ЛЕКЦИИ литьё, страница 6

3.14. Электрошлаковое литьё

Электрошлаковое литьё по своей сути ничем не отличается от электрошлакового переплава (рис. 2.11) и обладает всеми его вышеуказанными достоинствами. При таком литье форма водоохлаждаемого металлического кристаллизатора соответствует форме получаемой отливки и может быть дополнена специальными металлическими стержнями, позволяющими получить в отливке требуемые полости. Вследствие последовательного затвердевания отливка имеет плотную структуру без усадочных раковин или пористости.

Электрошлаковым литьём изготавливают отливки ответственного назначения (типа задвижек атомных электростанций) массой до 300 т.

3.15. Особенности изготовления отливок из различных сплавов

Приготовление сплавов к литью требует их плавления, которое в основных чертах совпадает с рассмотренными ранее процессами металлургического производства.

В процессе плавления для улучшения качества литейных сплавов иногда их подвергают модифицированию, т.е. введению в расплав небольшого (порядка 0,1%) количества веществ (модификаторов), вызывающих формирование структурных составляющих округлой или измельчённой формы и способствующих их равномерному распределению, что приводит к улучшению механических или технологических свойств материала без заметного изменения его состава. Для сталей в качестве модификаторов используют лантан, церий, кальций, бор; для чугуна – магний, церий, кальций, ферросилиций, алюминий, бор, висмут; для силуминов – натрий, стронций, фосфор; для алюминиевых бронз – ванадий.

Примерно 75% массы всех изготавливаемых в машиностроении отливок получают из чугуна. Этому способствует самая низкая из всех литейных сплавов стоимость чугуна, его сравнительно высокая прочность и хорошие литейные свойства. Из стали производят около 21% массы всех отливок. Из цветных сплавов производят примерно 4% массы всех отливок, причём наибольшее применение имеют бронзы и латуни.

Изготовление отливок из чугуна. Серый чугун является наиболее распространённым материалом для изготовления отливок. Он имеет высокую жидкотекучесть, позволяющую отлить стенку с толщиной 3 мм, и малую усадку, позволяющую получать отливки без усадочных раковин, пористости и трещин. Но при увеличении толщины стенок от 15 до 150 мм прочность и твёрдость чугуна уменьшаются почти в 2 раза, что обусловлено снижением скорости охлаждения большей массы, приводящим к получению структуры с более крупным размером графитных пластин, чем в тонкостенных отливках.

Наибольшее количество отливок из серого чугуна изготавливают в песчаных формах, как правило, без применения прибылей. Отливки типа тел вращения (трубы, втулки, гильзы) изготавливают центробежным литьём.

Высокопрочный чугун по механическим свойствам приближается к сталям, однако его стоимость на 25% ниже. Жидкотекучесть высокопрочного чугуна такая же, как у серого, что также позволяет получать отливки сложной конфигурации с минимальной толщиной 3 мм. Но усадка высокопрочного чугуна в 1,5 раза выше, чем серого, что затрудняет изготовление отливок без усадочных дефектов и требует применения прибылей и холодильников, а также формовочной смеси с повышенной податливостью. Отливки из этого чугуна преимущественно изготавливают в песчаных и оболочковых формах, центробежным литьём и литьём в кокиль.

Чугун с вермикулярным графитом по высокой жидкотекучести и малой усадке не уступает серому чугуну и превосходит его малой чувствительностью к увеличению толщины стенки отливки, что позволяет получать толщины порядка 500 мм с сохранением высоких механических свойств. Отливки из чугуна с вермикулярным графитом получают преимущественно в песчаных формах.

Ковкий чугун имеет пониженную жидкотекучесть, что требует повышенной температуры заливки, а также значительно большую усадку, чем серый чугун, что приводит к большему образованию усадочных раковин, пор и трещин, для предупреждения которых используют прибыли и холодильники, а также формовочные и стержневые смеси с высокими податливостью, огнеупорностью и газопроницаемостью. Кроме того, процесс изготовления отливок из ковкого чугуна длителен и энергоёмок, в связи с чем только 5% чугунных отливок производят из этого чугуна, часто заменяя его более экономичным высокопрочным чугуном.

Изготовление отливок из стали. Стали имеют пониженную жидкотекучесть, высокую усадку и склонны к образованию трещин, что вынуждает применять массивные прибыли, в результате чего расход металла увеличивается примерно в 1,6 раза по сравнению с литьём чугуна. Помимо прибылей, для предотвращения усадочных раковин и пористости в тепловых узлах стальных отливок используют наружные и внутренние холодильники. Из-за низкой жидкотекучести площадь сечения питателей литниковой системы для сталей примерно вдвое больше, чем для чугунов.

Высокая температура заливки стали, примерно на 200–300С превышающая температуру заливки чугуна и достигающая 1550–1650С, требует применения формовочных и стержневых смесей с высокой огнеупорностью, а также покрытия форм и стержней огнеупорными красками. Для предотвращения трещин эти смеси должны обладать и высокой податливостью.

Стальные отливки преимущественно изготавливают в песчаных и оболочковых формах, литьём по выплавляемым моделям, центробежным литьём и литьём в облицованные кокили.

Изготовление отливок из алюминиевых сплавов. Силумины отличаются высокой жидкотекучестью и малой усадкой, не склонны к образованию горячих и холодных трещин. Но большинство остальных алюминиевых сплавов имеет низкую жидкотекучесть, повышенную усадку, склонность к образованию трещин и поглощению водорода в расплавленном состоянии. Поэтому для получения качественных отливок предусматривают массивные прибыли и широкое использование холодильников, а также предварительный подогрев форм до температуры 250–350С. Заливка литейных форм производится при температуре расплава около 700–750С.

Отливки из алюминиевых сплавов преимущественно изготавливают литьём в кокиль, под давлением и в песчаные формы. При очень сложной конфигурации отливок кокили подогревают до температуры 400–500С.

Изготовление отливок из магниевых сплавов. Магниевые сплавы имеют пониженную жидкотекучесть, повышенную усадку, склонны к образованию трещин и самовозгоранию при плавке и заливке, хорошо поглощают водород. Для предотвращения литейных дефектов используют прибыли и холодильники, а при литье в кокиль – предварительный подогрев форм и стержней до температур порядка 400С. Для предотвращения самовозгорания магниевых сплавов их плавку проводят под слоем защитных флюсов из хлористых или фтористых солей щелочных и щелочноземельных металлов, а также в среде защитных газов. Защитные фтористые добавки вводят и в формовочные смеси. В процессе заливки струю расплавленного металла посыпают порошком серы, при горении которой образуется сернистый газ, предотвращающий возгорание магния.

Отливки из магниевых сплавов преимущественно изготавливают литьём в кокиль, под давлением и в песчаные формы.

Изготовление отливок из медных сплавов. Латуни имеют удовлетворительную жидкотекучесть, но высокую усадку, что обуславливает образование усадочных раковин и пористости. Бронзы отличаются высокой жидкотекучестью, но тоже имеют высокую усадку, обуславливающую образование тех же дефектов. При этом все медные сплавы склонны к образованию трещин.

Отливки из медных сплавов изготавливают литьём в песчаные и оболочковые формы, в кокиль, под давлением и центробежным литьём. Для предотвращения усадочных раковин и пористости в массивных узлах отливок устанавливают прибыли и холодильники. Для предотвращения образования трещин увеличивают податливость формы, для чего вводят в формовочную смесь опилки.

Изготовление отливок из титановых сплавов. Титан является тугоплавким металлом, который в расплавленном состоянии активно взаимодействует с кислородом, азотом, водородом и углеродом, в связи с чем его плавку необходимо вести в вакууме или среде защитных газов. С учётом этого для плавки титановых сплавов широко используют специальные вакуумные дуговые печи с расходуемым титановым электродом, работающие по принципу, изложенному в описании к рис. 2.12. Отливки из титановых сплавов изготавливают литьём в графитовые прессованные формы, оболочковые формы, или формы, полученные по выплавляемым моделям.

3.16. Выбор рационального способа изготовления отливок

Одну и ту же деталь можно изготовить из отливок, полученных различными способами литья, причём зачастую технические требования, предъявляемые к конкретной отливке, могут быть обеспечены разными способами литья с одинаковой надёжностью. Поэтому при выборе оптимального способа получения отливок, как правило, требуется проводить сравнительный анализ возможных вариантов литья и их технологических показателей, ориентировочно представленных в табл. 3.1.

Таблица 3.1. Технологические возможности основных способов литья

На начальном этапе решения задачи выбора оптимального способа литья следует учитывать наиболее важные критерии, к которым относятся: 1) количество (размер партии; программа выпуска) изготавливаемых изделий; 2) масса и размеры отливки; 3) сложность формы отливки; 4) требуемые точность геометрических показателей и качество поверхности; 5) технологические свойства материала отливки.

Количество. В условиях крупносерийного или массового производства рентабельны способы литья с применением металлических или оболочковых форм. Но если необходимо изготовить одну или всего несколько отливок (единичное производство), то нерационально изготавливать для этого дорогостоящий кокиль или использовать дорогостоящее литьё по выплавляемым моделям. Поэтому в данном случае может окупиться и является наиболее рациональным применение литья в песчаные формы, для которого можно использовать недорогие деревянные модели.

Масса и размеры отливки. Необходимость изготовить чугунную отливку массой 20000 кг сразу же предопределяет выбор литья в песчаные формы. При массе чугунной отливки 5000 кг уже можно рассматривать и вариант её изготовления литьём в кокиль. Если масса чугунной отливки типа тела вращения – 500 кг, а длина – 5 м, то литьё в кокиль не подойдёт из-за габарита отливки, и надо рассматривать возможность её изготовления либо литьём в песчаные формы, либо центробежным литьём. Если полая отливка из цветного сплава имеет толщины стенок или рёбер жёсткости 0,5 мм, то следует сопоставлять возможности применения литья по выплавляемым моделям и литья под давлением.

Сложность формы отливки. В зависимости от конфигурации, размеров, массы, необходимого количества стержней и особых технических требований отливки делят на шесть групп сложности. Наиболее простые отливки относят к первой группе, которая характеризуется гладкими и прямолинейными наружными поверхностями с наличием невысоких усиливающих рёбер, фланцев, отверстий, а также внутренними поверхностями простой формы. Типовые изделия – крышки, фланцы, муфты, колёса вагонеток. Самые сложные отливки относят к шестой группе, которая характеризуется криволинейными наружными поверхностями, имеющими рёбра, кронштейны и фланцы значительной протяжённости, пересекающиеся друг с другом под различными углами, а также внутренние полости особо сложной конфигурации с затруднёнными выходами на поверхность отливки. Типовые изделия – станины специальных металлорежущих станков, сложные корпуса насосов, рабочие колёса гидротурбин.