Тема 7. Способы обработки конструкционных материалов

Литейное производство

Литейное производство относится к процессам горячей обработки металлов. Сущность его состоит в том, что расплавленный металл определенного химического заполняет литейную форму – полость, которая по своим очертаниям и размерам соответствует конфигурации требуемой литой заготовки или детали (отливке). После затвердевания металла получается отливка.

Литейное производство позволяет получать отливки различных размеров и веса, самой разнообразной конфигурации, с небольшими припусками на обработку. Литье является наиболее простым, быстрым и дешевым промышленным способом получения заготовок, имеющих сложную геометрическую форму.

По сравнению с поковками, получаемыми при ковке и штамповке, отливки более пористы и отличаются неоднородным химическим составом, механические свойства отливок вследствие чего ниже.

Контрольные вопросы

1. Дайте характеристику литейного производства.

2. Назовите достоинства литья.

3. Назовите особенности литейного производства.

Формовочные и стержневые смеси

Формовочные смеси

По назначению формовочные смеси подразделяются на облицовочные, наполнительные и единые.

Облицовочная смесь, применяемая обычно в единичном производстве при ручной формовке, покрывает модель на 20-30 мм. Она наиболее ответственная, т.к. соприкасается с расплавленным металлом. Смесь приготовляется в основном из мелкопросеянных свежих формовочных материалов с небольшими добавками бывшей в употреблении фомовочной смеси.

Наполнительная смесь располагается над уплотненной облицовочной смесью и заполняет оставшуюся часть формы. Она состоит в основном из бывшей в употреблении формовочной смеси, переработанной после выбивки ее из опок, с последующим добавлением 5 – 10% свежих материалов.

Единой формовочной смесью набивается весь объем формы. Она применяется в массовом производстве при машинной формовке тонкостенных и мелких отливок. Эта смесь приготовляется путем переработки выбитой из опок смеси с добавлением 10 – 20% свежих материалов и каменноугольной пыли.

Стержневые смеси

Стержневые смеси отличаются более высокими технологическими свойствами. Они подразделяются на песчано-глинистые и песчано-масляные.

Песчано-глинистые смеси применяются при изготовлении стержней простой формы и крупных размеров. В зависимости от конфигурации, толщины сечения, размещения в форме стержни делятся на пять классов.

В особо тяжелых условиях находятся стержни I класса – сложной формы, с тонкими сечениями, соприкасающимися с расплавленными металлами по всей поверхности. Стержневая смесь должна иметь высокую прочность, термохимическую устойчивость, податливость, газопроницаемость.

Наименьшее требование предъявляют к смеси для массивных стержней простой конфигурации, образующих внутренние или внешние поверхности отливки (IV-V кл.).

Специальные формовочные смеси. Основным их компонентом является кварцевый песок с минимальным содержанием глинистых веществ. В качестве связующих используют синтетические смолы, жидкое стекло; в смеси вводят катализаторы.

По условиям отверждения специальные смеси делят на следующие типы:

· отверждающиеся при продувке CO₂ и другими способами обработки;

· горячего отверждения (стержневые ящики с нагревателями);

· самоотверждающиеся на воздухе – смеси холодного твердения (ХТС) и жидкие (ЖСС).

Жидкие самотвердеющие смеси (ЖСС) исключают формовку: формы и стержни изготовляют путем заливки. ЖСС имеют различный состав. Основным наполнителем является кварцевый песок (95 – 97%). В качестве связующих и веществ, обеспечивающих затвердевание смеси на воздухе, обычно используют жидкое стекло, иногда цемент с добавками соответствующих катализаторов.

Для перевода смеси в жидкоподвижное состояние применяют пенообразователи, обеспечивающие образование и устойчивость пены в течение 5-15 мин. Применение ЖСС снижает трудоемкость и повышает качество отливок и производительность труда.

Для того чтобы получить отливку необходимо изготовить литейную форму. Для этого используются формовочные смеси и литейная оснастка, которая включает в себя опоки, модельный комплект или формовочные шаблоны, подмодельные и подопочные плиты, стержневые ящики.

Опока представляет собой жесткую раму, в которую набивается формовочная смесь.

Полость в литейной форме для заливки расплавленного металла образуется с помощью моделей или формовочных шаблонов.

Модель – это приспособление, конфигурация которого соответствует форме отливки, но без отверстий, впадин и углублений. Отверстия, впадины и углубления в отливке образуются с помощью стержней.

Процесс изготовления литейной формы называется формовкой.

Для получения отливки, модель заформовывается в опоках. Затем опоки разнимаются и модель удаляется. В образовавшуюся полость, в то место, где должно быть отверстие в отливке, устанавливается стержень, который заранее изготавливается в стержневом ящике.

Через приготовленные в литейной форме специальные каналы – литниковую систему в полость формы заливается расплавленный металл. Когда металл затвердеет, отливка извлекается из формы, после чего отливка очищается и от нее обрубается литники.

Контрольные вопросы

1. Назовите классификацию формовочные смеси по назначению.

2. Технология получения облицовочной смеси.

3. Технология получения наполнительной смеси.

4. Технология получения единой формовочной смеси.

5. Назовите классификацию стержневых смесей.

6. Назначение песчано-глинистых смесей.

7. Назовите классификацию специальных формовочных смесей.

8. Назовите классификацию специальных смесей по условиям отверждения.

9. Назначение опоки

10. Дайте определение модели.

11. Дайте определение формовки.

12. Технология получения отливки.

Литейные свойства чугуна, стали, цветных металлов.

Специальные виды литья

Качества литья зависит от литейных свойств металлов.

1. Жидкотекучесть – способность сплава в жидком состоянии заполнять литейную форму и воспроизводить контуры полостей формы и стержней. Она определяется по специальным технологическим пробам, заполняемым жидким сплавом при некоторой постоянной температуре заливки.

2. Плотность – свойство металла давать отливку без углублений, внутренних пузырей, пустот и газовых пор, возникающих в ней вследствие выделения газов, растворенных в жидком металле при охлаждении.

3. Усадка  – уменьшение объема сплава при охлаждении его в форме, при этом образуются полости (усадочные раковины или рыхлоты).

4. Ликвация – неоднородность по химическому составу как в отдельных частях отливки (зональная ликвация), так и в отдельных кристаллитах сплава (внутри дендритная, внутрикристаллическая ликвация); кроме того, она может иметь место при значительно разной плотности составляющих сплава (ликвация по плотности).

Ликвация – крайне нежелательное явление в отливках, т.к. она может привести к понижению их свойств и даже к поломке в ликвационных зонах.

5. Поглощение газов. Металлы и сплавы способны поглощать значительное количество различных газов (водород, азот, кислород, окись углерода, углекислоту, метан и т.д). Эти газы могут находиться в следующих состояниях:

а) в виде механических, сравнительно крупных включений, получившихся при перемешивании жидкого сплава с воздухом или др. газами;

б) в растворенном состоянии;

в) в виде химических соединений (окислы, нитриды, гидриды).

Поглощение газов при нагреве и плавлении металлов и сплавов происходит преимущественно из атмосферы печи, из ржавчины, из влаги исходных материалов и топлива.

При выделении газов в отливке при определенных условиях могут образовываться газовые раковины.

Причиной образования газовых раковин являются то обстоятельство, что по мере понижения температуры жидкого сплава уменьшается растворимость газов, и они должны выделятся из сплава, но при понижении температуры значительно увеличивается вязкость сплава, что затрудняет выведение газовых пузырьков.

Специальные методы литья являются прогрессивными способами изготовления отливок. По сравнению с литьем в песчаных формах они имеют ряд преимуществ: повышают качество, чистоту и точность литья, улучшают структуру и свойства отливок, позволяют значительно механизировать производство литых изделий и снизить их стоимость, способствуют повышению производительности и улучшению условий труда.

Кокильное литье – процесс производства отливок в металлических формах, изготовленных из чугуна, стали или алюминиевых сплавов. Используют их не один раз, как песчаную форму, а многократно. Кокили обладают высокой теплопроводностью, поэтому залитый в них металл охлаждается и закристаллизовывается значительно быстрее, чем в песчаной форме. В результате повышается производительность труда и снижается стоимость отливок.

Центробежное литье - жидкий металл заливается во вращающуюся форму. Под действием центробежной силы он «отбрасывается» к стенкам формы, где и затвердевает. Металл уплотняется (отсутствуют газовые пузыри). Шлаковые и неметаллические включения собираются на внутренней части пустотелой отливки в зоне припуска, удаляемого при последующей механической обработке.

Улучшается качество металла. Для получения центральных отверстий стержни не нужны, т.к. под действием центробежных сил металл сам распределяется у стенок формы и центральное отверстие получается само собою. Процесс изготовления форм значительно упрощается. Формы изготовляют либо из металла, либо футеруются песчано-глинистыми смесями.

Центробежное литье выполняется на специальных машинах с горизонтальной (для получения отливок, имеющих форму тел вращения) или вертикальной осью вращения (для фасонного литья: колеса, шестерни, втулки). Наружные стенки отливки получаются малой толщины.

Недостаток метода – высокая стоимость литейных форм.

Литье под давлением -расплавленный металл заполняет металлическую форму под давлением. Литейная форма изготовляется с большой точностью, с тщательно подогнанными частями. Поверхность полости хорошо полируется. Получить под давлением чугунное или стальное литье весьма затруднительно, поскольку заливаемые расплавленные чугуны и сталь, имеющие высокую температуру, отрицательно влияют на литейную форму. Поэтому литье под давлением применяется в основном для получения отливок из сплавов цветных металлов.

Литьем под давлением можно получить миниатюрные детали с малой толщиной (до 0,8 мм), минимальный диаметр отверстия до 1 мм, дальнейшей обработки эти детали не требуют.

Давление на металл осуществляется либо сжатым воздухом (компрессорные машины), либо поршнем (поршневые машины). В компрессорных машинах осуществляется литье под низким давлением (обычно 5 – 8 атм.), а в поршневых – под высоким давлением, достигающим сотен или несколько тысяч атмосфер.

Контрольные вопросы

1. Перечислите литейные свойства металлов.

2. Дайте определение жидкотекучести.

3. Дайте определение плотности.

4. Дайте определение усадки.

5. Дайте определение ликвации.

6. Назовите классификацию состояния газов.

7. Назовите разновидности специальных методов литья.

8. Назовите способы получения кокильного литья.

9. Назовите способы получения центробежного литья.

10. Назовите способы получения литья под давлением.