть преду-

смотрены простые, прямолинейные контуры, облегчающие изготовление ли-

тейной оснастки и самих отливок.

При разработке конструкции литой детали обычно удается спроектиро-

вать ее в нескольких вариантах, равноценных с точки зрения работоспособ-

ности. Однако эти варианты могут существенно отличаться по сложности из-

готовления отливок, обусловленной особенностями литейного производства.

Наиболее существенное влияние конфигурация отливки оказывает на трудоемкость процесса формовки.

Приливы, бобышки, фланцы, ребра жесткости и другие выступающие части детали желательно конструировать так, чтобы облегчить извлечение

80