Литейное производство
lbk.lviv.ua

Сущность процессов литья металлов и задача литейного производства.

Литьем (или литейным производством) называют метод производства, при котором изготовляют фасонные заготов-ки деталей путем заливки расплавленного металла в заранее приготовленную литейную форму, полость которой имеет кон-фигурацию заготовки детали. После затвердевания и охлаждения металла в форме получают отливку-заготовку детали.
Основной задачей литейного производства является изготовление литейных сплавов отливок, имеющих разнообраз-ную конфигурацию с максимальным приближением их формы и размеров к форме и размерам детали (при литье невозмож-но получить отливку, форма и размеры которой соответствует форме и размерам детали).
Инструментом литейного производства является литейная форма - приспособление образующее рабочую полость, при заливке которой расплавленным металлом и после охлаждения получают отливку.
По степени использования формы делят на :

разовые;
полупостоянные;
постоянные;

Разовые формы служат для изготовления только одной отливки и изготовляют их из кварцевого песка, зерна кото-рого соединены каким-либо связующим веществом.
Полупостоянные формы - это формы в которых получают несколько отливок (до 10-20), такие формы изготовляют из керамики.
Постоянные формы - формы, в которых получают от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч отливок. Та-кие формы изготовляют обычно из чугуна или стали.
Различные по форме, размерам и точности отливки из различных сплавов невозможно наиболее экономично полу-чить одним и тем же способом. Экономически целесообразно изготовлять отливку с определенными качественными свой-ствами каким-либо одним или двумя способами. В настоящее время в производстве используют около 15 способов литья, а в производстве приборов применяют следующие способы литья:

1) литье в песчаные формы ("землю");
2) литье в ЖСС (жидкие самоотвердевающие смеси);
3) литье в оболочковые формы;
4) литье в кокиль (металлические защищенные формы);
5) литье по выплавляемым моделям;
6) литье под давлением;
7) центробежное литье;

2. Отливки-заготовки деталей АСУ и ЭВМ.

Отливки в АСУ и ЭВМ широко используются там, где необходимо обеспечить высокие требования к
прочности и жесткости:

-рамки ТЭЗов;
-панелей ТЭЗов;
-кронштейны и угольники рам;
-корпуса различных разъемов в процессоре;
теплопроводности:
-корпуса реверсных электродвигателей НПМ и других электродвигателей;
-радиаторы в ячейках питания для транзисторов, диодов в процессоре и внешних устройствах.

Масса отливок колеблется от нескольких граммов до нескольких десятков килограммов.
Конфигурация отливок может быть любой, она определяется возможностью изготовления технологической оснастки - формы, литейными свойствами сплавов, способом литья. Выбор способа литья в зависимости от конфигурации отливки основывается чаще всего на экономических соображениях, реже из условия высокой производительности и др.

3. Основные этапы производства отливок.

Последовательность производства отливок рассмотрим на примере литья в песчаные формы. Этот способ изучается в учебных мастерских:

1. Разработка чертежа отливки.
2. Изготовление модели и стержневого ящика.
3. Изготовление формы из заранее приготовленной формовочной смеси.
4. Сборка формы (установка ранее изготовленного из стержневой
смеси стержня и соединение частей формы).
5. Заливка формы ранее расплавленным сплавом или металлом.
6. Охлаждение формы с отливкой.
7. Освобождение отливки от формы.
8. Отрезка литников и прибылей
9. Отжиг отливок.
10. Термообработка.
11. Контроль.

4. Основные свойства литейных сплавов и влияние их на качество
отливок.

К основным свойствам литейных сплавов относят следующие:

1. Жидкотекучесть - это способность сплава в жидком состоянии заполнять литейную форму и воспроизводить ее очертания в отливке. Жидкотекучесть определяют по стандартной пробе в виде канала определенной длины и диаметра с литниковой чашей

Жидкотекучесть определяют по длине пути, пройденному жидким металлом до затвердевания. Чем длиннее пруток, тем больше жидкотекучесть. Высокую жидкотекучесть (>700 мм) имеют силумины, серый чугун, кремнистая латунь;
среднюю жидкотекучесть (350-340 мм) имеют углеродистые стали, белый чугун, алюминиево-медные и алюминие-во-магниевые сплавы;
низкую жидкотекучесть имеют магниевые сплавы.
С повышением температуры сплава жидкотекучесть увеличивается.

2. Кристаллизация - это процесс перехода от жидкого состояния расплава к твердому состоянию с образованием структуры. Кристаллизация сплава происходит в направлении перпендикулярном поверхности теплоотвода. Скорость кри-сталлизации меняется от максимальной у поверхности до минимальной в центре стенки отливки .

Для создания равномерной кристаллической структуры желательно уменьшить толщину отливки. Наилучшие свойст-ва имеют сплавы при мелкокристаллической (мелкозернистой) структуре. Изменением скорости охлаждения невозможно достигнуть равномерной структуры. С целью получения мелкозернистой структуры в сплавы вводят особые добавки - мо-дификаторы для силумина АЛ -2 - натрий, для серого чугуна - магний.
Процесс кристаллизации и кристаллическое строение отливки зависят от ее формы, температуры заливки сплава, от марки сплава, от вида литейной формы. На рис.2 показана качественная картина влияния этих параметров на кристалличе-ское строение отливки.
3. Усадка - свойство металлов и сплавов уменьшать свои размеры и объем при затвердевании и охлаждении. При за-твердевании отливки выделяются также ранее растворенные расплавом газы. Усадка может способствовать образованию усадочных раковин, а выделяющиеся при охлаждении отливки газы способствуют образованию газовых раковин. Различа-ют линейную и объемную усадку.
Линейная усадка изменяет линейные размеры отливки по сравнению с соответствующими размерами формы и при неблагоприятной конструкции заготовки образует трещины и коробление из-за торможения усадки в отдельных местах.

При затвердевании в полости формы есть три фазы сплава:

1) жидкая,
2) твердая,
3) жидкая и твердая или двухфазная зона.

При затвердевании в двухфазной зоне могут возникнуть рассеянные поры. Увеличение толщины твердого слоя про-исходит до тех пор пока в двухфазной зоне не возникает сплошной скелет из кристаллов. Теперь жидкий металл, питающий затвердевающую зону встречает значительное сопротивление своему продвижению, которое увеличивается по мере умень-шения ячеек указанного скелета. И при прекращении питания каких-либо ячеек при дальнейшем охлаждении в них возника-ет усадочная межкристаллическая раковина. Раковины там меньше, чем позже прекратилась связь жидкого раствора с пи-таемой ячейкой.
В этом случае возникает рассеянная микропористость. Эти поры нарушают сплошность металла и могут при значи-тельных механических нагрузках являться концентраторами напряжений (как надрезы) и тем самым ухудшать механические свойства деталей.
Для уменьшения влияния на качество отливки усадочных концентрированных раковин применяют два способа:

а) одновременное затвердевание,
б) направленное затвердевание.

Одновременное затвердевание - это одновременная и равномерная кристаллизация расплава во всех частях отливки, что обеспечивается определенными условиями. Приближенно эти условия можно считать выполненными, если толщина отливки во всех ее точках неизменна или изменяется равномерно. Наилучшим образом соблюдаются эти условия при воз-можно меньшей толщине стенки.
При направленном затвердевании кристаллизация отливки происходит последовательно в направлении противопо-ложном вектору отвода тепла и источнику питания жидким сплавом. При направленном затвердевании отливка получается наиболее плотной, без концентрированных раковин, которые выводятся в прибыль.
Направленное затвердевание можно осуществить несколькими путями:
а) охлаждением нижней части формы или нагревом прибыли;
б) конструкцией отливки, имеющей с постепенно увеличивающейся толщиной в направлении к прибы-ли;
в) подводом расплавленного металла под прибыль.
4. Поглощение газов в значительной мере зависит от вида и свойств газа, природы растворителя, температуры и дав-ления. Если воде с повышением температуры растворимость газов уменьшается, то в жидких металлах и сплавах раствори-мость газов может увеличиваете с увеличением температуры.
Для уменьшения объема растворенных газов, газовых раковин и пористости применяют следующие методы:

а) дегазации исходных (шихтовых) материалов;
б) дегазацию жидкого металла перед заливкой в форму;
в) предупреждения выделения газов из раствора в процессе кристаллизации металла в форме.

5. Склонность к образованию неметаллических включений.
В затвердевшем сплаве окислы, нитриды, более тугоплавкие соединения и др., являются телами, нарушающими сплошность и единообразие его структуры. Неметаллические включения неблагоприятно оказываются на физико-химических свойствах,

6. Ликвация.
При охлаждении сплава в форме вследствие неодинаковой удельной массы, неодинаковой температуры кристаллиза-ции составляющих сплава в отдельных участках возникает химическая неоднородность - ликвация. Ликвация зависит от скорости охлаждения большая скорость охлаждения способствует получению более однородного по химическому составу отливки, к получению отливки с лучшими механическими свойствами.

4. Литейные сплавы и их характеристика.

Чугун - многокомпонентный сплав железа с углеродом и другими компонентами (углерода 2-4%).На характер кри-сталлизации чугуна влияют содержание элементов (C, Si, Mn, P, S ) и скорости охлаждения. При этом структура и свойства чугунов различны:
если весь углерод кристаллизуется в виде графита, а металлическая основа в виде феррита, то получают серый чугун,
если же весь углерод кристаллизуется в составе цементита Fe3C , то получают белый чугун.

В половинчатом чугуне находятся одновременно графит и свободный цементит. Получающиеся при кристаллизации структуры можно существенно изменить последующей термообработкой.
Чугун широко применяют благодаря хорошим технологическим свойствам (хорошая жидкотекучесть и обрабатывае-мость резанием) и малой относительной стоимости.

Стали - железоуглеродистые сплавы, содержащие до 2% С. Кроме углерода в сталях содержатся Mn, Si, S, P, N, H, O и другие элементы. Стали с добавкой Cr, Ni, Mo, V, W имеют особые физические, физико-химические свойства или повы-шенную прочность.
В производстве применяют три группы литейных сталей: конструкционные, инструментальные и легированные. Ли-тейные свойства сталей ниже литейных свойств чугунов, легированные стали имеют плохие литейные свойства. При усадке получают раковины и пористость.

Плотные (без пор и раковин) отливки получают при правильной их конструкции, то есть когда есть прибыль или обеспечено направленное затвердевание. Усадка в твердом состоянии может вызвать горячие или холодные трещины, ко-робление отливок, высокие внутренние напряжения и изменение литейных размеров.
Алюминиевые сплавы - сплавы основной составной частью которых является алюминий. В качестве дополнитель-ных компонентов, создающих те или иные специфичные технологические свойства, применяют кремний, медь, магний, ти-тан, натрий, марганец.
Добавка кремния улучшает литейные свойства, добавка меди улучшает обрабатываемость резанием, магний увеличи-вает коррозионную стойкость и прочность.

Магниевые сплавы - сплавы на магниевой основе и в зависимости от требуемых свойств содержащие добавки: мар-ганец, алюминий, цинк, цирконий и другие редкоземельные элементы. Литейные свойства удовлетворительные.
Медные сплавы - сплавы не медной основе с добавками различных элементов; различают две основные группы медных сплавов:
латуни - сплав меди с цинком;
бронзы - сплав меди с другими (Кроме цинка) элементами.
Литейные свойства - удовлетворительные.

Титановые сплавы - сплавы на основе титана, содержащие добавки, которые создают особые свойства. Литье этих сплавов связано с большими технологическими трудностями (из-за активного взаимодействия расплава с материалами фор-мы).