Лабораторная работа № 1 основы технологии литейного производства
1. Теоретическое введение
1.1. Технология литейного производства
Литейное производство – отрасль машиностроения, занимающаяся изготовлением фасонных заготовок или деталей путем заливки расплавленного металла в специальную форму, полость которой имеет конфигурацию заготовки (детали). Конечную продукцию называют отливкой. В процессе кристаллизации расплавленного металла и его последующего охлаждения формируются эксплуатационные свойства отливок.
Область применения того или иного способа литья определяется объемом производства, требованиями к геометрической точности и шероховатости поверхности отливок, экономической целесообразностью и другими факторами.
Литейные формы изготавливают по литейным моделям в литейных опоках. Литейная опока (рис. 1.1) – приспособление для удержания формовочной смеси при изготовлении формы.
Модельный комплект – это совокупность технологической оснастки и приспособлений, необходимых для образования в форме полости, соответствующей контурам отливки. В модельный комплект входят следующие элементы: модельные плиты, модели, стержни, модели элементов литниковой системы и другие приспособления.
Литниковая система включает:
- литниковую чашу для заливки расплавленного металла в форму;
- стояк, который обеспечивает полную заливку формы и необходимое давление заливки;
- шлакоуловитель, в котором скорость движения металла замедляется из-за увеличения поперечного сечения трубы, шлаки всплывают и задерживаются ступенькой шлакоуловителя;
- питатель, следующий за шлакоуловителем, обеспечивает приток расплава в литейную форму;
- прибыль, которая кристаллизуется в последнюю очередь, подпитывает отливку расплавленным металлом. В прибыли локализуется усадочная раковина;
- выпоры, которые обеспечивают выход газов из формы и полную заливку формы металлом.
Рис. 1.1. Схема литейной формы в сборе: 1 – форма, 2 – литниковая чаша, 3 – стояк, 4 – шлакоуловитель, 5 – питатель, 6 – прибыль, 7 – выпоры, 8 – стержни, 9 – опоки, 10 – модельная плита
Процесс изготовления отливки в песчано-глинистой форме представлен на рис. 1.2.
Для получения отливки 1 необходимо создать песчано-глинистую форму. Деталь 1 имеет осевое отверстие. Для его создания необходим стержень, который формуется в стержневом ящике 2. Модель изготавливается с стержневыми знаками (места в которые помещается стержень). Модель состоит из двух половинок (полумоделей). Полумодели 3 могут быть изготовлены из дерева, пластика или металла в зависимости от требуемой прочности и предполагаемого срока службы.
|
Рис. 1.2. Процесс приготовления отливки трубы в песчано-глинистой форме со стержнем. 1 – отливка, 2 – стержневой ящик, 3 – деревянная модель, 4 – стержень, а-с – порядок сборки формы, d – отливка с элементами литниковой системы
Разделение модели на части связано с необходимостью извлечения частей модели из формовочной смеси после завершения формовки для получения пустоты в формовочной смеси – полуформы.
Полумодель, закрепленная на модельной плите вместе с опокой и элементами литниковой системы, засыпается формовочной смесью, которая уплотняется, приобретая необходимую прочность (позиция 3 а).
После уплотнения формовочной смеси модель извлекается, в результате образуется пустота – полуформа. Вторая половина формы изготавливается аналогично.
В нижнюю полуформу по стержневым знакам устанавливается стержень, после чего две полуформы совмещаются с помощью направляющих штифтов, как показано на рис. 1.2 позиция 4 b, c.
Полученная форма заливается расплавленным металлом и после кристаллизации образуется готовая отливка показаная на рис. 1.2 позиция d.
Для изготовления формы в качестве исходных материалов используют формовочные кварцевые пески и литейные формовочные глины в качестве связующего.
Инструмент для ручной формовки показан на рис. 1.3, а ручной процесс изготовления литейной формы в двух опоках – на рис. 1.4.
В настоящее время ручной труд в процессе формовки практически полностью исключается использованием механизации, автоматизации, новых технологий получения форм и стержней.
К современным технологиям получения форм и стержней относятся:
- прессование;
- встряхивание;
- пескострельный процесс;
- пескострельно-прессовый процесс;
- воздушно-импульсная формовка;
- газоимпульсная формовка;
- пескометная формовка;
- вакуумно-пленочный процесс.
Не смотря на все достоинства литья в песчано-глинистые формы, а этим способом производится до 90% всех отливок в мире, возникают ситуации, когда такой способ литья не обеспечивает требуемого качества отливок по точности размеров и чистоте поверхности. В таких случаях используют специальные методы литья. Способы, которыми осуществляется литье, разнообразны. На рис. 1.5 приведены схемы изготовления отливок некоторыми специальными способами литья.
Рис. 1.3. Типы инструмента для формовки: a-d – трамбовки, e, f – гладилки плоские и профильные, g – ложки, h – лопата, i – крюк, k – подъемник с винтовым окончанием, l – сито, m – кисть, n – пневмотрамбовка
|
Рис. 1.4. Технология изготовления литейной формы в двух опоках. 1 – установка полумодели на модельную плиту; 2 – установка опоки и присыпка полумодели противопригарным порошком (тальк, графит); 3 – засыпка формовочной смесью; 4-6 – уплотнение ручной или пневматической трамбовкой; 7 – срезание излишка формовочной смеси; 8 – изготовление вентиляционных каналов душником; 9 – переворот опоки, установка второй половины модели и ее формовка вместе с литниковой системой; 10-11 – извлечение модели отливки и литниковой системы; 11-12 – установка стержня и сборка литейной формы
а |
б |
|
в |
г |
|
д |
||
Рис. 1.5. Специальные методы литья: a – литье по выплавляемым моделям; б – литье намораживанием; в – центробежное литье с горизонтальной осью вращения; г – центробежное литье с вертикальной осью вращения; д – литье под давлением
Литье по выплавляемым моделям позволяет: получать сложные отливки с толщиной стенок 0,5-1 мм с высокой размерной точностью и низкой шероховатостью поверхности; масса отливки от нескольких грамм до 100 кг; не требуется дополнительная обработка отливки или она минимальна.
Сущность этого способа литья состоит в том, что детали получают заливкой расплавленного металла в неразъемные, тонкостенные керамические формы, изготовленные с помощью моделей из легкоплавких составов. Разовые выплавляемые модели и элементы литниковой системы изготовляют в пресс-формах из модельных составов, состоящих из двух или более легкоплавких компонентов (парафина, стеарина, жирных кислот, церезина и др.). Модели с элементами литниковой системы собираются в блоки, как показано на рис. 1.5 a.
Штампованные или изготовленные вручную модели с элементами литниковой системы собранные в блоки окунают в керамическую суспензию и просушивают, так поступают несколько раз до получения слоя необходимой толщины. Полученный слой спекается при температуре ≈ 1000 ̊С с образованием плотной керамической формы. Если масса отливки велика, то керамические формы запрессовываются формовочной смесью в опоку. Полученные отливки освобождаются от керамических оболочек и зачищаются.
При литье намораживанием (рис. 1.5 б) образование изделия происходит в результате последовательного затвердевания металла – его «намораживания» на границе расплав-металл. На поверхность жидкого металла помещают плиту-поплавок с отверстием, соответствующим сечению отливки. В мениск жидкого металла, в отверстии плиты-поплавка, вводят затравку на штоке, который служит теплоотводом. При необходимости организуют принудительный теплоотвод, например, проточной водой, как показано на рис. 1.5 б. За счет отведения тепла от затравки ее температура достигает температуры кристаллизации и начинается формирование отливки в пределах отверстия плиты-поплавка. Шток вместе с затравкой вытягивают со скоростью кристаллизации, которая определяется интенсивностью теплоотвода.
Таким способом получают длинные стержни и трубы различной формы поперечного сечения, в которых отсутствует усадочная раковина, так как отливка постоянно контактирует с расплавом. Оборудование достаточно дорогое, так как для реализации этого способа литья необходимо поддерживать на заданном уровне температуру расплава и автоматически регулировать скорость вытягивания отливки.
При центробежном литье сплав заливают во вращающиеся формы с горизонтальной или вертикальной осью вращения (рис. 1.5 в, г). Формирование отливки осуществляется под действием центробежных сил, что обеспечивает высокую плотность и улучшенные механические свойства отливок на внешней поверхности. Внутренняя поверхность отливки не высокого качества, так как из-за вращения формы усадочная раковина не локализована и распределяется по внутренней поверхности в виде усадочной пористости и рыхлости.
Несмотря на высокую стоимость оборудования такой способ литья позволяет получать отливки с центральным отверстием с высоким качеством внешней поверхности и существенной экономией металла за счет отсутствия литниковой системы.
Литьем под давлением (рис. 1.5 д) получают отливки в металлических формах (пресс-формах), при этом заливку металла в пресс-форму и формирование отливки осуществляют под давлением. На рис. 1.5 д показана стадийность процесса литья. На первом этапе I – заливается порция металла, на втором этапе II – с помощью поршня создается давление, под действием которого форма заполняется расплавленным металлом, на третьем этапе III – после завершения кристаллизации под давлением готовая отливка извлекается из пресс-формы. Такой способ литья обеспечивает высокое качество отливок по плотности, дефектности, качеству поверхности и механическим свойствам. Кроме того, повышение давления заливки эквивалентно повышению жидкотекучести расплавленного металла, что позволяет заливать формы, которые другими способами литья залить невозможно.
Изготовление пресс-форм дорого. Они работают при высоких температурах в нагруженном состоянии и в агрессивных средах, что снижает срок службы. Но литье таким способом легко поддается автоматизации и обеспечивает высокую производительность наряду с высоким качеством и размерной точностью отливок.
1.2. Дефекты отливок
На рис. 1.6 показана характерная структура слитка металла, которая обычно содержит три зоны. Зона 1 – тонкая корка мелких равноосных кристаллов. Такая корка возникает в первый момент заливки металла в форму, когда начинается кристаллизация в условиях большого градиента температуры на границе между холодной формой и расплавом.
а б
Рис. 1.6. Структура слитка. 1 – тонкая корка мелких равноосных кристаллов; 2 – зона крупных ориентированных столбчатых кристаллов; 3 – зона крупных равноосных кристаллов; 4 – усадочная раковина; 5 – места слабины
Значительный градиент температуры соответствует высокой степени переохлаждения расплава на фронте кристаллизации, что приводит к высокой концентрации зародышей и, следовательно, к мелкокристаллической структуре.
По мере прогрева формы градиент температуры уменьшается, что снижает степень переохлаждения металла на фронте кристаллизации и вероятность образования зародышей, и их концентрацию. В таких условиях образуется зона 2 – столбчатых кристаллов ориентированных по направлению теплоотвода (перпендикулярно к поверхности теплоотвода). Столбчатые кристаллы наряду с преимущественной ориентацией имеют большие размеры, как показано на рис. 1.6 позиция 2.
В центральной части слитка (зона 3 – крупных равноосных кристаллов) направление и величина градиента температуры не существенны. Степень переохлаждения на фронте кристаллизации не велика, а концентрация зародышей мала, что создает условия для образования крупных равноосных кристаллов, как показано на рис. 1.6 позиция 3.
Анализ структуры слитка показывает, что она далека от совершенства из-за наличия: разнозеренной структуры; области столбчатых кристаллов с преимущественной ориентацией, мест слабины (областей с низкой прочностью по биссектрисам углов слитка, которые образуются в результате плохого сопряжения крупных столбчатых кристаллов); крупнозеренной структуры, усадочной раковины, усадочной пористости и центральной рыхлости в центральной части отливки.
Структуру слитка можно исправить введением модификаторов – добавок, способствующих измельчению зерна.
Кроме структурных дефектов в отливках присутствуют технологические дефекты.
Газовые раковины – открытые или закрытые пустоты с чистой и гладкой поверхностью закругленной формы, созданные воздухом или газами, выделяющимися из расплавленного металла при его затвердевании или из материалов формы. Образуются из-за повышенной влажности формы, плохой ее вентиляции, низкой температуры и насыщенности газами металла, недостаточной раскисленности расплава.
Шлаковые (или песчаные) раковины – открытые (иногда закрытые) полости в теле отливки, частично или полностью заполненные шлаком (или формовочной смесью). Образуются в результате разрушения отдельных частей формы из-за низкой прочности, слабого уплотнения формы, смыва формовочной смеси расплавом при неправильном его подводе.
Усадочные раковины – открытые или закрытые полости в теле отливки с неровной «рваной» внутренней поверхностью и грубокристаллическим строением. Образуются в утолщенных местах отливки из-за неправильной ее конструкции или в результате слишком высокой температуры заливки, из-за неправильной установки прибылей .
Усадочная пористость – скопление мелких пустот (пор) неправильной формы, которые образовались в отливке в результате объемной усадки при отсутствии доступа жидкого металла. Она характерна для сплавов с широким интервалом кристаллизации.
Трещины – сквозные и несквозные разрывы тела отливки.
Холодные трещины имеют небольшую ширину и значительную длину. Они образуются при низких температурах и имеют светлую неокисленную поверхность. Причиной образования холодных трещин является усадка сплава, приводящая к значительным внутренним напряжениям. Горячие трещины имеют значительную ширину и небольшую протяженность. Они образуются при высоких температурах и имеют темную окисленную поверхность. Причинами образования трещин являются недостаточная податливость стержней и отдельных частей формы, ранняя выбивка отливки из формы, повышенная усадка.
Заливы – тонкие, различные по величине и форме и не предусмотренные чертежом выступы на отливке. Они чаще всего образуются на месте разъема формы и вдоль стержневых знаков.
Причины образования заливов – недостаточная нагрузка форм при заливке, наличие зазоров между знаками стержней и контурами полости формы и т.д.
Недоливы – получение в форме отливок с неполным контуром. Образуются при низкой температуре заливки и чрезмерной длительности заливки, при недостаточных размерах питателей литниковой системы, при скоплении газов, препятствующих заполнению формы.
Спаи – сквозные или поверхностные щели с закругленными краями в теле отливок. Получаются в результате перерыва струи, низкой температуры или неправильной конструкции литниковой системы.
Перекос – несоответствие конфигурации отливки чертежу из-за смещения одной части отливки относительно другой. Перекос является следствием неправильного центрирования опок при чрезмерном износе штырей, несоответствия знаковых частей стержня на модели и в стержневом ящике, неправильной установки стержня.
Разностенность возникает в результате неправильной установки или смещения стержней при заливке формы в случае непрочного их крепления.
Коробление – искажение размеров и конфигурации отливки вследствие ее изгиба в целом или частично. Возникает вследствие недостаточной податливости формы и стержней при усадке отливки в процессе затвердевания, а также в результате больших внутренних напряжений вследствие неравномерного затвердевания отдельных частей отливки. Во избежание коробления необходимо добиваться меньшей разностенности отливки, а для охлаждения массивных частей применять холодильники.
Для устранения технологических дефектов в отливках необходимо соблюдать технологический процесс и совершенствовать его.
2. Задание и порядок его выполнения
2.1. Изучить оборудование и особенности различных видов литейного производства.
2.2. По выданному заданию определить металлы и сплавы с хорошими и плохими литейными свойствами.
2.3. Измерить жидкотекучесть силумина для чего:
- изготовить в двух опоках песчано-глинистую форму технологической пробы в виде спирали, имеющей в поперечном сечении трапециевидную форму с площадью 0,56 см2;
- залить форму расплавленным металлом и после кристаллизации и остывания извлечь отливку;
- оценить полученный результат.
2.4. Для металла (сплава) с наилучшими литейными свойствами определить зависимость его жидкотекучести от температуры заливки.
2.5. Проведите расчет площадей сечения питателя (Fп), шлакоуловителя (Fш), и стояка (Fст), для чугунного литья из условия:
Fп : Fш : Fст = 1 : 1,15 : 1,25
2.6. Обоснуйте высокие и низкие литейные свойства исследованных вами металлов.
2.7. Исследуйте зависимость литейных свойств сплава от температуры формы.
2.8. Дайте рекомендации по повышению качества литья.
3. Контрольные вопросы
3.1. Литье, как способ получения деталей и заготовок.
3.2. Литейные сплавы.
3.3. Литье в песчано-глинистые формы.
3.4. Какие типы ручного инструмента применяют при изготовлении формы из песчано-глинистой смеси?
3.5. Современные способы изготовления форм и стержней песчано-глинистых и стержневых смесей.
3.6. Назовите основные составляющие литейной формы.
3.7. Каков порядок получения отливки в двух опоках?
3.8. Что такое стержень и стержневые знаки?
3.9. Технология специальных способов литья. Их достоинства и недостатки?
3.10. Способы определения жидкотекучести расплава?
3.11. Дефекты отливок.
3.12. Достоинства и недостатки получения деталей и заготовок методом литья.