Основы литейного производства. Специальные способы литья

1)Схема технологического процесса производства отливок в разовых песчано- глинистых формах

Литейная технология – это процесс получения литых заготовок путем заливки расплавленного металла в формы, полость которых повторяет конфигурацию отливки. При охлаждении металл отвердевает и принимает конфигурацию полости формы.

     Литьем получают разнообразные конструкции отливок массой от нескольких грамм до 300т, длиной от нескольких сантиметров до 20м, 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 сплавов (чугуны, стали) и цветных сплавов(алюминиевых, магниевых, медных, цинковых, титановых и др.).

     Для получения расплава применяют шихтовые материалы:

-         небольшие слитки металлургического производства (чушки)

-         отходы собственного производства

-         лом

-         флюсы

2)Литейные свойства металов и сплавов

Жидкотекучесть - это способность металлов и сплавов течь в расплавленном состоянии по каналам литейной формы, заполнять её полости и чётко воспроизводить контуры отливки.

Жидкотекучесть литейных сплавов 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 тоньше 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, выражаемую в относительных единицах.

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, %:   

где l_ф и l_отл – размеры полости формы и отливки при температуре 20°C.

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. Усадку алюминиевых сплавов уменьшаем повышение содержания кремния. Усадку отливок уменьшает снижение температуры заливки. Увеличение скорости отвода теплоты от залитого в форму сплава приводит к возрастанию усадки отливки.

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 для серого чугуна составляет 0,9-1,3%, для высокопрочного чугуна до 1.7%, для ковкого чугуна …%, для углеродистых сталей  2-2,4%, для алюминиевых сплавов   0,9-1,5%, для медных 1,4-2,3%.

Объёмная усадка - уменьшение объёма сплава при его охлаждении в литейной форме при формировании отливки. Объёмную усадку определяют соотношением, %:      

где V_ф и V_отл – объем полости формы и отливки при температуре 20°C. Объемная усадка приблизительно равна утроенной линейной усадке.

Усадка в отливках проявляется в виде:

• усадочных раковин - сравнительно крупных полостей, расположенных в местах отливки, которые затвердевают последними; (На рис.2 показан процесс образования усадочной раковины в отливке.)

• усадочной пористости - скопление пустот, образовавшихся в отливке в обширной зоне в результате усадки в тех местах отливки, которые затвердели последними без доступа к ним расплавленного металла;

• трещин;

• короблений - изменение формы и размеров отливки под влиянием напряжений, возникающих при охлаждении.

Склонность к поглощению газов

Определение содержания газа и наличия газовых пузырей в отливке: К числу литейных свойств относится также склонность сплава к поглощению газов. В общем сплав считается в этом отношении тем лучше, чем труднее он поглощает газы и чем меньше он их содержит. Однако в некоторых случаях с образование газовых пузырей может быть даже желательным, например, когда устранение усадочной раковины и тому подобных не плотностей другими способами представляет слишком большие трудности. Определение содержания газа путем газового анализа вряд ли может применяться при нормальных испытаниях, так как подобная методика слишком сложна. В этом случае расплав оставляют затвердевать в маленьким тигле под стеклянным колоколом, соединенным с вакуум-насосом. Интересно далее, что количество и характер газовых пор даже в очень сходных сплавах могут быть совершенно различными в зависимости от условий. Склонность к образованию пор у алюминиевых сплавов, особенна т силумина, на практике устанавливается часто путем отливки клиньев или снабженных заплечиками образцов и путем излома или чистой обработки их в различных местах.

Характер формирования литой поверхности. Под характером формирования литой поверхности металлов и сплавов подразумевают их способность воспроизводить профиль поверхности формы (шероховатость, механический пригар), склонность к образованию макронеровностей (спаи), склонность к химическому взаимодействию с формой (химический пригар).

Формирование литой поверхности определяется условиями взаимодействия расплава с материалом литейной формы. эти условия зависят от целого комплекса факторов: от теплофизических свойств металла и формы, их химического состава, гидродинамики потока во время заполнения форм, от изменения физико-химических свойств металла и формы с изменением температуры.

Качество поверхности художественной отливки во многом определяет эстетическую ценность изделия. Важное значение имеет отражательная способность поверхности, обрабатываемость (шлифуемость и полируемость), взаимодействие с различными реагентами при патинировании.

Немаловажна и себестоимость изделия. Приходится искать технологические решения, позволяющие сочетать умеренные затраты на изготовление отливки с высоким качеством поверхности.

В машиностроении к качеству литой поверхности предъявляются другие требования, обеспечивающие высокие механические свойства, химическую стойкость, низкие гидравлические потери, обрабатываемость литой детали и др.

Шероховатость поверхности характеризуется средним арифметическим отклонением измеренного профиля от его средний линии Ra и высотой неровностей Rz определяемой как расстояние между пятью высшими точками и пятью низшими точками, находящимися в пределах базовой длины (ГОСТ 2789-73).

Шероховатость отливки непосредственно зависит от шероховатости поверхности формы. Чем крупнее зерна формовочного материала, тем больше шероховатость поверхности отливки.

Формирование профиля литой поверхности определяется двумя факторами - смачиваемостью формы металлом и условиями теплоотвода на границе "металл-форма" в начальный период затвердевания отливки. Смачиваемость оценивают по краевому углу смачивания, интенсивность теплоотвода - по температуропроводности (м²/с) формовочного материала а = λ / (с_рр).

Литейная форма является пористым телом. Ее пористость колеблется в пределах от 15 до 45%. Причем основная часть пор относится к капилярным, т.е. таким, в которых форма поверхности жидкости зависит от поверхности сил и мало искажена силой тяжести.

Проникновению жидкого металла в поры формы происходит при условии, если давление металла р_м на границе "металл-форма" превышает капиллярное противодавление формы р_z.

р_м > р_z.

Давление металла

р_м = Hpq

где, Н - гидростатический напор металла (высота столба); q - укорение силы тяжести; р - плотность жидкого металла.

Капиллярное противодавление

р_к = (2 σ cos θ) / r

где σ - поверхностное напряжение; θ - краевой угол смачивания формы металлом; r - радиус поры формы.

НАПРЯЖЕНИЕ В ОТЛИВКАХ - удельная внутренняя сила, возникающая в отливках под влиянием внешних воздействий (усадки, изменения температур и пр.). Напряжение в отливках, действующие в некоторый момент времени, называется временными. Если напряжения вызывают пластические деформации, то после охлаждения в отливке возникают остаточные напряжения, которые подразделяют на усадочные, фазовые и термические (или температурные).

Трещиностойкость. Это - способность металлов и сплавов к релаксации (ослаблению, уменьшению) напряжений, возникающих в отливке при затвердевании и охлаждении, в результате усадки, фазовых превращений или температурного перепада.

В практике литья обычно различают два вида трещин - горячие и холодные. Это деление весьма условно. Считается, что горячие трещины образуются в области, близкой к температуре солидус. По внешнему виду эти трещины отличаются окисленной поверхностью, в особенности - на стальных отливках. Холодные трещины, в отличие от горячих, имеют поверхность и образуются в области упругих деформаций при температуре, которая значительно ниже температуры окончания кристаллизации.

Склонность компонентов сплавов к ликвации

Ликвацией называется неоднородность химического состава в объеме отливки. Одной из основных причин возникновения ликвации является отклонение условий кристаллизации сплава в отливке от равновесных. Различают зональную ликвацию (прямую и обратную), внут-рикристаллическую (дендритную) ликвацию и ликвацию по плотности (гравитационная ликвация).