Литье под давлением. Сущность процесса заключается во вводе расплава металла под большим давлением от 10 до 100 МПа в пресс-форму
Сущность процесса заключается во вводе расплава металла под большим давлением от 10 до 100 МПа в пресс-форму. Формирование отливки осуществляется при интенсивном отводе теплоты к массивной металлической форме, установленной на специальных литейных машинах с холодной или горячей камерой давления (рис.4.5.).
 |
Рис. 4.5. Схема процесса литья в машинах литья под давлением:
а – схема заливки расплава в машину с холодной камерой давления,
б – запрессовка расплава, в – извлечение отливки, г – машина с горячей камерой давления; 1 – гидравлический плунжер, 2 – камера, 3 – выталкиватель,
4 – металлический стержень, 5 – неподвижная полуформа, 6 – подвижная полуформа, 7 – пресс-форма, 8 – металлопровод,9 – обогреваемый тигель.
Машины с горячей камерой давления применяют главным образом для малоответственных деталей из легкоплавких алюминиевых и цинковых сплавов. Для более ответственных деталей применяют машины холодной камерой давления.
Литье под давлением является одним из самых высокопроизводительных и эффективных специальных способах литья, позволяющий полностью механизировать и автоматизировать весь цикл технологического процесса получения отливок.
Литье под давлением позволяет получать отливки, максимально приближенные по форме и размерам к готовой детали, сложной конфигурации с толщиной стенок 0,8 – 6 мм и отверстиями до 1 мм, массой от нескольких грамм до 45 кг.
Широкое применение в авиационной промышленности получил способ литья под давлением в вакууме, позволяющий производить весьма ответственные детали из алюминиевых, титановых и жаропрочных сплавов. Для этой цели созданы специализированные агрегаты, в состав которых входят вакуумные электропечи и машины литья под давлением в вакууме.
Недостатками литья под давлением являются: высокая стоимость пресс-форм, ограниченные размеры и массы отливок.
Одной из разновидностей способа литья под давлением является способ литья под регулируемым давлением, сущность которого заключается в заполнении формы расплавом и его затвердевание под действием избыточного давления воздуха или газа.
Литье под регулируемым давлением уменьшает усадочную пористость, повышает плотность и механические свойства отливок.
Источник
В чем заключается сущность изготовления отливок литьем под давлением
Термины и определения
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЗАГОТОВОК МЕТОДОМ ЛИТЬЯ
В этой лекции рассмотрены основные особенности процессов получения заготовок методом литья, технико-экономические показатели основных способов получения отливок, а так же факторы, определяющие выбор рационального способа изготовления отливки проектируемой детали. Приведены данные о литейных свойствах расплавов и об их влиянии на конструируемые размеры и форму изделия.
13.1 Основные особенности процессов получения отливок
Литье широко применяют для изготовления фасонных деталей от нескольких грамм до сотен тонн. У многих изделий (двигатели внутреннего сгорания, турбины, компрессоры, металлорежущие станки и т.д.) масса литых деталей составляет 60-80% от общей массы. С помощью литья можно получать изделия самой сложной конфигурации, невыполнимые другими методами получения заготовок.
Для отливок характерны пониженная прочность, по сравнению с поковками, различные механические свойства в разных участках отливок, склонность к образованию дефектов и напряжений. Качество отливки зависит от технологии литья и конструкции детали, поэтому конструктор должен знать основные особенности литейной технологии и уверенно владеть приемами, обеспечивающими получение качественных отливок при наименьших производственных затратах.
Оптимальная конструкция литой детали должна наиболее полно соответствовать технологическим возможностям выбранного способа литья в отношении обеспечения минимальной себестоимости и заданных свойств изделия. Качество отливки определяется двумя группами технологических факторов.
Первая группа факторов связана с условиями заливки расплава, качеством изготовления литейной формы и определяет возможность получения заданной конфигурации, точности и свойств поверхностного слоя отливки.
Вторая группа факторов связана с условиями кристаллизации расплава, охлаждения отливки и определяет возможность получения детали с заданной структурой, а также вероятность появления в ней различных дефектов (раковин, трещин, внутренних напряжений и др.). Эти факторы влияют в основном на физико-механические и связанные с ними эксплуатационные характеристики материала отливки.
13.2. Технико-экономические показатели основных способов получения отливок
Рассмотрим технико-экономические показатели основных способов изготовления отливок — литье в песчаные формы, в оболочковые формы, по выплавляемым моделям, кокильное и центробежное литье, литье под давлением. Последние пять способов называют специальными.
Инструментом для изготовления отливок являются литейные формы, которые классифицируют по числу заливок: разовые и многократно используемые, а также по материалу формы: песчаные, металлические и т.п. В зависимости от числа заливок в формы, существующие способы литья можно разделить на две группы:
ЛИТЬЕ В РАЗОВЫЕ ФОРМЫ
Литье в песчаные формы (ПФ) — самый распространенный способ литья. В машиностроении им изготавливают 75-80% отливок (по массе). Изготовление форм ( формовка ) выполняется путем уплотнения формовочной смеси для получения точного отпечатка модели в форме и придание ей достаточной прочности.
В зависимости от размеров отливки и типа производства применяют ручную(фильм) или машинную формовку(фильм). В песчаных формах можно получать отливки самой сложной конфигурации и массой до нескольких сотен тонн (табл. 13.1).
Таблица 13.1
Технологические возможности основных способов литья
Сталь, чугун, цветные cплавы
Сталь, чугун, цветные сплавы
Сталь, чугун, цветные сплавы, спец. сплавы
Сталь, чугун, цветные сплавы
Сталь, чугун, цветные сплавы
Максимальная масса отливок, кг
7000 – чугун, 4000 – сталь, 500 – цветной сплав
Максимальный размер отливки, мм
Класс точности отливок
Шероховатость поверхности, Ra, мм
Коэффициент весовой точности, K ВТ , %
Относительная себестоимость 1т отливок
Экономически оправданная серийность, шт/год
ПФ — литье в песчаные формы; ОФ — литье в оболочковые формы; ВМ — литье по выплавляемым моделям; К — литье в кокиль; ПД — литье под давлением; Ц — центробежное литье
В песчаных формах получают преимущественно отливки из стали, чугуна, реже — из цветных металлов. Этот способ широко применяют в единичном и серийном производствах. Применение его в массовом производстве возможно только при высокой степени механизации. Этим способом получают отливки фланцев, крышек, втулок, станин, корпусов насосов, редукторов и др.
Основными недостатками отливок, полученных литьем в песчаные формы, является высокая шероховатость поверхности, обусловленная крупнозернистой структурой формовочной смеси. Кроме того, возможен пригар формовочной смеси к поверхности отливки, и низкая точность вследствие смещения стержней и погрешностей изготовления и сборки отдельных частей формы.
Затруднено изготовление отливок сложной конфигурации, имеющих тонкие стенки, высокие и узкие ребра жесткости, отверстия малого диаметра и другие аналогичные элементы. Получаемые отливки в основном массивные, толстостенные, в которых предусматриваются большие припуски на механическую обработку ответственных поверхностей. Несмотря на то, что себестоимость отливок, получаемых этим способов минимальна, затраты на их механическую обработку больше, чем для заготовок, получаемые специальными способами литья.
Весьма существенным недостатком литья в ПФ является необходимость хранения, транспортировки и переработки больших объемов формовочных смесей (до 10-12 т на 1т. отливок).
Для полного или частичного устранения указанных недостатков применяются способы специального литья.
Литье в оболочковые формы (ОФ) (фильм) состоит в том, что необходимо изготавливать с помощью нагретой металлической плиты две полуформы толщиной 6…20 мм из формовочной смеси, состоящей из песка и фенолформальдегидной смолы в качестве связующего. Готовые оболочковые полуформы соединяют быстротвердеющим клеем на специальных прессах или скрепляют скобами, предварительно установив в них литейные стержни.
Аналогично могут быть изготовлены оболочковые стержни , используя нагреваемые стержневые ящики. После сборки формы помещают в неразъемные опоки, которые засыпают песком или дробью.
Песчано-смоляная формовочная смесь содержит мелкозернистый песок, которая обладает высокой подвижностью в результате наличия расплавленной смолы. Это позволяет получать высокую точность отпечатка и низкую шероховатость поверхностей отливки. При заливке жидкого металла образуется тонкая газовая рубашка, которая предотвращает пригар формовочной смеси. В результате может быть достигнуты точность размеров, соответствующая 4…11 квалитету, при этом параметр шероховатости поверхности достигает значений Rа 40…10 мкм (табл. 13.1.).
Литье в оболочковые формы позволяет уменьшить, по сравнению с литьем в песчаные формы, объем обрубных и очистных работ примерно на 50%, расход металла — на 30-50%, сокращает объем последующей механической обработки на 40-50%, расход формовочной смеси — в 10-20 раз(фильм). Процесс получения отливки может быть полностью механизирован.
Главным недостатком оболочкового литья является высокая стоимость связующего вещества (фенолформальдегидных смол). Изготовление литейных форм производится с помощью более дорогой металлической модельной оснастки . Литье в ОФ применяется в основном для получения отливок деталей таких, как втулки, муфты, фланцы и др. Высокое качество тонкостенных отливок может быть получено из чугуна, углеродистой или легированной стали и цветных металлов.
Литье по выплавляемым моделям (ВМ) (фильм) является технологическим процессом, для реализации которого применяют цельные модели из легкоплавких материалов на основе парафина, полистирола или других термопластичных полимеров. Модели вместе с элементами литниковой системы покрываются несколькими слоями жидкой формовочной смеси, состоящей из мелкодисперсного огнеупорного материала и связующего (обычно этилсиликата или жидкого стекла), с промежуточной подсушкой каждого слоя. Далее модель выплавляется и получается тонкая пустотелая керамическая оболочка толщиной 1,5…4,0 мм. Литейную форму устанавливают в опоку и засыпают снаружи песком для придания дополнительной прочности при заливке металла. Затем оболочка прокаливается в печи при температуре 900-1000ºС и металл заливается сразу после окончания прокалки, т.е. в горячую форму.
Механическая обработка полученных заготовок сводится к минимуму или может быть полностью исключена. В тоже время — это самый сложный, длительный и трудоемкий способ литья.
Литьем по ВМ экономически выгодно изготавливать сложные по конфигурации заготовки, которым предъявляют высокие требования по точности размеров и шероховатости поверхности. Обычно получают отливки из высоколегированных сталей, цветных сплавов и жаропрочных материалов, плохо обрабатывающихся резанием или обладающих низкими литейными свойствами. Основная часть экономии при этом способе литья достигается за счет уменьшения массы заготовки и объема ее механической обработки резанием.
После создания выплавляемых моделей, по которым будут изготовлены отливки, часто возникает необходимость их оперативного изменения и доработки. Эта проблема успешно решается при помощи современных технологий быстрого прототипирования, которые еще и максимально точно приближают геометрию полученной модели к геометрии ее компьютерного 3D представления.
Прототипирование (Rapid Prototyping — RP) представляет собой технологию быстрого изготовления прототипов отливок, позволяющую по компьютерным объемным моделям(3D) создавать трёхмерные физические изделия без инструментального их изготовления (фильм). Технология стала доступной благодаря появлению 3D устройств (принтеров), обеспечивающих послойное формирование изделия(модели). Традиционный метод изготовления моделей является трудоемким и не позволяет изготовить модели сложной формы. 3D принтеры формируют геометрически сложные прототипы(модели) с внутренними элементами в течение нескольких часов. Процесс построения автоматизирован и дает возможность получать качественные, сравнительно недорогие изделия в кратчайшие сроки. Подробнее.
Три рассмотренных способа литья при всем их различии имеют одну общую черту — литейные формы являются одноразовыми и затраты на их изготовление полностью переносятся на стоимость детали. Поэтому естественно стремление использовать многократно-используемые формы в частности, металлические.
ЛИТЬЕ В МНОГОКРАТНО ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ФОРМЫ
Литье в кокиль (К) (фильм) заключается в использовании металлической формы — кокиля, который может быть изготовлен и собран с высокой точностью. Высокая стойкость чугунных кокилей в значительной мере окупается их высокой стойкостью: они выдерживают до 8…10 тысяч заливок медных сплавов; десятки и сотни тысяч заливок алюминиевых и магниевых сплавов; 50…500 стальных отливок и 4000…8000 отливок из чугуна.
Литьём в кокиль получают отливки со стабильными и точными размерами (4…11 квалитет), при этом параметр шероховатости может достигать Ra40…10мкм. В связи с большой теплопроводностью материала формы скорость кристаллизации велика. Это повышает механические свойства отливки, за счет получения мелкозернистой структуры, на 10-15%, но затрудняет изготовление отливок с тонкими стенками.
При переходе с литья в ПФ на литье в кокиль расход металла сокращается на 10-20% за счет уменьшения массы литниковой системы. Трудоемкость механической обработки вследствие уменьшения припусков и высокой точности размеров снижается в 1,5-2 раза.
Литье в кокиль имеет ряд технологических особенностей, налагающих жесткие ограничения на конфигурацию отливок. Высокая теплопроводность металлической формы способствует быстрому охлаждению потока расплавленного металла и может вызвать его затвердевание до окончания заполнения формы. Поэтому литьем в кокиль относительно трудно получить отливки с тонкими стенками, узкими ребрами и другими аналогичными элементами. Это требует высоких температур заливки, которые ухудшают характеристики материала отливки и снижают стойкость кокилей. Можно использовать специальные технологические приемы, например, предварительный разогрев кокиля, нанесение термоизоляционных покрытий (облицовка) на его внутренние поверхности, применение разветвленной литниковой системы со многими питателями и др. Однако все эти мероприятия усложняют технологический процесс, поэтому не всегда целесообразны. Более технологичными являются относительно простые отливки со стенками не тоньше 3 мм (табл.13.1).
Следующее ограничение обусловлено низкой газопроницаемостью металлической формы, что препятствует удалению газов, выделяющихся из расплава при его затвердевании. Следствием этого является повышенная пористость металла отливки, низкая плотность и недостаточная герметичность. Поэтому при проектировании кокилей предусматривают сложную систему вентиляционных каналов, а при заливке вакуумируют форму, расплав и ограничивают номенклатуру используемых сплавов.
Определенные ограничения на конфигурацию деталей налагают требования возможности извлечения отливки из формы и металлических стержней из отливки. Сложные по конфигурации внутренние полости и отверстия часто приходится оформлять песчаными стержнями.
Во всех случаях наиболее технологичными являются отливки из легкоплавких цветных сплавов, при использовании которых обеспечивается максимальная стойкость кокилей.
Центробежное литье (Ц) (фильм) заключается в заливке жидкого металла во вращающуюся форму (изложницу), которая вращается до окончания кристаллизации металла. Этим способом литья изготавливают заготовки с точностью размеров соответствующим 6…14 квалитету, а шероховатость поверхностей — Ra80…20мкм.
За счет вращения изложницы достигается большая плотность металла отливки, повышается жидкотекучесть , практически отсутствуют затраты на изготовление стержней. При этом способе литья значительно снижается расход металла, так как отсутствуют или очень мала литниковая система. В результате действия центробежных сил примеси , неметаллические включения скапливаются на внутренней поверхности отливки и могут быть удалены механической обработкой.
К недостаткам центробежного литья следует отнести: неточность размеров, низкое качество внутренней поверхности отливки; сложность получения заготовок из сплавов, склонных к ликвации ; возможность возникновения продольных и поперечных трещин в результате высоких центробежных сил и затрудненной усадки отливки.
Центробежное литье применяется для изготовления труб, втулок (рис.13 а), маховых и зубчатых колес, ободов (рис. 13 б) и т.п.
Рис. 21.1. Схемы способов изготовления отливок на центробежных машинах
а — с вертикальной осью вращения; б — с горизонтальной осью вращения
1 — заготовка; 2 — разливочный ковш; 3 — изложница; 4 — литейная форма.
В частности, чугунные трубы изготавливают диаметром 50…1000 мм с высокой производительностью. Отливки получают из чугуна, углеродистых и легированных сталей, иногда из цветных сплавов. Возможно получение биметаллических изделий. Технологические возможности этого способа литья приведены в табл. 13.1.
Литье под давлением (Д) (фильм) состоит в том, что жидкий металл под давлением с большой скоростью заполняет полость металлической пресс-формы и кристаллизуется. Приложение давления способствует лучшей заполняемости литейной формы, повышает точность размеров отливок, уменьшает шероховатость их поверхности в результате более плотного их контакта с формой и позволяет получать более сложные тонкостенные отливки. В связи с этим можно отлить заготовки толщиной стенок до 0,5 мм, точность размеров которых соответствует 3…8 квалитету, а шероховатость поверхности — Ra 10…2,5 мкм (табл. 13.1)
Рис. 13.1 Cхема установки для литья под давлением
а — заполнение камеры; б — заполнение пресс-формы.
Недостатками литья под давлением являются:
— сложность и длительность изготовления пресс-форм, их высокая стоимость и небольшая стойкость, особенно при изготовлении отливок из сплавов с высокой температурой плавления;
— трудно исключить газовую пористость в отливках, которая не только снижает герметичность, но и не позволяет проводить термообработку изделия;
— низкая податливость формы вызывает возникновение остаточных напряжений;
— сложно изготавливать и извлекать отливки со сложными полостями.
Отмеченные недостатки ограничивают номенклатуру отливок и сплавов, из которых они могут быть изготовлены.
Литьем под давлением получают тонкостенные отливки массой от нескольких граммов до нескольких десятков килограмм из цинковых, алюминиевых, магниевых и медных сплавов. Возможно изготовление армированных отливок. Наиболее часто этот способ литья применяют в автомобильной, авиационной, электро- и радиопромышленностях, в приборостроении. По сравнению с литьем в песчаные формы масса отливки снижается в несколько раз.
Штамповка твердожидкого металла. Сущность этого технологического процесса заключается в том, что металлическая литейная форма устанавливается на прессе, производится заливка металла при температуре ниже температуры ликвидуса и прикладывается давление пуансона до 30 МПа и более.
В отличие от литья под давлением, где металл заливается в жидком состоянии, кристаллизация расплава в большинстве случаев происходит в свободном состоянии, а давление влияет на заполнение формы, при штамповке жидкого металла давление пуансона не снижается до окончания процесса кристаллизации. Высокое давление в начальный момент приложения силы способствует полному растворению газов, содержащихся в расплаве, и заполнению расплавом самых узких зазоров пресс-формы. В процессе кристаллизации давление вызывает пластическое деформирование затвердевшего металла и устраняет характерную для литья в металлические формы пористость отливок; измельчает кристаллиты и повышает однородность микроструктуры по сечению заготовок. Кроме того, оливки имеют характеристики сравнимые со свойствами заготовок, полученных обработкой давлением (горячей объемной штамповкой), и достигается самая высокая точность размеров отливок.
Штамповка твердожидкого металла, по существу, является промежуточным способом между литьем и горячей объемной штамповкой. Поэтому требование к технологичности конструкций включает в себя все ограничения, присущие литью под давлением, и дополнительные, которые предъявляют к заготовкам полученным объемной штамповкой.
13.3. Выбор рационального способа литья заготовки проектируемой детали
13.4. Литейные свойства сплавов и их влияние на конструктивные размеры и форму отливок
К литейным свойствам относят технологические свойства металлов и сплавов, которые проявляются при заполнении формы, кристаллизации и охлаждении отливок в форме. Наиболее важные литейные свойства — это жидкотекучесть , усадка (объемная и литейная), склонность сплавов к ликвации и образованию трещин, поглощению газов, пористости и др.
Жидкотекучесть — это способность металлов и сплавов течь в расплавленном состоянии по каналам литейной формы, заполнять ее полости и четко воспроизводить контуры отливки.
Жидкотекучесть литейных сплавов зависит от температурного интервала кристаллизации, вязкости и поверхностного натяжения расплава, температуры металла и формы, при заливке и т.д.
Технически чистые металлы и сплавы, кристаллизующиеся при постоянной температуре (эвтектические сплавы), обладают лучшей жидкотекучестью, чем сплавы, образующие твердые растворы и затвердевающие в интервале температур. С увеличением поверхностного натяжения жидкотекучесть уменьшается тем интенсивнее, 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 тепло с меньшей скоростью, и расплавленный металл заполняет ее лучше, чем металлическую форму.
Жидкотекучесть сплавов зависит также от химического состава: фосфор, кремний и углерод улучшают ее, а сера ухудшает. Серый чугун содержит углерода и кремния больше, чем сталь, и поэтому обладает лучшей жидкотекучестью.
Минимально возможная толщина стенки для различных литейных сплавов не одинакова и составляет при литье в песчаные формы для отливок из серого чугуна : мелких — 3-4 мм, средних — 8-10 мм, крупных — 12-15 мм; а для отливок из стали — соответственно 6-7 мм, 10-12 мм и 15-20 мм.
Жидкотекучесть металла определяют путем заливки специальных технологических проб и оценивают линейными размерами заполненной полости канала определенной формы. Наибольшей жидкотекучестью обладает серый чугун, наименьшей — магниевые сплавы.
Усадка — свойство литейных сплавов уменьшать объем при затвердевании и охлаждении. Усадочные процессы в отливках протекают с момента заливки расплавленного металла в форму вплоть до полного охлаждения отливки. Различают линейную и объемную усадку, выраженную в относительных единицах.
Линейная усадка — уменьшение литейных размеров отливки при ее охлаждении от температуры, при которой образуется прочная корка, способная противостоять давлению расплавленного металла, до температуры окружающей среды. Линейную усадку определяют соотношением
На линейную усадку влияет химический состав сплава; температура его заливки; скорость охлаждения сплава в форме; масса, конструкция отливки и литейной формы. Так, усадка серого чугуна уменьшается с увеличением содержания углерода и кремния. Усадку алюминиевых сплавов уменьшает повышенное содержание кремния. Увеличение температуры заливки в форму сплава приводит к возрастанию усадки отливки. Величины линейной усадки литейных сплавов приведены в таблице 13.2.
Таблица 13.2
Линейная усадка сплавов
Модифицированные и легированные
Бронзы (оловянные, безоловянные) и латуни
Алюминиевые и магнитные сплавы
Объемная усадка — уменьшение объема сплава при его охлаждении в литейной форме при формировании отливки. Объемная усадка приблизительно равна утроенной линейной усадке и проявляется в отливках в виде усадочных раковин, пористости , трещин и коробления.
Усадочные раковины — сравнительно крупные полости, расположенные в местах отливки, затвердевающих последними (рис. 13.1,а). Сначала около стенок литейной формы образуется корка твердого металла. Вследствие того, что усадка расплава при переходе из жидкого состояния в твердое превышает усадку корки, уровень металла в незатвердевшей части отливки понижается до уровня а-а.
В следующий момент времени на корке нарастает новый слой, а уровень жидкости понижается до уровня б-б. Так продолжается до тех пор, пока не закончится процесс затвердевания. Снижение уровня расплава при затвердевании приводит к образованию сосредоточенной усадочной раковины. Сосредоточенные усадочные раковины образуются при изготовлении отливок из технически чистых металлов, сплавов эвтектического состава с узким интервалом кристаллизации.
Рис. 13.2 Схема образования усадочной раковины ( а ) и усадочной пористости (б):
1 — корка твердого металла; 2 — новый твердый слой металла; 3 — усадочная раковина;
4 — жидкая фаза; 5 — разобщенные ячейки; 6 — усадочная пористость
Усадочная пористость — скопление пустот, образовавшихся в отливке в обширной зоне в результате усадки в тех местах отливки, которые затвердевали последними без доступа к ним расплавленного металла (рис. 13.1,б). Вблизи температуры солидуса кристаллы срастаются друг с другом. Это приводит к разобщению ячеек, заключающих в себе остатки жидкой фазы. Затвердевание небольшого объема металла в такой ячейке происходит без доступа к ней питающего расплава из соседних ячеек. В результате усадки в каждой ячейке получается небольшая усадочная раковина. Множество таких межзеренных микроусадочных раковин образует пористость, которая располагается по границам кристаллов металла.
Получить отливки без усадочных раковин и пористости возможно за счет непрерывного подвода расплавленного металла в процессе кристаллизации вплоть до полного затвердевания. С этой целью на отливках устанавливают прибыли — резервуары, которые обеспечивают доступ расплавленного металла к участкам отливки, затвердевающих последними.
Прибыль не всегда может обеспечить доступ расплавленного металла к утолщенному участку отливки (рис. 13.2,а). В этом месте образуется усадочная раковина и пористость. Установка на утолщенный участок прибыли (рис. 13.2,б) предупреждает образование усадочный раковины и пористости.
Рис. 13.3 Способы предупреждения усадочных раковин, пористости и трещин в отливках:
1,3 — прибыли; 2 — усадочная раковина;4 — наружные холодильники;
5 — внутренний холодильник; 6 — отливка
Предупредить образование усадочных раковин и пористости позволяет установка в литейную форму наружных холодильников (рис. 13.2,в) или внутренних холодильников (рис. 13.2,г). Вследствие высокой теплопроводности и большой теплоемкости холодильника отвода теплоты от массивной части отливок происходит интенсивнее, чем от тонкой. Это способствует выравниванию скоростей затвердевания массивной и тонкой частей, а также устранению усадочных раковин и пористости. Внутренние холодильники изготавливают их того же сплава, что и отливку. При заполнении формы внутренние холодильники частично расплавляются и свариваются с металлом отливки.
В отливках в результате неравномерного затвердевания тонких и массивных частей и торможения усадки формой при охлаждении возникают напряжения, которые тем выше, чем меньше податливость формы и стержней. Если величина напряжений превысит предел прочности литейного сплава в данном участке отливки, то в теле ее образуются трещины. Если литейный сплав имеет достаточную прочность, пластичность и способен противостоять действию возникающих напряжений, то при превышении предела текучести искажается геометрическая форма отливки после извлечения ее из формы.
Горячие трещины в изделиях возникают в процессе кристаллизации и усадки металла при переходе из жидкого состояния в твердое при температуре близкой к температуре солидуса. Горячие трещины проходят по границам кристаллов и имеют окисленную поверхность. Склонность сплавов к образованию горячих трещин увеличивается при наличии неметаллических включений, газов (водорода, кислорода), серы и других примесей. Кроме того, образование горячих трещин в отливках вызывают резкие переходы от толстой части к тонкой, острые углы, выступающие части и т. д. Высокая температура заливки повышает вероятность образования трещин в результате увеличения кристаллов металла и перепада температур в отдельных частях отливки.
Для предупреждения возникновения горячих трещин в отливках необходимо создать условия, способствующие формированию мелкозернистой структуры; обеспечить одновременное охлаждение тонких и массивных частей отливок; увеличивать податливость литейных форм; по возможности снижать температуру заливки сплава.
Холодные трещины возникают в изделиях, когда сплав полностью затвердел. Тонкие части отливки охлаждаются и сокращаются быстрее, чем толстые. В результате в отливке образуются напряжения, которые вызывают появления трещин. Холодные трещины чаще всего образуется в тонкостенных отливках сложной конструкции из сплавов с высокими упругими свойствами и усадкой при пониженных температурах, а также низкой теплопроводностью. Опасность образования холодных трещин в отливках усиливается наличием в сплаве вредных примесей (например, фосфора в сталях).
Для предупреждения образования холодных трещин необходимо обеспечивать равномерное охлаждение отливок во всех сечениях путем использования холодильников, применять сплавы с высокой пластичностью, проводить отжиг отливок и т. п.
Коробление — изменение формы и размеров отливки под влиянием напряжений, возникающих при охлаждении. Коробление увеличивается при малой податливости формы и стержней, усложнении конфигурации отливки и повышения скорости охлаждения, которая вызывает неравномерное охлаждение между отдельными частями отливки и различную усадку. Для предупреждения коробления необходимо создать рациональную конструкцию отливки, обеспечивающую равномерное охлаждение. Применение холодильников (внутренних, наружных) позволяет выравнивать скорость охлаждения массивных и тонких частей отливки.
Ликвация — неоднородность химического состава сплава в различных частях отливки. Она возникает в процессе затвердевания изделия из-за различной растворимости отдельных компонентов сплава в его твердой и жидкой фазах. Чем больше это различие, тем неоднороднее распределяется примесь по сечению отливки. Для уменьшения ликвации увеличивают скорость охлаждения заготовки.
Склонность к газопоглощению — это способность литейных сплавов в жидком состоянии растворять кислород, азот и водород. Их растворимость растет с перегревом расплава (температуры заливки). Движение металла в форме мелкими струйками или турбулентными потоками также способствует повышению растворимости газов. При избыточном содержании газов они выделяются из расплава в виде газовых пузырей, которые могут всплывать на поверхность или оставаться в отливке, образуя газовые раковины, пористость или неметаллические включения, снижающие механические свойства и герметичность отливок.
Для уменьшения газовых раковин и пористости в отливках плавку металла следует вести под слоем флюса или в среде защитных газов с использованием хорошо просушенных шихтовых материалов. Кроме того, необходимо увеличивать газопроницаемость формы и стержней, снижать влажность формовочной смеси, подсушивать формы и т. д.
В отливках также могут возникать такие дефекты как недолив, перекос, шлаковые раковины, пригар и др.
Недолив возникает при неправильной конструкции литниковой системы, недостаточной жидкотекучести сплава или утечки металла в разъем формы.
Перекос может быть вызван неточной сборкой стержней или формы, случайным сдвигом полуформ, вызванным внешним воздействием.
Для предотвращения искаженной формы отливок следует проработать более рациональную конструкцию отливки и технологию литья.
Шлаковые раковины образуются при пониженной вязкости шлака, не достаточной эффективности литниковой системы, неправильной или небрежной заливке.
Пригар — поверхностный дефект, возникающий из-за слишком высокой температуры заливки, излишней длительности затвердевания, слабого уплотнения или низкого качества формовочной смеси.
Наружные дефекты отливок обнаруживаются внешним осмотром непосредственно после извлечения заготовок из формы или после их очистки, а внутренние — выявляются радиографическими и ультразвуковыми методами.
При использовании радиографических методов (рентгенографии, гаммаграфии) на отливки воздействуют рентгеновским или гамма-излучением. С помощью этих методов выявляют наличие дефекта, величину и глубину его залегания.
При ультразвуковом контроле волна, проходящая через стенку отливки, при встрече с границей дефекта (трещиной, раковиной и др.) частично отражается. По интенсивности отражения судят о наличии, размерах и глубине залегания дефектов.
Трещины в отливках выявляют люминесцентным контролем, магнитной или цветной дефектоскопией.
Обнаруженные дефекты могут быть исправимы и неисправимы. Так, коробление стальных отливок может быть исправлено правкой. Наружные дефекты заваривают дуговой или газовой сваркой. При недоливе крупных отливок иногда допускается исправление дефектов заливкой жидкого металла. Раковины и пористость устраняют пропиткой или заделывают различными замазками, шпаклевкой или клеями. Неисправимый брак требует пересмотра конструкции отливки или технологии ее получения.
Вопросы для самоконтроля
1. Какие факторы влияют на качество получаемой отливки?
2. Сформулируйте технологические возможности способов получения отливок в одноразовые и многократно используемые металлические формы.
3. Какие факторы влияют на выбор рационального способа литья для изготовления заготовки проектируемой детали?
4. Какие способы литья вам известны?
5. Какие литейные свойства влияют на качество получаемых отливок? Приведите примеры расплавов с высокими и низкими литейными свойствами.
6. Какие химические элементы влияют на литейные свойства железоуглеродистых расплавов? Какие факторы влияют на жидкотекучесть расплава? Объясните влияние жидкотекучести на конструкцию отливки.
7. Назовите основные факторы, влияющие на усадку в процессе получения отливок. Какие дефекты возникают в заготовках в результате усадки?
8. В результате каких причин возникает коробление отливок при их изготовлении?
Источник