Астафьева Е.А. Технология конструкционных материалов

Подождите немного. Документ загружается.

ГЛАВА 5. ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

–

СПОСОБ ПЕРВИЧНОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЗАГОТОВОК

5.1. Кристаллизация металлов



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -111-

электронные фазы. Например, при электронной концентрации 3/2, 21/13, 7/4

фазам β, γ, ε в сплавах Cu–Zn соответствуют формулы CuZn, Cu

, CuZn

Форма и размер зерен, образующихся при кристаллизации, зависят от

условий их роста, главным образом от скорости и направления отвода

теплоты и температуры жидкого металла, а также от содержания примесей.

Рост зерна происходит по дендритной (древовидной) схеме, представ-

ленной на рис. 5.8

. Установлено, что максимальная скорость роста кристал-

лов наблюдается по таким плоскостям и направлениям, которые имеют

наибольшую плотность упаковки атомов. В результате вырастают длинные

ветви, которые называются осями первого порядка 1. По мере роста на осях

первого порядка появляются и начинают расти ветви второго порядка 2, от

которых ответвляются оси третьего порядка 3 и т. д. В последн

юю очередь

идет кристаллизация в участках между осями дендритов.

Дендриты растут до тех пор, пока не соприкоснутся между собой.

После этого окончательно заполняются межосные пространства, и дендриты

превращаются в полновесные кристаллы с неправильной внешней огранкой.

Такие кристаллы называют зернами или кристаллитами.

При недостатке жидкого металла для заполнения межосных

пространств (например, на открытой поверхности слитка или в усадочной

раковине) кристалл сохраняет дендритную форму. На грани

цах между

зернами в участках между осями дендритов накапливаются примеси.

а б

Рис. 5.8. Схемы образования и строения дендритов

Химическая неоднородность, или ликвация, возникает вследствие

уменьшения растворимости примесей в металле, при его переходе из жидкого

состояния в твердое. Кроме того, между осями дендритов появляются поры

из-за усадки и трудностей подхода жидкого металла к фронту кристалли-

зации.

ГЛАВА 5. ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

–

СПОСОБ ПЕРВИЧНОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЗАГОТОВОК

5.1. Кристаллизация металлов



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -112-

Условия отвода теплоты при кристаллизации значительно влияют на

форму зерен. Кристаллы растут преимущественно в направлении, обратном

отводу теплоты. Поэтому при направленном теплоотводе образуются

вытянутые (столбчатые) кристаллы. Если теплота от растущего кристалла

отводится во всех трех направлениях с приблизительно одинаковой

скоростью, формируются равноосные кристаллы.

Структура слитка зависит от многих факторов, основные из которых

следующие: колич

ество и свойства примесей в чистом металле или легирую-

щих элементов в сплаве, температура разливки, скорость охлаждения при

кристаллизации, а также конфигурация, температура, теплопроводность, со-

стояние внутренней поверхности литейной формы. На рис. 5.9

приведены

схемы макроструктур слитков, полученных в простой вертикальной металли-

ческой форме.

Типичная структура слитка сплавов, приведенная на рис. 5.9

, а, состоит

из трех зон. Жидкий металл прежде всего переохлаждается в местах сопри-

косновения с холодными стенками формы. Большая степень переохлаждения

способствует образованию на поверхности слитка зоны 1 мелких равноосных

кристаллов. Отсутствие направленного роста кристаллов этой зоны объясня-

ется их случайной ориентацией, которая является причиной столкновения

кристаллов и прекращения их роста. Ориентация кристаллов, в сво

ю очередь,

зависит от состояния поверхности формы (шероховатость, адсорбированные

газы, влага) и наличия в жидком металле оксидов, неметаллических включе-

ний. Эта зона очень тонка и не всегда различима невооруженным глазом.

а б в

Рис. 5.9. Схемы макроструктур слитков: а – типичная;

б – транскристаллическая; в – однородная мелкозернистая

Затем происходит преимущественный рост кристаллов, наиболее бла-

гоприятно ориентированных по отношению к теплоотводу. Так образуется

зона 2 (рис.

5.9, а) столбчатых кристаллов, расположенных нормально к

стенкам формы. Наконец, в середине слитка, где наблюдается наименьшая

степень переохлаждения и не ощущается направленный отвод теплоты,

образуются равноосные кристаллы больших размеров (зона 3 на рис. 5.

9, а).

ГЛАВА 5. ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

–

СПОСОБ ПЕРВИЧНОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЗАГОТОВОК

5.1. Кристаллизация металлов



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -113-

Применяя различные технологические приемы, можно изменить

количественное соотношение зон или исключить из структуры слитка какую-

либо зону вообще. Например, перегрев сплавов перед разливкой и быстрое

охлаждение при кристаллизации приводят к формированию структуры,

состоящей практически из одних столбчатых кристаллов (рис. 5.

9, б). Такая

структура называется транскристаллической. Подобную структуру имеют

слитки очень чистых металлов. Зона столбчатых кристаллов характеризуется

наибольшей плотностью, но в месте стыка столбчатых кристаллов собира-

ются нерастворимые примеси и слитки с транскристаллической структурой

часто растрескиваются при обработке давлением. Транскристаллическая

структура, образовываясь в сварных швах, уменьшает их прочность.

Низкая температура разливки сплавов, продувка жидкого металл

инертными газами, вибрация, модифицирование приводят к уменьшению и

даже исчезновению зоны столбчатых кристаллов и получению слитков со

структурой, состоящей из равноосных кристаллов (рис. 5.9, в

В верхней части слитка, которая затвердевает в последнюю очередь,

концентрируется усадочная раковина. Под усадочной раковиной металл

получается рыхлым, в нем содержится много усадочных пор. Часть слитка с

усадочной раковиной и рыхлым металлом отрезают.

Качественная структура формируется при непрерывной разливке. В

этом случае жидкий металл поступает из печи через специальное устрой-ство

непосредственно в в

одоохлаждаемый кристаллизатор, а затвердевший металл

непрерывно вытягивается с противоположного конца кристаллиза-тора. При

этом литой металл отличается высокой пластичностью и мелко-зернистой

структурой, приближаясь по качеству к деформированному металлу.

Применение этого способа разливки позволяет автоматизировать и

механизировать технологический процесс, сократить производственные

площади, полностью исключить применение изложниц, разгрузить обжимное

оборудов

ание, облегчить труд обслуживающего персонала, увеличить выход

годного металла вследствие заполнения жидким металлом усадочной

раковины. Все это приводит к уменьшению себестоимости металла.

Строение стальных слитков. На строение стального слитка большое

влияние оказывает степень раскисления стали.

По степени раскисления и характеру затвердевания стали классифици-

руют на спокойные, полуспокойные и кипящие.

Раскисление проводится для предотвращения хрупкого разрушения

стали при горячей деформации. Для раскисления кремний и марганец вводят

в сталь в виде ферросплавов, алюминий − в чистом виде.

Кипящие стали раскисляют только ферромарганцем. В таких сталях

остает

ся растворенный FеО и при кристаллизации продолжается процесс

кипения по реакции

FеО + С = Fe + CО

ГЛАВА 5. ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

–

СПОСОБ ПЕРВИЧНОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЗАГОТОВОК

5.1. Кристаллизация металлов



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -114-

Перед разливкой кипящие стали содержат повышенное количество

кислорода, который удаляется в виде СО. Выделение пузырей СО создает

впечатление кипения стали, с чем и связано ее название.

Кипящие стали дешевы. Их производят низкоуглеродистыми и практи-

чески без кремния (Si ≤ 0,07 %), но с повышенным количеством газообраз-

ных примесей. Газовые пузыри остаются в теле слитка и завари

ваются при

последующей прокатке. Кипящая сталь дает наиболее высокий выход

годного металла.

Полуспокойные стали по степени раскисления занимают промежуточ-

ное положение между спокойными и кипящими.

Спокойная сталь (рис. 5.10, а, г

) содержит мало кислорода и затверде-

вает без выделения газов, в верхней части слитка образуется усадочная

раковина 1, а в средней – усадочная осевая рыхлость.

Для устранения усадочных дефектов слитки спокойной стали отливают

с прибылью, которая образуется с помощью надставки на изложницу. Стенки

надставки футерованы огнеупорной массой малой теплопроводности.

Поэтому сталь в прибыли долгое время ост

ается жидкой и питает слиток, а

усадочная раковина располагается в прибыли.

Стальные слитки неоднородны по химическому составу. Дендритная

ликвация – неоднородность состава стали в пределах одного кристалла

(дендрита) – центральной оси и ветвей. Например, при кристаллизации стали

содержание серы на границах дендрита по сравнению с содержанием в

центре увеличивается в 2 раза, фосфора – в 1,2 раза, а углерода уменьшается

почти в 2 раза.

Зональная ликвация – неодн

ородность состава стали в различных час-

тях слитка. В верхней части слитка из-за конвекции жидкого металла содер-

жание серы, фосфора и углерода увеличивается в несколько раз (рис. 5.10, г

а в нижней части – уменьшается. Зональная ликвация приводит к отбраковке

металла вследствие отклонения его свойств от заданных. Поэтому прибыль-

ную и подприбыльную части слитка, а также его донную часть при прокатке

отрезают.

В слитках кипящей стали (рис. 5.10, б, д

) не образуется усадочная рако-

вина: усадка стали рассредоточена по полостям газовых пузырей, возника-

ющих при кипении стали в изложнице. При прокатке слитка газовые пузыри

завариваются. Кипение стали влияет на зональную ликвацию в слитках,

которая развита в них больше, чем в слитках спокойной стали. Углерод, сера

и фосфор потоком металла выносятся в верхнюю часть слитка, так как в дон-

ной ликвация мал

а. Для уменьшения ликвации кипение после заполнения

изложницы прекращают, накрывая слиток металлической крышкой

(«механическое закупоривание»), либо раскисляют металл алюминием или

ферросилицием в верхней части слитка («химическое закупоривание»).

Слиток кипящей стали имеет следующее строение (рис. 5.10, б

плотную наружную корку А без пузырей, из мелких кристаллитов; зону

сотовых пузырей П, вытянутых к оси слитка и располагающихся между

кристаллитами Б; зону В неориентированных кристаллов; промежуточную

ГЛАВА 5. ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

–

СПОСОБ ПЕРВИЧНОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЗАГОТОВОК

5.1. Кристаллизация металлов



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -115-

зону С; зону вторичных круглых пузырей К и среднюю зону Д с отдельными

пузырями, которых больше в верхней части слитка.

а б в

г д е

Рис. 5.10. Схема строения стальных слитков

Полуспокойная сталь (рис. 5.10, в, е

) частично раскисляется в печи и

ковше, а частично – в изложнице. Слиток полуспокойной стали имеет в

нижней части структуру спокойной стали, в верхней – кипящей. Ликвация в

верхней части слитков полуспокойной стали меньше, чем у кипящей, и

близка к ликвации спокойной стали. Слитки полуспокойной стали не имеют

усадочной раковины.

Литейным производством называется технологический процесс

получения фасонных деталей или заготовок путем заливки расплавленного

металла в формы. После затвердевания металла в форме получается отливка,

ГЛАВА 5. ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

–

СПОСОБ ПЕРВИЧНОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЗАГОТОВОК

5.2. Сущность и значение технологического процесса формообразования методами литья



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -116-

служащая, как правило, заготовкой для изготовления детали.

Отливки получают из черных металлов и сплавов (стали, серого и ков-

кого чугуна), а также из цветных металлов и сплавов (алюминиевых, магние-

вых, медных – бронзы, латуни и т. д.). Детали из них составляют от 25 до 90 %

веса отдельных машин. Литьем изготовляют как простые, так и самы

сложные детали автомобилей, тракторов (поршни, поршневые кольца, гильзы

и блоки цилиндров двигателей, корпуса насосов, компрессоров, коробки

передач, шестерни и др.), металлорежущих станков, прокатных станов и т. д.

Метод литья является универсальным: используя его, можно изготов-

лять изделия весьма сложной конфигурации, которые при помощи других

видов обработок – ковки, штамповки, сварки – получить или значительно

труднее, или невозможно. Стоимость литой детали в большинстве случ

аев

оказывается ниже стоимости аналогичной детали, изготовленной другими

методами.

Для изготовления отливок применяют различные способы литья: в

песчаные формы, в оболочковые формы, литье по выплавляемым моделям, в

кокиль, под давлением, центробежное литье и др.

По условиям эксплуатации, независимо от способа изготовления,

различают отливки:

•

общего назначения, т. е. отливки для деталей, не рассчитываемых на

прочность;

•

ответственного назначения, т. е. отливки для деталей, рассчиты-

ваемых на прочность и работающих при статических нагрузках;

•

особо ответственного назначения, т. е. отливки для деталей, рассчи-

тываемых на прочность и работающих при циклических и динамических

нагрузках.

В зависимости от способа изготовления, массы, конфигурации поверх-

ностей, габаритного размера, толщины стенок, количества стержней,

назначения и особых технических требований отливки делят на 6 групп

сложности.

В качестве примера рассмотрим отливки первой и шестой группы.

Первая группа ха

рактеризуется гладкими и прямолинейными наружными

поверхностями с наличием невысоких усиливающих ребер, буртов, фланцев.

Внутренние поверхности имеют простую форму. Типовые детали – крышки,

рукоятки, диски, фланцы, муфты, колеса вагонеток, маховики для вентилей и

т. д.

Шестая группа – отливки с особо сложными закрытыми коробчатыми и

цилиндрическими формами. На наружных криволинейных поверхностях по

различными углами пересекаются ребра, кронштейны и фланцы. Внутренние

полости имеют особо сложные конфигурации с затрудненными выходами на

поверхность отливки. Типовые детали – станины специальных

ГЛАВА 5. ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

–

СПОСОБ ПЕРВИЧНОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЗАГОТОВОК

5.2. Сущность и значение технологического процесса формообразования методами литья



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -117-

металлорежущих станков (МРС), сложные корпуса центробежных насосов,

детали воздуходувок, рабочие колеса гидротурбин.

В зависимости от способа изготовления типовых деталей, их габаритных

размеров и типа сплавов ГОСТ 26645−85 устанавливает 22 класса точности.

Требования к материалам, используемым для получения отливок:

•

состав материалов должен обеспечивать получение в отливке задан-

ных физико-механических и физико-химических свойств; свойства и струк-

тура должны быть стабильными в течение всего срока эксплуатации отливки;

•

материалы должны обладать хорошими литейными свойствами

(высокой жидкотекучестью, небольшой усадкой, низкой склонностью к

образованию трещин и поглощению газов, герметичностью), хорошо

свариваться, легко обрабатываться режущим инструментом;

•

материалы не должны быть токсичными и вредными для производ-

ства;

•

материалы должны обеспечивать технологичность в условиях произ-

водства и быть экономичными.

Получение качественных отливок (без раковин, трещин и других де-

фектов) зависит от литейных свойств, которые проявляются при заполнении

формы, кристаллизации и охлаждении отливок в форме. К основным

литейным свойствам сплавов относят: жидкотекучесть, усадку сплавов,

склонность к образованию трещин, газопоглощение, ликвацию.

Жидкотекучесть – способность расплавленного металла течь по ка-

налам литейной формы, заполнять ее полости и четко воспроизводить

контуры отливки.

При высокой жидкотекучести сплавы заполняют все элементы литей-

ной формы.

Жидкотекучесть зависит от многих факторов: от температурного

интервала кристаллизации, вязкости и поверхностного натяжения расплава,

температуры заливки и формы, свойств формы и т. д.

Чистые металлы и сплавы, за

твердевающие при постоянной темпера-

туре, обладают лучшей жидкотекучестью, чем сплавы, затвердевающие в

интервале температур (твердые растворы). Чем выше вязкость, тем меньше

жидкотекучесть. С увеличением поверхностного натяжения жидкотекучесть

понижается. С повышением температуры заливки расплавленного металла и

формы жидкотекучесть улучшается. Увеличение теплопроводности мате-

риала формы снижает жидкотекучесть. Так, песчаная форма отводит теплоту

медленнее, и расп

лавленный металл заполняет ее лучше, чем металлическую

форму. Наличие неметаллических включений снижает жидкотекучесть. На

ГЛАВА 5. ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

–

СПОСОБ ПЕРВИЧНОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЗАГОТОВОК

5.2. Сущность и значение технологического процесса формообразования методами литья



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -118-

жидкотекучесть влияет также химический состав сплава: с увеличением

содержания серы, кислорода, хрома жидкотекучесть снижается; с увеличе-

нием содержания фосфора, кремния, алюминия, углерода жидкотекучесть

увеличивается.

Усадка – свойство металлов и сплавов уменьшать объем при охлаж-

дении в расплавленном состоянии, в процессе затвердевания и в затвердев-

шем состоянии при охлаждении до температуры окружающей среды.

Изменение объема зависит от химического состава сплава, температуры

заливки, конфигурации отливки.

Различают объемную и линейную усадку. В результате объемной усад-

ки появляются усадочные раковины и усадочная пористость в массивн

ых

частях отливки. Для предупреждения образования усадочных раковин

устанавливают прибыли – дополнительные резервуары с расплавленным

металлом, а также наружные или внутренние холодильники.

Линейная усадка определяет размерную точность полученных отливок

(поэтому она учитывается при разработке технологии литья и изготовления

модельной оснастки) и составляет: для серого чугуна от 0,8 до 1,3 %; для

углеродистых сталей от 2 до 2,4 %; для алюминиевых сплавов от 0,9 до 1,45

%; для медных сплавов от 1,4 до 2,3 %.

Газопоглощение – способность литейных сплавов в расплавленном

состоянии растворять водород, азот, кислород и другие газы. Степень

растворимости газов зависит от состояния сплава: увеличивается

незначительно с повышением температуры твердого сплава; возрастает при

плавлении; резко повышается при перегреве расплава. При затвердевании и

последующем охлаждении растворимость газов уменьшается, в результате

чего в отливке могут образоваться газовые раковины и поры.

Растворимость газов зависи

т от химического состава сплава, темпера-

туры заливки, вязкости сплава и свойств литейной формы.

Для изготовления отливок служит литейная форма, представляющая

собой систему элементов, образующих рабочую полость, при заливке

которой расплавленным металлом формируется отливка.

Литейные формы изготовляют как из неметаллических материалов

(песчаные формы; формы, изготовляемые по выплавляемым моделям; обо-

лочковые формы) для одноразового использования, так и из металлов (коки-

ли, изложницы для центробежного литья) для многократного использования.

ГЛАВА 5. ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

–

СПОСОБ ПЕРВИЧНОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЗАГОТОВОК

5.3. Способы изготовления отливок



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -119-

Литье в песчаные формы является самым распространенным способом

изготовления отливок. Изготавливают отливки из чугуна, стали, цветных

металлов от нескольких граммов до сотен тонн, с толщиной стенки от 3 до

1000 мм и длиной до 10

000 мм.

Схема технологического процесса изготовления отливок в песчаных

формах представлена на рис. 5.11

Сущность литья в песчаные формы заключается в получении отливок

из расплавленного металла, затвердевшего в формах, которые изготовлены из

формовочных смесей путем уплотнения с использованием модельного

комплекта.

Рис. 5.11. Схема технологического процесса изготовления отливок в песчаных

формах

Литейная форма для получения отливок в песчаных формах, представ-

ленная на рис. 5.12

, обычно состоит из верхней и нижней полуформ, которые

изготавливаются в опоках 5 и 4, приспособлениях для удержания формовоч-

ной смеси 3.

Для образования полостей отверстий или иных сложных контуров в

формы устанавливают литейные стержни 2, которые фиксируют посредст-

вом выступов, входящих в соответствующие впадины формы (знаки).

Литейную форму заливают расплавленным металлом через литнико-

вую систему – совокупность ка

налов и резервуаров, по которым расплав

поступает из разливочного ковша в полость формы 1. Основными элемен-

тами литниковой системы являются: литниковая чаша 9, которая служит для

приема расплавленного металла и подачи его в форму; стояк 8 –

вертикальный канал для подачи металла из литниковой чаши в рабочую

полость ил

и к другим элементам; шлакоуловитель 7, с помощью которого

удерживается шлак и другие неметаллические примеси; питатель 6 (один или

Изготовление

моделей и

стержневых

ящиков

Приготовление

формовочных

и стержневых

смесей

Изготовление

стержней

Изготовление

полуформ

Сборка

форм

Заливка

форм

Выбивка,

обрубка и

очистка

отливок

Приготовление

расплавленного

металла

Выбивка,

обрубка

и очистка

отливок

Контроль

качества

отливок

Механическая

обработка

ГЛАВА 5. ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

–

СПОСОБ ПЕРВИЧНОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЗАГОТОВОК

5.3. Способы изготовления отливок



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -120-

несколько), через который расплавленный металл подводится в полость

литейной формы.

Для вывода газов, контроля заполнения формы расплавленным

металлом и питания отливки при ее затвердевании служат прибыли или

выпор 10. Для вывода газов предназначены и вентиляционные каналы 11.

Различают литниковые системы с питателями, расположенными в

горизонтальной и вертикальной плоскостях.

По способу подвода расплава в рабочую полость формы литниковые

сист

емы делят на нижнюю, верхнюю и боковую (рис. 5.13

Рис. 5.12. Литейная форма для получения отливки рычага: 1 – полость формы; 2 –

стержни; 3 – формовочная смесь; 4 – нижняя опока; 5 – верхняя опока; 6 – питатель; 7 −

шлакоуловитель; 8 − стояк; 9 – литниковая чаша; 10 – выпоры; 11 – газоканалы

б в

Рис. 5.13. Разновидности литниковых систем: а – боковая; б – нижняя; в – верхняя

Нижняя литниковая система (рис. 5.13, б

) широко используется для

литья сплавов, легко окисляющихся и насыщающихся газами (алюминий),

8 9

10 11

Ст. 1

Ст. 2