Литейное производство

 

Литейная технология – это процесс получения литых заготовок путем заливки расплавленного металла в формы, полость которых повторяет конфигурацию отливки. При охлаждении металл отвердевает и принимает конфигурацию полости формы.

     Литьем получают разнообразные конструкции отливок массой от нескольких грамм до 300т, длиной от нескольких сантиметров до 20м, со стенками толщиной 0,5-500 мм(блоки цилиндров, поршни, коленчатые валы, корпуса и крышки редукторов, зубчатые колеса, станины станков, станины прокатных станов, турбинные лопатки и т.д.). Отливки получают из черных сплавов (чугуны, стали) и цветных сплавов(алюминиевых, магниевых, медных, цинковых, титановых и др.).

     Для получения расплава применяют шихтовые материалы:

-         небольшие слитки металлургического производства (чушки)

-         отходы собственного производства

-         лом

-         флюсы

Различные сплавы имеют разные литейные свойства, которые характеризуются следующими параметрами:

  1)Жидкотекучесть - это способность металлов и сплавов течь в расплавленном состоянии по каналам литейной формы, заполнять её полости и чётко воспроизводить контуры отливки.

Жидкотекучесть литейных сплавов зависит от температурного интервала кристаллизации, вязкости и поверхностного натяжения расплава, температуры заливки и формы, свойств формы и т. д. Чистые металлы и сплавы, затвердевающие при постоянной температуре (эвтектоидные сплавы), обладают лучшей жидкотекучестью, чем сплавы, образующие твёрдые растворы и затвердевающие в интервале температур. Чем выше вязкость, тем меньше жидкотекучесть. С увеличением поверхностного натяжения жидкотекучесть понижается и тем больше, чем тоньше канал в литейной форме; с повышением температуры заливки расплавленного металла и температуры формы жидкотекучесть улучшается. Увеличение теплопроводности материала формы снижает жидкотекучесть. Так, песчаная форма отводит теплоту медленнее, и расплавленный металл заполняет её лучше, чем металлическую форму. Наибольшей жидкотекучестью обладает серый чугун, наименьшей - магниевые сплавы

 

2)Усадка - Свойство литейных сплавов уменьшать объём при затвердевании и охлаждении. Усадочные процессы в отливках протекают с момента заливки расплавленного металла в форму вплоть до полного охлаждения отливки. Различают объёмную и линейную усадку, выражаемую в относительных единицах.

Линейная усадка - уменьшение линейных размеров отливки при её охлаждении от температуры, при которой образуется прочная корка, способная противостоять давлению расплавленного металла, до температуры окружающей среды. Линейную усадку определяют соотношением, %:   

где lф и lотл – размеры полости формы и отливки при температуре 20°C.

На линейную усадку влияют химический состав сплава, температура его заливки, скорость охлаждения сплава в форме, конструкция отливки и литейной формы. Так, усадка серого чугуна уменьшается с увеличением содержания углерода и кремния. Усадку алюминиевых сплавов уменьшаем повышение содержания кремния. Усадку отливок уменьшает снижение температуры заливки. Увеличение скорости отвода теплоты от залитого в форму сплава приводит к возрастанию усадки отливки.

При охлаждении отливки происходит механическое и термическое торможение усадки. Механическое торможение возникает вследствие трения между отливкой и формой. Термическое торможение обусловлено различными скоростями охлаждения отдельных частей отливки. Сложные по конфигурации отливки подвергаются совместному воздействию механического и термического торможения.

Линейная усадка для серого чугуна составляет 0,9-1,3%, для высокопрочного чугуна до 1.7%, для ковкого чугуна …%, для углеродистых сталей  2-2,4%, для алюминиевых сплавов   0,9-1,5%, для медных 1,4-2,3%.

Объёмная усадка - уменьшение объёма сплава при его охлаждении в литейной форме при формировании отливки. Объёмную усадку определяют соотношением, %:      

где Vф и Vотл – объем полости формы и отливки при температуре 20°C. Объемная усадка приблизительно равна утроенной линейной усадке.

 

Усадка в отливках проявляется в виде:

 

Более подробную информацию о технологических свойствах отливок можно посмотреть на страничке кафедры МТ13.

 

Существует несколько способов изготовления отливок. Перечислим основные из них : литье в песчаные формы(ПФ), литье в кокиль(К), литье по выплавляемым моделям(ВМ), литье под давлением(Д).

 

Литье в песчаные формы.

 

     1.Сущность процесса заключается в изготовлении отливок свободной заливкой расплавленного металла в песчаную форму. После затвердевания и охлаждения отливки осуществляется ее выбивка с одновременным разрушением формы.

     2.Материалы и оснастка.

  1)Песчаная форма(ПФ) – разовая литейная форма, изготовленная из уплотненной формовочной смеси. ПФ состоит из двух полуформ. Для образования отверстий применяются песчаные стержни.

  2)Типовые составы формовочных и стержневых смесей.

 

  3)Модельный комплект : модель детали, модели элементов литниковой системы, модельные плиты, стержневые ящики.

  4)Опоки.

 

     3.Основные технологические операции.

 

  1)Изготовление полуформ по модельным плитам(наиболее распространенными способами уплотнения смеси при машинной формовке являются прессование, встряхивание и их сочетание).

  2)Изготовление стержней.

  3)Сборка формы с простановкой стержней и подготовка ее к заливке.

  4)Заливка форм расплавленным металлом.

  5)Затвердевание и охлаждение отливок.

  6)выбивка отливок из форм и стержней из отливок.

  7)отделение литниковой системы от отливок, их очистка и зачистка.

  8)контроль качества отливок.

    

Возможные дефекты отливок, причины и меры по их устранению.

 

  1)Недоливы и спаи. Образуются от неслившихся потоков металла, затвердевающих до заполнения формы. Возможные причины: холодный металл, питатели малого сечения.

  2)Усадочные раковины – закрытые внутренние полости в отливках с рваной поверхтностью. Возникают вследствие усадки сплавов, недостаточного питания. Устраняют с помощью прибылей.

  3)Горячие трещины в отливках возникают в процессе кристаллизации и усадки металла при переходе из жидкого состояния в твердое при температуре, близкой к температуре солидуса. Склонность сплава к образованию горячих трещин увеличивается при наличии неметаллических включений, газов, серы и других примесей. Образование горячих трещин вызывают резкие перепады толщин стенок, острые углы, выступающие части. Высокая температура заливки также повышает вероятность образования горячих трещин.

  Для предупреждения образования горячих трещин в отливках необходимо обеспечивать одновременное охлаждение толстых и тонких частей отливок; увеличивать податливость литейных форм; по возможности снижать температуру заливки сплава.

  4)Пригар – трудноудаляемый слой формовочной или стержневой смеси, приварившийся к отливке. Возникает при недостаточной огнеупорности смеси или слишком большой температуре металла.

  5)Песчаные раковины – полости в теле отливки, заполненные формовочной смесью. Возникают при недостаточной прочности формовочной смеси.

  6)Газовые раковины –полости отливки округлой формы с гладкой окисленной поверхностью. Возникают при высокой влажности и низкой газопроницаемости формы.

  7)Перекос. Возникает из-за неправильной центровки.

 

4.Область применения.

 

Применяют во всех областях машиностроения. Получают отливки любой конфигурации 1…6 групп сложности. Точность размеров соответствует 6…14 группам. Параметр шероховатости Rz=630…80мкм.

Можно изготавливать отливки массой до 250т. с толщиной стенки свыше 3мм.

 

5.Преимущества.

 

-         конфигурация 1…6 групп сложности

-         возможность механизировать производство

-         дешевизна изготовления отливок

-         возможность изготовления отливок большой массы

-         отливки изготовляют из всех литейных сплавов, кроме тугоплавких

 

6.Недостатки.

 

-         плохие санитарные условия

-         большая шероховатость поверхности

-         толщина стенок > 3мм

-         вероятность дефектов больше, чем при др. способах литья.

 

Литье по выплавляемым моделям.

 

     1.Сущность процесса заключается в изготовлении отливок заливкой расплавленного металла в тонкостенные, неразъемные, разовые литейные формы, изготовленные из специальной огнеупорной смеси по разовым моделям. Разовые выплавляемые модели изготовляют в пресс-формах из модельных составов. Перед заливкой модель удаляется из формы выплавлением, выжиганием и т.д. Для устранения остатков модельного состава и упрочнения форма нагревается и прокаливается. Заливка осуществляется в разогретые формы для улучшения заполняемости.

 

     2.Материалы и оснастка.

  1)Модельная форма состоит из модельного состава(парафин, стеарин, церезин, канифоль и т.д.).

  2)Формовочная смесь : 2ч. пылевого кварца, 1ч. связующего материала.

  3)Пресс-форма для изготовления моделей.

  4)Литейная форма.

  5)Вибрационная установка.

 

     3.Основные технологические операции изготовления форм и отливок.

  1)Приготовление модельного состава.

  2)Изготовление моделей отливки и элементов литниковой системы или секции моделей.

  3)Сборка моделей или секций моделей в блоки.

  4)Изготовление литейной формы.

  5)Подготовка литейных форм к заливке и заливка металла в горячую форму.

  6)Затвердевание и охлаждение отливки в форме.

  7)Снятие формы с отливки.

 

     4.Область применения.

  Этим способом можно отливать изделия из различных сплавов любой конфигурации 1…5 групп сложности массой от нескольких грамм до 250кг с толщиной стенок от 1мм. Припуск на механическую обработку составляет 0.2-0.7мм.

  Применяется в различных областях машиностроения.

 

     5.Преимущества.

-         Можно получать отливки из тугоплавких изделий.

-         Получают конфигурации отливок 1…5 групп сложности.

-         Высокая точность геометрических размеров и малая шероховатость поверхности.

 

     6.Недостатки.

 

-         длительность процесса

-         дороговизна

 

 

Литье в кокиль.

 

     1.Сущность процесса заключается в изготовлении отливок из жидкого расплава свободной его заливкой в многократно используемые металлические формы – кокили, обеспечивающие высокую скорость затвердевания жидкого расплава и позволяющие получать в одной форме от нескольких десяток до нескольких тысяч отливок.

 

     2.Материалы и оснастка.

  1)форма отливки – кокиль

  2)расплавленный металл

  3)теплоизоляционное покрытие

 

     3.Последовательность изготовления отливок.

  1)Подготовка кокиля к работе : очистка от остатков теплоизоляционного покрытия, нагрев до температуры 150-200° и нанесение свежего слоя теплоизоляционного покрытия толщиной 0,1…0,5мм, а на литниковые каналы и прибыли до 1мм.

  2)Сборка кокиля : установка стержней, соединение частей кокиля.

  3)Заливка расплавленного металла в кокиль.

  4)Затвердевание и охлаждение отливки.

  5)Удаление из отливки металлических стержней (если они есть) после образования в ней достаточно прочной корки.

  6)Извлечение отливки из кокиля после ее охлаждения до температуры 0,6…0,8 от температуры солидуса.

  7)Охлаждение или подогрев кокиля до оптимальной температуры 200-300°С и подкраска(при необходимости) рабочей поверхности кокиля.

    

     4.Область применения.

  Применяют в автомобиле и танкостроении.

  Литьем в кокиль изготавливают отливки из чугуна, стали и цв. сплавов. Трудно получить сложные стальные отливки ввиду значительной усадки литейных сталей, что ведет к образованию трещин(в отсутствии податливости формы). Целесообразно применять в серийном, крупносерийном и массовом производствах. Этим способом изготавливают отливки из стали массой до 160кг., из цв. сплавов – до 50кг. с толщиной стенок от 3 до 100мм. Точность размеров соответствует 4…12 классам. Можно изготавливать отливки 1…5 группы сложности. Параметр шероховатости поверхности Rz = 80…20мкм.

 

     5.Преимущества.

-         повышенная точность геометрических размеров (по сравнению с литьем а ПФ)

-         снижение шероховатости поверхностей отливок (по сравнению с литьем а ПФ)

-         снижение припусков на механическую обработку на 10-20%

-         лучше санитарно-гигиенические условия

-         мелкозернистая структура отливок( > прочность)

 

6.Недостатки.

-         сложность изготовления кокилей, их ограниченный срок службы (особенно при литье черных сплавов)

-         неподатливость кокиля и металлических стержней

-         затруднен вывод газов из полости формы

 

Литье под давлением.

 

     1.Сущность процесса заключается в получении отливок путем заливки расплавленного металла в металлическую форму (пресс-форму) под принудительным внешним давлением от 30 до 100Мпа. Конечное давление на расплав может достигать 490Мпа. Давление снимается посте полного затвердевания отливки в пресс-форме.

 

     2.Материалы и оснастка.

  1)пресс-форма

  2)смазка (машинное масло)

  3)прессующая машина

 

     3.Основные технологические операции.

  1)Очистка пресс-формы.

  2)Нагрев пресс-формы до 120…220°С и покрытие поверхности смазкой.

  3)Сборка пресс-формы.

  4)Залив расплавленного металла в камеру прессования и запрессовка расплава под давлением в полость пресс-формы.

  5)Охлаждение и затвердевание отливки под внешним давлением.

  6)После затвердевание отливки внешнее давление снимается и извлекается отливка.

 

     4.Область применения.

  Используется для изготовления отливок цветных металлов сложной конфигурации с тонкими стенками массой до 45кг.

  Применяется в машиностроении.

 

     5.Преимущества.

-         получают сложные тонкостенные отливки

-         низкая шероховатость поверхности, следовательно, снижается механическая обработка отливок на 90-95%

-         высокая точность геометрических размеров

-         мелкозернистая структура

-         улучшенные санитарно-гигиенические условия

 

6.Недостатки.

-         высокая стоимость пресс-формы, сложность ее изготовления

-         наличие газовоздушной пористости

-         ограничение номенклатуры получения отливок по размерам и массе.