Производство отливок из стали

В полупостоянных формах (из шамота, металлокерамики, графита), без их разрушения можно получить несколько десятков и даже сотен отливок.

В металлической форме можно изготовить несколько тысяч  отливок с размерами большой точности.  К литью в металлические формы относятся литье в кокиль, центробежное литье, литье под давлением и др.

Литье в оболочковые формы – процесс получения отливок путем свободной заливки расплавленного металла в оболочковые формы из термореактивных смесей.

Этот способ литья является разновидностью литья в разовые песчаные формы, обеспечивает получение отливки с высоким качеством поверхности. Оболочковые формы изготовляют  из смеси, которая состоит из кварцевого песка и синтетической смолы (6-7% фенолформальдегидной) в виде порошка. Фенолформальдегидная смола при 70°С размягчается, а при температуре свыше 120°С плавится, превращаясь в жидкую клейкую массу. Через несколько секунд и по мере увеличения температуры смола становится твердой и вторичному расплавлению не поддается. При 450°С смола начинает выгорать. На свойстве смолы, переходить из жидкого состояния в  необратимое твердое состояние, основаны способы получения оболочковых форм. Оболочковая форма из песчано-смоляной смеси после заливки металлом легко разрушается, освобождая отливку.

 Литье по выплавляемым моделям. Этим способом литья изготовляли литые скульптуры много столетий назад. В машиностроении его начали применять в 40-х годах 20 века.

 Этот способ изготовления отливок трудоемок и дорог. Однако его применение во многих случаях оправдано, например, при получении точных отливок без последующей механической обработки, при изготовлении деталей со сложной и трудоемкой механической обработкой, при использовании труднообрабатываемых сплавов (высоколегированных сталей и др.) и т.д.

Имеется большое число вариантов изготовления отливок по выплавляемым моделям, а также рецептур модельных и формовочных смесей.

Наиболее часто применяют смесь: 50% парафина и 50% стеарина. Расплавленный  легкоплавкий сплав из печи заливают под небольшим давлением в пресс-форму. При этом получают легкоплавкую модель точных размеров.

После затвердевания легкоплавкую модель вынимают из пресс-формы, собирают в блоки с общей литниковой системой и погружают в огнеупорную суспензию, состоящую из 30%  гидролизованного раствора этилсиликата (обладает большой клейкостью) и 70% кварцевой муки. Затем блок моделей посыпают сухим песком и сушат на воздухе. Повторяя эти операции несколько раз, получают форму толщиной 5-8мм.

Модель выплавляется из формы с помощью горячего воздуха при 120-150°С, паром или горячей водой. Для крупных отливок облицованную и просушенную форму с литниковой системой помещают в металлический жакет и засыпают песком, уплотняют или засыпают металлической дробью.

Готовую форму прокаливают до температуры 850-900°С, при которой остатки легкоплавкого состава выгорают. Форма при этом превращается в прочную керамическую оболочку.

Форму заливают расплавленным сплавом. При необходимости сплав подают  в форму под действием центробежных сил.

После затвердевания металла блоки отливок выбивают из опок. Керамическую корку отбивают. Для удаления керамической корки  с детали, имеющей отверстия и внутренние каналы, отливки выщелачивают при 120°С в ванне с щелочным раствором с последующей промывкой их в горячей воде. После контроля отливок отрезают литники и зачищают их остатки. На многих заводах при литье по выплавляемым моделям все процессы изготовления отливок механизированы и автоматизированы.

В промышленности начали применять следующие способы получения точных отливок: литьем по выжигаемым, растворяемым, размораживаемым и по газифицируемым моделям. Наиболее перспективным из этих способов литья является способ с применением моделей из пенопласта (пенополистирола) или, как его называют, литьем по газифицируемым моделям. 

Особенность литья по пенопластовым моделям – применение неразъемных форм, из которых модель не извлекается, газифицируется за счет теплоты расплавленного металла. Таким способом получают отливки массой от 0,2кг до нескольких тонн.

Пенополистирол, из которого изготовляют модель, имеет малую плотность, разлагается при 300-350°С, выделяя пары стирола, легко обрабатывается, даже простым ножом и разогретой проволокой.

В единичном производстве пенопластовые модели изготовляют механической обработкой вручную с помощью пил, рубанка, фуганка и на станках (строгальных, фрезерных, сверлильных и шлифовальных). Модели часто изготовляют по частям, которые затем соединяют склеиванием, сваркой, спеканием.

В крупносерийном производстве модели из полистирола получают методом вспенивания в металлических или пластмассовых формах. В форму, полость которой имеет конфигурацию и размеры модели, загружают полистироловые гранулы. При нагревании гранулы вспениваются, расширяются, спекаются между собой, полностью заполняют полость формы. После охлаждения модель извлекают из формы.

Пенопластовую модель формуют в опоке обычным способом. Формовочную смесь чаще уплотняют на встряхивающих и вибрационных станках.

После изготовления форму заливают сплавом, при этом модель, которая осталась в форме, газифицируется, и газы удаляются в выпоры, а место, где находилась модель, заполняют сплавом для образования отливки.

Применяют и другие  способы изготовления отливок с помощью модели из пенопласта. После изготовления формы пенопластовую модель удаляют растворением ее, прокаливанием формы, электроплавкой, продувкой формы горячими газами.  Форму заливают после удаления модели. Пенопластовые модели применяют также вместо выплавляемых моделей.

2.2 Литье в металлические формы.

Литье в кокиль – процесс получения отливок путем свободной заливки расплавленного металла в металлические формы-кокили.

Кокиль изготовляют из чугуна, стали и других сплавов. Способ литья в кокиль имеет преимущества перед литьем в песчаные формы. Кокили выдерживают большое число заливок (от нескольких сот до десятков тысяч) в зависимости от заливаемого в них сплава: чем ниже температура заливаемого сплава, тем больше их стойкость. При этом способе исключается применение формовочной смеси, повышаются технико-экономические показатели производства, улучшаются санитарно-гигиенические условия труда.

Высокая теплопроводность кокиля ускоряет процесс кристаллизации сплава и способствует получению отливок большой герметичности и с высокими механическими свойствами.

Высокая прочность металлических форм позволяет многократно получать отливки одинаковых размеров. Минимальное физико-химическое взаимодействие металла отливки и формы повышает качество поверхности отливки.

К недостаткам этого способа литья относится сравнительно малая стойкость и высокая стоимость изготовления кокиля.  Образование внутренних напряжений в отливке требует соблюдения точного технологического процесс литья.

В кокилях получают 6% стальных отливок. Этот способ литья экономически целесообразен в серийном и массовом производствах.

Кокиль чаще изготовляют из двух половин, соответствующим двум полуформам при  литье в песчаные формы. Рабочая полость кокиля соответствует внешней конфигурации отливки. Установленные в эту форму песчаные стержни образуют полость с конфигурациями отливки. Для заливки кокиля жидким металлом в плоскости разъема или в стержне выполняют каналы для литниковой системы. Сплав заполняет пространство между полостью кокиля и стержнем, образуя отливки. После затвердевания отливки кокиль раскрывают, и из него выталкивается готовая отливка. Затем все процессы повторяются.

В зависимости от конфигурации отливки кокиль изготовляют с одним или несколькими разъемами. Плоскости разъема кокиля могут быть вертикальными, горизонтальными или комбинированными.

Чтобы уменьшить скорость охлаждения отливок, избежать образования закаленного слоя около поверхности и повысить стойкость кокиля, на его рабочую поверхность наносят теплоизоляционные покрытия. Их изготовляют из одного или нескольких огнеупорных материалов (кварцевой муки, молотого шамота, графита, мела, талька) и связующего материала (жидкого стекла, патоки).

Кокиль практически газонепроницаем. Газы удаляются из формы через выпор и газовые каналы, выполненные по линии разъема кокиля или в специальных пробках. Газовые каналы делают обычно глубиной 0,2-0,5мм. Через такие каналы не вытекает жидкий сплав, но легко удаляются газы.

Механизировать и автоматизировать технологический процесс кокильного литья легче, чем процесс литья в песчаные формы. Для механизации применяют кокильные машины – однопозиционные и карусельные. На этих машинах автоматизируют следующие технологические процессы: открывание и закрывание кокилей, постановку и удаление металлических стержней и выталкивание отливок из кокиля.

Литье под давлением – процесс получения отливок в металлических формах, при котором их заполнение сплавом и формирование отливок осуществляется под давлением. Этот способ литья применяют в массовом производстве (так как стойкость пресс-форм высока) тонкостенных отливок. При данном способе литья достигаются большая точность размеров отливок и высокое качество поверхности, не требуется механической обработки. Этот способ литья очень производителен (200-400 циклов в час). При литье под давлением формы изготовляют стальными. Они имеют более сложную конструкцию и большую точность, чем кокили, поэтому и стоимость их выше. Применяются только неразъемные металлические стержни. Использование песчаных стержней исключено, так как струя металла может их разрушить. Струя металла подается под большим давлением и скоростью. При этом газы из полости формы не успевают удалиться, что приводит к образованию в толстостенных отливках газовой пористости.

Пресс-форма – сложное приспособление, состоящее из 30-100 деталей. Рабочая часть пресс-формы выполнена из вкладышей. Металлические стрежни для образования отверстий в отливке устанавливаются и извлекаются автоматически с помощью приспособления.

Сплав заливается в камеру прессования. При прессовании струя металла, проходя через литниковые каналы, заполняет полость пресс-формы. При раскрытии пресс-формы отливка выталкивается толкателями.

Машины для литья под давлением являются сложными техническими устройствами. Машина состоит из корпуса, направляющих, гидравлических цилиндров, которые приводят в движение половины пресс-формы и металлические стержни, а также создают давление (30-100 МН/м2) для прессования металла.

Литье под низким давлением (0,01-0,08 МН/м2) – промежуточный способ между литьем в кокиль и литьем под давлением. Сплав, находящийся в герметически закрытом тигле, расплавляется электронагревателями, поступает в полость формы по стальному металлопроводу и под давлением инертного газа на зеркало металла. После затвердевания отливки снимают давление газа в тигле, раскрывают форму и удаляют из нее отливку. Этим способом можно заливать тонкостенные отливки крупногабаритные отливки с применением песчаных стержней.

При изготовлении литых деталей в кокиль и литьем под давлением необходимо учитывать следующие особенности металлических форм. Формы практически неподатливы. Металл, заливаемый в металлическую форму, охлаждается быстрее, чем при литье в песчаные формы, вследствие чего  повышается возможность появления внутренних напряжений в отливке. Поэтому нельзя допускать в отливках резких переходов от толстой стенки к тонкой и острых углов. Радиусы галтелей должны быть в 1,5 раза больше, чем радиусы при литье в песчаные формы. Жидкий сплав, протекая по металлической форме, охлаждается интенсивно и теряет жидкотекучесть, поэтому при литье в кокиль минимальная толщина стенок должна быть больше.

Для стальных сплавов конструктивные размеры отливок при литье в металлические формы должны быть следующими: наружный уклон стенок от высоты 0,4%, внутренний – 2-6%; минимальный диаметр отверстия – 8мм; максимальная непроходная глубина отверстия – 3мм, проходная – 4мм. При изготовлении отливок из стали и стальных сплавов минимальная толщина стенки отливки при литье в кокиль должна быть 6,0-25мм, а при литье под давлением – 1,5-4,0мм.

 Центробежное литье. При этом способе литья отливки получают свободной заливкой во вращающиеся формы. Отливки формируются под действием центробежных сил. Центробежные силы отбрасывают заливаемый металл к стенкам формы, где он затвердевает, образуя пустотелую отливку. Центробежным литьем в промышленности получают стальные кольца, трубы и др.

При этом способе литья исключается применение стержней для образования полостей цилиндрических отливок.  Отливки отличаются большой плотностью и высокими механическими свойствами. Центробежным литьем можно получить тонкостенные отливки из сплавов с низкой жидкотекучестью.

К недостаткам центробежного литья относится трудность получения качественных отливок из ликвирующих сплавов и невозможность выполнения отверстий в отливках точных размеров. Размеры отверстий отливок зависят от количества залитого в форму металла.

Формы приводят во вращение специальными машинами, называемыми центробежными. В зависимости от расположения оси вращения формы в пространстве различают машины с горизонтальной и вертикальной осями вращения.

 На машинах с горизонтальной осью вращения отливки получают со стенками равномерной толщины по длине и в поперечном сечении. На них отливают короткие и длинные трубообразные отливки. Металл из ковша заливают в форму через желоб. Попадая на внутреннюю стенку вращающейся формы, жидкий металл образует вокруг нее полую цилиндрическую отливку, которую после затвердевания извлекают из формы. Для центробежных машин изготовляют металлические формы. Иногда металлические формы облицовывают формовочной смесью.

В машинах с вертикальной осью вращения металл из ковша заливают в форму, укрепленную на шпинделе, который вращается от электродвигателя. Металл центробежной силой прижимается к боковой цилиндрической стенке, образуя возле нее жидкий кольцевой слой. Форма вращается до полного затвердевания металла, после чего ее останавливают и извлекают отливку. При вертикальной оси вращения формы отливки имеют  параболическую внутреннюю поверхность. Толщина верхней части отливки меньше, чем нижней части, так как при вращении формы часть металла стекает  вниз. Этим методом литья получают отливки небольшой высоты.

Глава 3. Термическая обработка и технический контроль  отливок из стали.

3.1 Термическая обработка отливок.

Отливки часто имеют крупное строение зерен, ликвационные включения; в них часто неравномерно распределяются неметаллические включения и легирующие элементы. Все это снижает их механические свойства.

Для улучшения механических и других свойств сплавов отливки подвергают термической обработке.

Академик А. А. Бочвар классифицировал следующие виды термической обработки: отжиг первого рода (включая гомогенизацию, рекристаллизацию, отжиг для снятия внутренних напряжений); отжиг второго рода или перекристаллизацию, включающую нормализацию; закалку, отпуск.

При выборе режима термической обработки руководствуются диаграммами состояния сплавов, а также учитывают технологию изготовления и области применения отливок.

По диаграмме состояния определяют температуру начала рекристаллизации. А. А. Бочвар нашел, что для сплавов, состоящих из твердых растворов, температура рекристаллизации Тр = 0,5 ÷ 0,6 от температуры плавления Т [Тр = (0,5 ÷ 0,6) Т].

Для отливок из стали гомогенизацию не применяют, так как этот вид термической обработки  для отливок из цветных сплавов для обеспечения выравнивания химического состава сплава.

Отжиг второго рода изменяет структуру сплавов посредством перекристаллизации. В этом случае нагревают отливки ни 30-50°С выше температуры рекристаллизации, выдерживают при этой температуре и затем медленно охлаждают. В результате такой термической обработке изменяется микроструктура сплава, размельчаются его зерна и более равномерно распределяются неметаллические и другие включения. Выдержка при высоких температурах необходима для выравнивания температуры по сечению отливки.

Большое значение имеет скорость охлаждения отливок после выдержки их при высоких температурах. Регулируя скорость охлаждения, можно получить грубую или более тонкую структуру с игольчатым, сетчатым или зернистым строением. При больших скоростях охлаждения при прохождении температур рекристаллизации образуется больше центров кристаллизации, а следовательно, и более мелкое строение зерна в отливке. Например, при нормализации (отливка после выдержки при высоких температурах охлаждается на воздухе) образуется более мелкое строение зерна; при закалке (отливка охлаждается в воде, масле или в струе воздуха) – еще более мелкое строение зерен.

Отпуск служит для снятия внутренних напряжений в отливке. В процессе его происходит самопроизвольные процесс распада пересыщенного твердого раствора и тем самым возвращение кристаллической решетки основы сплава в более устойчивое положение. При отпуске отливки нагревают до температуры ниже температуры рекристаллизации, выдерживают при этой температуре и затем медленно охлаждают.

В зависимости от технологических требований отливки подвергают одному или нескольким видам термической обработки.

3.2 Контроль брака в отливках. Причины возникновения брака в отливках из стали.

Основной задачей технического контроля является анализ брака промежуточной или окончательной продукции литейного цеха, определение его вида и принятие мер для устранения. Это осуществляется контролем сырья и материалов, поступающих в производство, модельной и опочной оснастки, мерительного инструмента и технологических процессов на всех участках цеха. Кроме того, проводится пооперационный контроль качества изготовляемых в цехе полуфабрикатов, контроль готовой продукции, анализ брака и рекламаций.

После очистки отливок их тщательно контролируют с целью обнаружения дефектов. Проверяют также основные размеры продукции и соответствие ее техническим условиям. В соответствии с техническими условиями отливки подвергают специальным испытаниям на герметичность, электропроводность, магнитные свойства.

Бракованной, непригодной к эксплуатации, называют такую отливку, которая имеет хотя бы один неисправимый и недопустимый по техническим условиям дефект.

Дефекты литья классифицированы ГОСТом. Выделяют 22 вида дефектов: заливы, коробление, корольки, наросты, недолив, отбел, пригар, газовые и шлаковые раковины, рыхлоты или пористость, спаи, горячие и холодные трещины, ужимы, несоответствие металла стандартам и техническим условиям по химическому составу, микроструктуре и физико-механическим свойствам и др..

Брак может быть вызван несоблюдением технологии, ошибками при конструировании деталей и при проектировании технологического процесса изготовления отливки.

Короблением называется изменение размеров и контуров отливки под влиянием усадочных напряжений. Причинами этого вида брака могут быть нерациональность конструкции отливки, что приводит к образованию внутренних напряжений; неправильный подвод металла, ухудшающий равномерность его остывания. Также коробление может вызвать неправильный состав или температура заливаемого металла, вызывающие чрезмерную усадку; неправильный режим охлаждения отливки и недостаточная податливость формы и стержней.

Газовыми раковинами называют пустоты, расположенные на поверхности или внутри отливки. Форма раковины сферическая или округленная, поверхность гладкая блестящая. Раковины могут быть одиночными или расположенными гнездами различного объема. В большинстве случаев раковины обнаруживают при механической обработке.

Газовые раковины появляются в том случае, когда  в металле большое содержание газов вследствие плохого качества исходных материалов, неправильного режима плавки или неправильно проведенного модифицирования металла. Пониженная газопроницаемость или повышенная влажность формовочных или стержневых смесей, чрезмерно высокая температура металлических форм, низкая температура заливаемого сплава, не обеспечивающая выхода из него газов, также могут служить причинами образования газовых раковин.

Песчаными раковинами называются открытые или закрытые раковины, полностью или частично заполненные формовочным материалом. Причины такого брака следующие – местное разрушение и засорение форм при сборке, недостаточная прочность формовочной или стержневой смеси или красок, недостаточное крепление выступающих частей формы, слабая или неравномерная набивка формы или стержней.

Усадочными раковинами называют открытые или закрытые  пустоты в теле отливки, имеющие шероховатую поверхность с грубокристаллическим строением.

Рыхлотами или пористостью называется крупнозернистое и неплотное строение сплава с наличием межкристаллических пустот большей или меньшей величины.

Причинами брака по усадочным раковинам и рыхлотам могут быть неправильная конструкция отливки, не обеспечивающая равномерного ее охлаждения; недостаточное питание отливки жидким металлом в процессе затвердевания из-за неправильного расположения прибылей, выпоров и литников; чрезмерно высокая температура заливки.

Шлаковыми раковинами называются открытые или закрытые пустоты, полностью или частично заполненные шлаком.

Причина такого брака: окисленная или загрязненная шихта и загрязненные флюсы; нестойкие огнеупоры, способствующие обильному выделению шлаков; небрежная очистка металла от шлака в ковше перед заливкой и небрежная (с пропуском шлака) заливка металла в формы; нераскисленный металл.

Трещинами горячими и холодными называют сквозные и несквозные разрывы или надрывы в стенках отливок. Поверхность излома в горячих трещинах, поскольку они появляются при высоких температурах, всегда окислена. В холодных трещинах поверхность излома совершенно чистая. Трещины обнаруживаются постукиванием, гидропробой и способом магнитной дефектоскопии.

Причинами появления горячих и холодных трещин могут быть неправильная конструкция отливки с резким переходом от толстых к тонким сечениям; острые внутренние углы в отливках; неправильно подготовленный состав формовочной или стержневой смесей и малая податливость их. Также причиной появления трещин может служить неправильный режим заливки и термической обработки; удары при отбивке литников или при транспортировке отливок, имеющих большие внутренние напряжения.

Недолив характеризуется тем, что при заливке некоторые части отливки остаются незаполненными. Спай – сквозные или поверхностные с закругленными  краями потоки преждевременно застывшего металла. Причинами такого брака являются недостаточное количество металла в ковше; низкая температура сплава при заливке и недостаточная жидкотекучесть его; нерациональная конструкция отливок из-за наличия слишком тонких стенок.

Незначительные дефекты в неответственных местах отливок исправляют. В зависимости от характера дефекта, размеров и конфигурации отливки его исправляют одним из следующих способов:  заделывают замазкой, пропитывают мастикой, металлизацией, заваркой жидким металлом, ввертыванием пробок, газовой сваркой, электросваркой и термической обработкой.

Раковины на неответственной части детали заделывают бакелитовым лаком или замазкой, состоящей из графита и масла.

При недоливе крупных отливок иногда допускается исправление  дефектного места наплавкой жидкого металла. Для этого дефектную часть тщательно очищают, обкладывают стержнями или формовочной смесью, образующих форму недолитой части, и устраивают приямок для слива металла. Вначале заливают металл для разогрева завариваемой части отливки, затем отверстие заделывают и оставляют металл в форме до остывания. Дефекты отливок в метах, испытывающих большую нагрузку, наиболее надежно исправляют газовой или электрической сваркой. Отливки термически обрабатывают, когда необходимо изменить их твердость, снять внутренние напряжения и в отдельных случаях изменить микроструктуру металла.

 Заключение

В данной курсовой работе было рассмотрено производство  стальных отливок, начиная от плавки стали  и заканчивая техническим контролем уже готовых изделий. Здесь представлены и охарактеризованы основные способы литья: в песчаные формы и специальные способы литья.

Производство стальных отливок – сложный и трудоемкий процесс, требующий больших финансовых вложений, квалифицированных кадров, соблюдения технологии. Этот процесс включает в себя несколько отличных друг от друга этапов: плавка металла, производство форм, разливка жидкого сплава в формы, термическая обработка готовых изделий, контроль качества. Каждый из этих этапов обладает своими особенностями и тонкостями, соблюдение которых необходимо для изготовления качественной продукции. Так, например, при литье в металлические формы необходимо соблюдение определенных конструктивных размеров, а при заливке жидкого металла в формы необходимо строго контролировать температуру сплава, потому что любое отклонение может вызвать множество неисправимых дефектов, а, значит, принести убытки для предприятия.

В отечественном машиностроении широко применяются отливки, изготовленные из конструкционных, инструментальных сталей и сталей со специальными свойствами. Коррозионно-стойкие, жаропрочные, кислотоупорные, износостойкие стальные отливки удобно использовать в различных средах, при высоких температурах или при больших нагрузках. Стальные отливки способны при правильной технологии изготовления обеспечить большой запас прочности и надежность конструкций с их использованием.

Список литературы

1. Литейное производство / под ред. И.Б. Куманина – М., «Машиностроение», 1971г.

2. Литье повышенной точности  по разовым моделям / Озеров В. А., Гаранин В. О. – М., «Высшая школа», 1988г.

3. Стальное литье / под ред. Н. П. Дубинина – М., «МАШГИЗ», 1961г.

4. Стальные отливки / Арсов Я. Б. – М., «Машиностроение», 1974г.

5. Технические и экономические основы литейного производства / под ред. В.М. Шестопала – М., «Машиностроение», 1974г.

6. Технология конструкционных материалов / под ред. А. М. Дальский, Н.П. Дубинин – М., «Машиностроение», 1977г.

7. Технология литейного производства / Титов Н.Д., Степанов Ю.А. – М., «Машиностроение», 1985г.

Страницы: 1, 2