ЛЕКЦИИ литьё, страница 3

Усадочные раковины и пористость нарушают сплошность отливки и снижают её прочность. Некоторое уменьшение объёма этих дефектов даёт снижение температуры заливаемого расплава. Но более надёжное предотвращение усадочных дефектов осуществляют двумя другими способами.

Первый способ заключается в непрерывном подводе расплавленного металла к наиболее массивным частям отливки, застывающим последними, с помощью прибылей (рис. 3.12), в которых расплав должен застывать уже после того, как застынут эти массивные части. Соответственно, усадочные раковины и пористость будут образовываться не в отливке, а в подлежащих удалению прибылях.

Второй способ заключается в выравнивании скоростей затвердевания массивных и тонких частей отливок с помощью установки в места образования массивных частей специальных холодильников, которые могут быть как внешние (наружные), так и внутренние (рис. 3.13). Металлические холодильники обладают высокими теплопроводностью и теплоёмкостью, позволяющими отводить теплоту от массивных частей отливки значительно интенсивнее отвода теплоты от тонких частей отливки в менее теплопроводный формовочный материал. Внутренние холодильники 4 (рис. 3.13-а) изготавливают из того же сплава, что и отливку, и устанавливают внутрь полости формы, образующей массивную часть отливки. При заполнении формы расплавом внутренние холодильники частично расплавляются и свариваются с основным металлом.

плавно увеличивающийся переход между узлами 4 и 6, тем самым сделав узел 3 бόльшим, чем узел 4. Этим будет целенаправленно обеспечена требуемая последовательность затвердевания, обеспечивающая получение отливки хорошего качества по всему объёму металла.

С момента заливки металла начинается силовое взаимодействие между отливкой и формой. В процессе заливки воздействие текущего металла на форму может привести к разрушению её отдельных частей, что вызовет искажение конфигурации и размеров отливки, а отвалившиеся куски формовочной смеси, попав в расплав, приведут к браку отливки по песчаным раковинам. Жидкий металл создаёт значительную выталкивающую силу, которая может заставить недостаточно закреплённый стержень сместиться или всплыть, а иногда и разрушиться. Выталкивающая сила может приподнять верхнюю полуформу, что приведёт к разливу металла по плоскости разъёма формы. Для предотвращения этих дефектов формовку надо проводить с хорошим уплотнением формовочной смеси, а все элементы, образующие форму, должны быть надёжно закреплены.

С момента начала затвердевания расплава развивается усадка, приводящая к уменьшению объёма и размеров отливки, которая начинает сжимать охватываемые ею элементы литейной формы (рис. 3.15; для упрощения размещения стержня показанный на этом рисунке корпус удобно отливать в перевёрнутом положении, т.е. с перевёрнутыми вверх опорными частями, включающими ножки и утолщения). Выступающие части формы и стержни препятствуют свободной усадке отливки, вызывая в ней усадочные напряжения _уф. Но препятствовать усадке могут не только элементы литейной формы, но и те части отливки, которые затвердели раньше соседних. Например, более тонкая опорная ножка 3 охладится и затвердеет быстрее сопряжённого с ней утолщения 4 и может начать препятствовать его свободной усадке в направлении, перпендикулярном плоскости чертежа, в котором нет препятствия усадке со стороны формы. В результате в этих сопряжённых частях отливки возникнут взаимные усадочные напряжения _уо. Кроме того, из-за неравномерного распределения температур между отдельными частыми или по толщине отливки возникнут термические напряжения _т. Наконец, могут появиться ещё и фазовые напряжения _ф, обусловленные неравномерностью выделения по объёму отливки различных фаз и структурных образований в процессе затвердевания. Например, при изготовлении отливки из серого чугуна на её наружной поверхности может формироваться цементитная структура, а в центральной части – структура с выделением графита. Это увеличит объём центральной части, что приведёт к возникновению растягивающих напряжений в наружных слоях и сжимающих напряжений в сердцевине.

Общие литейные напряжения _л определяются суммой усадочных, термических и фазовых напряжений

_л = _уф + _уо + _т + _ф, (3.3)

и, с учётом свойств материала отливки, при определённой величине могут вызвать дефекты в виде коробления, горячих или холодных трещин.

Коробление – это искажение форм и размеров отливки под влиянием литейных напряжений (рис. 3.16-б). Вероятность коробления возрастает при увеличении протяжённости частей отливки, уменьшении их толщины и усложнении конфигурации, приводящим к неравномерному охлаждению объёма отливки. Для предотвращения коробления нужно выравнивать охлаждение с помощью холодильников, а при изготовлении сложных отливок использовать сплавы с повышенной пластичностью или предусматривать рёбра жёсткости, укрепляющие тонкостенные элементы литых конструкций.

Горячие трещины обычно возникают в конце затвердевания отливки. Для предупреждения появления этих трещин необходимо создавать условия, способствующие формированию мелкозернистой структуры, избегать резких переходов между тонкими и массивными частями отливки, тщательно очищать расплавленный металл от газов и вредных примесей, по возможности снижать температуру заливки.

Холодные трещины обычно возникают в конце остывания отливки. Они чаще всего образуются в тонкостенных отливках сложной конфигурации, при склонности сплава к большой усадке, а также при наличии в сплаве вредных примесей (например, фосфора в стали). Для предотвращения появления этих трещин необходимо выравнивать охлаждение с помощью холодильников, а при изготовлении сложных отливок использовать сплавы с повышенной пластичностью.

В процессе затвердевания расплавленного металла, залитого в форму, будут выделяться растворённые в нём газы. Аналогично рассмотренному выше образованию усадочных дефектов, для сплавов, имеющих узкий температурный интервал кристаллизации, это может приводить к образованию газовых раковин, а для сплавов, имеющих широкий температурный интервал кристаллизации, это может приводить к образованию газовой пористости. Для уменьшения вероятности образования газовых раковин и пористости плавку металла следует вести под слоем флюса или в среде защитных газов, а перед заливкой расплавленный металл целесообразно дегазировать вакуумированием или продувкой инертными газами. Кроме того, следует увеличивать газопроницаемость форм и стержней, а также подсушивать форму, снижая влажность формовочной смеси.

На поверхности контакта расплавленного металла с формой в результате нагрева последней может образоваться пригар, представляющий собой трудноотделимый от поверхности отливки слой металла, включающий окислы и частицы формовочной смеси. Пригар ухудшает состояние поверхности оливки, увеличивает трудоёмкость её очистки, снижает стойкость инструмента при обработке резанием. Для уменьшения пригара рабочую поверхность формы перед заливкой покрывают защитными противопригарными покрытиями или используют для формирования этой поверхности специальные облицовочные смеси.

Ещё одним возможным дефектом литья является перекос, т.е. смещение одной части отливки относительно другой, возникающее в результате небрежной сборки частей формы, износа центрирующих штырей, несоответствия знаковых частей модели и стержня, неправильной установки стрежня в форму.

Помимо перечисленных упреждающих мероприятий, для исправления незначительных дефектов отливок используют следующие способы: 1) газовую или электрическую сварку, с помощью которых на необрабатываемых поверхностях заваривают раковины, трещины или случайно образовавшиеся сквозные отверстия; 2) пропитывание специальными составами, которые устраняют пористость путём образования оксидов, заполняющих поры; 3) декоративное исправление мелких поверхностных раковин или трещин путём их заполнения замазками или мастиками.

3.5. Изготовление отливок специальными способами литья.

Литьё в оболочковые формы

При наиболее распространённом литье в песчаные формы невысокая интенсивность охлаждения приводит к снижению скорости затвердевания отливки, укрупнению структуры и появлению в массивных узлах усадочных раковин или пористости. Сравнительно низкая огнеупорность материала песчаной формы может способствовать развитию пригара на контактных поверхностях отливки. Точность размеров или шероховатость поверхности отливок, полученных в песчаных формах, зачастую не удовлетворяют требованиям современной техники. Достаточно длительный процесс изготовления песчаных форм и стержней снижает производительность.

В связи с этими недостатками непрерывно развиваются специальные высокопроизводительные способы литья, позволяющие получать отливки повышенной точности, с малой шероховатостью поверхности и минимальными припусками на механическую обработку, а иногда и вовсе исключающие необходимость последней.

В 1940 г. в Германии был запатентован способ литья в оболочковые формы, получивший с 1950 г. повсеместное применение. Сущность литья в оболочковые формы заключается в изготовлении отливок путём заливки расплавленного металла в тонкостенную разовую форму, изготовленную из смеси мелкого песка с порошкообразной термореактивной смолой, проявляющей связующие свойства в результате контакта с нагретой металлической модельной оснасткой.

Оболочковые формы изготавливают следующим образом.

Металлическую модельную плиту 2 (рис. 3.17-а) с закреплённой на ней металлической моделью 3 нагревают в печи до температуры 200…250С, пульверизатором наносят на них разделительный состав из термостойкого каучука для облегчения последующего съёма оболочки, после чего закрепляют на поворотном бункере 1, содержащем формовочную смесь 5, состоящую из мелкозернистого кварцевого песка (около 94%), термореактивной смолы (5%), увлажнителя (керосин или глицерин, 0,5%) и растворителя (ацетон или этиловый спирт, 0,5%). Затем бункер переворачивают (рис. 3.17-б), в результате чего формовочная смесь попадает на нагретую модельную плиту и выдерживается 10…30 с. От теплоты модельной плиты термореактивная смола в контактном слое переходит в жидкое состояние и склеивает песчинки с образованием полутвёрдой песчано-смоляной оболочки 6, имеющей в зависимости от времени выдержки толщину 5…20 мм.

Далее бункер поворачивают в исходное положение (рис. 3.17-в), в результате чего излишки формовочной смеси ссыпаются на его дно. Модельная плита с полутвёрдой оболочкой 6 снимается с бункера и в течении 1…1,5 мин нагревается в печи при температуре 300…350С, в результате чего оболочка окончательно переходит в твёрдое необратимое состояние. Затвердевшая оболочка 7 (рис. 3.17-г), представляющая собой первую полуформу, снимается с модели блоком выталкивателей 4.

Аналогично изготавливают и вторую полуформу. При необходимости тем же способом изготавливают и оболочковые стержни.

Готовые оболочковые полуформы с установленным внутрь стержнем 9 (рис. 3.17-д) склеивают быстротвердеющим клеем на специальных прессах, что обеспечивает высокую прочность шва составной оболочковой формы 8, которую помещают внутрь контейнерной опоки 10 и засыпают кварцевым песком или чугунной дробью 11, создающими подпор, предотвращающий разрушение оболочки при заливке расплава.