ЛЕКЦИИ литьё, страница 2

Литниковые системы бывают сужающимися и расширяющимися. Сужающаяся литниковая система используется при изготовлении чугунных отливок и имеет последовательное уменьшение площадей S поперечных сечений стояка 1 (рис. 3.7), шлакоуловителя 2 и питателей 3, т.е. S_с > S_ш > S_п. Такая литниковая система обеспечивает быстрое заполнение расплавом всех каналов и лучшее улавливание шлака. Однако в полость литейной формы расплав поступает с высокой скоростью, что может приводить к разбрызгиванию и окислению расплава, захвату воздуха и размыву формы. Расширяющаяся литниковая система используется при изготовлении стальных отливок, а также отливок из алюминиевых, магниевых, медных и других легкоокисляющихся сплавов, и характеризуется последовательным увеличением площадей поперечных сечений стояка 1, шлакоуловителя 2 и питателей 3, т.е. S_с < S_ш < S_п. В такой литниковой системе скорость потока расплавленного металла снижается от стояка к питателям, в результате чего металл поступает в полость литейной формы спокойно, с меньшими разбрызгиванием, окислением и размытием стенок формы.

Модельная плита – это плита, которая формирует разъём литейной формы, и к которой перед началом формовки крепят опоку, модели отливки и элементов литниковой системы (рис. 3.1-д).

Модели, стрежневые ящики и модельные плиты образуют модельный комплект и для единичного и серийного производства изготавливаются деревянными, а для крупносерийного и массового производства – металлическими или пластмассовыми. Изготовление литейных форм с применением металлических приспособлений вместо деревянных обеспечивает бόльшую точность и более высокое качество поверхности отливок.

жи одновременно с заливкой металла в форму подают углекислый газ СО₂, который способствует окислению продуктов разложения модели и значительно снижает количество образующейся сажи.

По сравнению с обычной формовка по газифицируемым моделям имеет следующие преимущества: 1) становится возможным получение отливок сложной конфигурации без применения стержней; 2) значительно упрощается процесс изготовления литейной формы, а при использовании сухих формовочных смесей (сухого песка без глины) значительно снижается трудоёмкость не только формовки, но и выбивки формы после заливки; 3) благодаря неразъёмной форме и отсутствию операции извлечения модели отпадает необходимость выполнения формовочных уклонов, повышается точность отливки, исключаются заливы по плоскости разъёма, усложняющие очистку отливки.

В процессе любых видов литья происходят силовое, тепловое и химическое взаимодействия между отливкой и формой, обуславливающие определённые основные требования, согласно которым литейные формы должны обладать: 1) прочностью, т.е. способностью сохранять конфигурацию и размеры полости при изготовлении, транспортировке к месту заливки металлом и последующем затвердевании и охлаждении отливки; 2) огнеупорностью, т.е. способностью при высокой температуре не размягчаться, не расплавляться и не вступать в химическое взаимодействие с заливаемым металлом; 3) высокой газопроницаемостью, т.е. способностью беспрепятственно пропускать сквозь себя газы и пары влаги, образующиеся при заливке расплавленного металла; 4) податливостью, т.е. способностью сжиматься и не оказывать чрезмерного сопротивления усадке отливки.

После достаточного охлаждения отливки в литейной форме осуществляется её очистка, включающая перечисленные далее операции.

Сначала осуществляют выбивку отливки, производимую с разрушением формы на различных выбивных установках, например, вибрационных решётках. Выбивку стержней осуществляют вибрационно-пневматическими или гидравлическими устройствами, подающими струю воды под высоким давлением около 10 МПа (для сравнения: предел текучести свинца при комнатной температуре равен 20 МПа).

Затем выполняют обрубку отливки, т.е. удаление литников, выпоров, прибылей, а также возможных заливов по плоскости сопряжения полуформ. Для обрубки чугунных отливок используют молотки, кувалды и пневматические зубила (отбойные молотки). Обрубку стальных отливок выполняют с помощью газовой или плазменной резки, а также на обрезных прессах. Для обрубки отливок из алюминиевых, магниевых или медных сплавов используют ленточные и дисковые пилы.

После обрубки выполняют зачистку отливки, удаляя мелкие заливы, остатки литников, выпоров и прибылей с помощью переносных или стационарных шлифовальных кругов, пневматических зубил, а также путём газовой или плазменной обработки.

В завершение делают окончательную очистку отливки, удаляя остатки формовочной и стержневой смеси, а также дефектный пригоревший слой с её наружных и внутренних поверхностей. Для этого помещают отливку в галтовочный барабан (т.е. вращающийся барабан, наполненный абразивными материалами типа песка, наждака или корунда), а также используют гидропескоструйные или дробемётные установки (создающие ударное воздействие струёй металлической дроби), химическую или электрохимическую обработку.

3.3. Литейные свойства материала

Не все материалы в одинаковой степени пригодны для изготовления фасонных отливок. Из одних материалов (серого чугуна, силумина) можно легко изготовить отливку сложной конфигурации, а из других (магниевые и титановые сплавы, легированные стали) получение отливок затруднительно. Литейность, т.е. пригодность материала для литья, определяют рассматриваемые далее литейные свойства.

Жидкотекучесть – способность расплавленного материала течь по каналам литейной формы, заполнять её полости и чётко воспроизводить контуры отливки. При высокой жидкотекучести литейный материал хорошо заполняет все элементы литейной формы, при низкой – полость формы заполняется частично, и в узких сечениях образуются недоливы.

Жидкотекучесть зависит от многих факторов. Повышение температуры заливки или температуры формы увеличивает жидкотекучесть всех материалов. Повышение теплопроводности материала формы приводит к более быстрому отводу теплоты залитого металла и соответствующему снижению жидкотекучести. Например, песчаная форма забирает теплоту расплавленного металла медленнее и потому заполняется лучше, чем металлическая форма, вызывающая значительно более быстрое охлаждение залитого металла. На жидкотекучесть влияет химический состав сплавов: с увеличением содержания серы, кислорода и хрома жидкотекучесть снижается, а с повышением содержания фосфора, кремния, углерода и алюминия, наоборот, возрастает.

В зависимости от жидкотекучести сплава выбирают минимальную толщину стенок отливок. Например, при литье в песчаные формы минимальная толщина небольших отливок из серого чугуна 3 мм, а стальных – 5 мм, т.е. почти вдвое больше.

Усадка, т.е. уменьшение объёма при затвердевании сплава, в основном зависит от химического состава и температуры заливки сплава и в технологическом отношении подразделяется на объёмную и линейную. Объёмная усадка – уменьшение объёма сплава при его охлаждении от температуры заливки до температуры окружающей среды (20С). Линейная усадка – уменьшение линейных размеров отливки при её охлаждении до температуры окружающей среды. Относительная линейная усадка при литье

, (3.1)

где l_ф и l_от – размеры полости формы и отливки при температуре 20С.

Из формулы (3.1) следует, что

. (3.2)

Из формулы (3.2) видно, что линейная усадка определяет размерную точность получаемых отливок. Поэтому она учитывается при проектировании и изготовлении модельной оснастки и, соответственно, литейной формы. Каждый сплав имеет свою определённую линейную усадку: серые чугуны приблизительно 1,1%; стали – 2,2%; алюминиевые сплавы – 1,2%; магниевые сплавы – 1,3%; медные сплавы – 2,0%. И если нам необходимо изготовить, например, отливку из медного сплава с размером l_от=100 мм, то по формуле (3.2) соответствующий размер модели с учётом _л=2% должен иметь бόльшую величину l_ф=102 мм.

Ликвация, т.е. неоднородность химического состава литого материала в различных частях отливки, возникает вследствие затвердевания отдельных компонентов сплава не при одной и той же определённой температуре. Ликвация зависит от химического состава сплава, температуры заливки, скорости охлаждения, конфигурации отливки. Ликвация вызывает неоднородность механических свойств в различных частях отливки.

Склонность к образованию горячих трещин, т.е. дефектов в виде надрывов усадочного происхождения, возникающих в процессе кристаллизации сплава. Склонность к образованию горячих трещин зависит от состава сплава и усиливается при наличии в расплаве примесей и неметаллических включений типа водорода, азота, кислорода, серы, оксидов, нитридов, а также при перегреве металла перед заливкой.

Газопоглощение (газонасыщение), т.е. способность расплавленных литейных сплавов растворять в себе водород, азот, кислород и другие газы. Газопоглощение зависит от химического состава сплава, температуры заливки (при перегреве оно резко повышается) и свойств литейной формы и приводит к газовым раковинам и пористости.

3.4. Процессы взаимодействия отливки с литейной формой.

Возможные дефекты в отливке и пути их устранения

При литье отливка и форма испытывают тепловое, силовое и химическое взаимодействия, влияющие на размерную точность, качество поверхности, макро- и микроструктуру, механические и эксплуатационные свойства получаемого литого изделия.

Тепловое взаимодействие отливки и формы можно условно разбить на периоды, длительность которых зависит от состава и теплофизических свойств сплава и формовочной смеси, температуры заливки и массы отливки: 1) заполнение формы расплавленным металлом; 2) переход теплоты в форму, вызывающий остывание металла до достижения температуры начала кристаллизации; 3) затвердевание отливки; 4) охлаждение затвердевшей отливки в форме.

В процессе заполнения формы могут возникнуть два основных дефекта (рис. 3.9): недолив, т.е. неполное образование отливки из-за незаполнения полости формы расплавленным металлом, и спай – скруглённое углубление на поверхности отливки, образовавшееся из-за неполного слияния встречных потоков металла, остывающих по ходу течения.

Для предотвращения этих дефектов используют технологические и конструктивные мероприятия. К технологическим мероприятиям относятся: повышение температуры заливки, увеличение скорости заполнения формы расплавом, уменьшение потерь теплоты при заполнении формы расплавом путём её предварительного нагрева или изготовления из малотеплопроводных материалов. К конструктивным мероприятиям относится выбор минимально допустимой толщины стенки в зависимости от состава сплава, габаритных размеров и сложности отливки.

В целом процессы застывания и, соответственно, структура кристаллизованной отливки подобны застыванию и структуре слитка, показанной на рис. 2.8. В процессе кристаллизации отливки также возникают ликвация, усадка и выделение газовых пузырьков. Предел прочности изменяется по толщине отливки, уменьшаясь в направлении от поверхностной корки к сердцевине.

Для уменьшения зональной ликвации, которую нельзя устранить последующей термообработкой, необходимо выравнивать толщину стенок отливки, избегая образования массивных узлов, увеличивать скорость затвердевания отливки, снижать температуру заливки. В отличие от зональной дендритную ликвацию можно устранить отжигом полученной отливки.

Усадка может приводить к образованию усадочных раковин, усадочной пористости, короблению и образованию трещин.

Усадочная раковина – это дефект в виде достаточно крупной открытой или скрытой полости, расположенной в части отливки, которая затвердевала последней. Образование усадочной раковины характерно для сплавов, имеющих узкий температурный интервал кристаллизации. Усадочная раковина образуется следующим образом (рис. 3.10). После попадания расплава 1 в полость литейной формы (рис. 3.10-а) он начинает отдавать тепло её стенкам, в результате чего в зоне контакта образуется затвердевшая корка 2 (рис. 3.10-б), которая содержит внутри себя оставшуюся часть расплава подобно стакану, наполненному жидкостью. В результате затвердевания и охлаждения происходит объёмная усадка корки, вызывающая уменьшение толщины её стенок и дна и, соответственно, увеличение объёма внутренней полости, приводящего к понижению уровня заключённой в ней оставшейся части расплава (рис. 3.10-б). После этого застывает промежуточный слой 3 (рис. 3.10-в), приводя к новому понижению уровня оставшейся части расплава. Поскольку процессы затвердевания, усадки и понижения уровня расплава идут непрерывно, то в момент окончательного застывания сердцевины 4 (рис. 3.10-г) формируется характерная вогнутая поверхность усадочной раковины 5.

суммарное сокращение объёма металла в результате усадки проявляется не в виде большой, сосредоточенной в одном месте, полости 5 (рис. 3.10-г), а в виде локализованных в разных местах небольших пустот, придающих металлу губчатое строение (рис. 3.11).