Теория и практика формообразования заготовок.
МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА
Проведения лекционного занятия
по дисциплине «Материаловедение и технология материалов»
для курсантов 2 курса по специальности 280705.65 –
«Пожарная безопасность»
ТЕМА № 9
«ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЗАГОТОВОК.
ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО»
Обсуждена на заседании ПМК
протокол №__ от «___»________2015 г.
Владивосток
2015 г.
I. Учебные цели
1. Изучить литейные свойства сплавов.
2. Получить представления о технологических основах литейного производства.
3. Рассмотреть классификацию основных способов литья.
II. Воспитательные цели
1. Воспитывать у курсантов стремление к совершенствованию своих знаний и профессиональных навыков, обучить методам самостоятельной работы с учебными материалами.
2. Вырабатывать у курсантов чувство ответственности за личную профессиональную подготовку.
III. Расчет учебного времени
| Содержание и порядок проведения занятия | Время, мин |
| ВВОДНАЯ ЧАСТЬ ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ Учебные вопросы 1. Теория и практика формообразования заготовок. 2. Классификация способов получения заготовок. 3. Производство заготовок способом литья. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ |
IV. Литература
Основная:
1. Материаловедение. Технология конструкционных материалов : учебное пособие для вузов. /Под ред. Чередниченко В. С. - 4-е изд., стер. - М. : Омега-Л, 2008. - 752 с.
2. Материаловедение и технология металлов . /Под ред. Фетисова Г.П. Учебник. - М. : Высш. шк., 2001. - 637 с.
3. Материаловедение и технология материалов /Под ред. Артамонова В. С.; - СПб. : СПбУ ГПС МЧС России, 2011. – 236 с.
Дополнительная:
1. Технология металлов и материаловедение. Под редакцией Усовой Л.Ф. – М: Металлургия 1987 –800с.
2. Материаловедение и технология материалов. Под ред. Солнцева Ю.П. – М.: Металлургия, 1988. – 512с.
3. Жадан В.Т., Полухин П.И., Нестеров А.Ф. и др. Материаловедение и технология материалов. – М.: Металлургия, 1994. – 622с.
V. Учебно-материальное обеспечение
1. Мультимедийный проектор, информационные слайды.
VI.Текст лекции
Введение.
Сущность литейного производства состоит в получении отливок - литых металлических изделий путем заливки расплавленного металла или сплава в литейную форму.
Значение литейного производства исключительно велико. Нет ни одной отрасли машиностроения и приборостроения, где не применялись бы литые детали. Так, в станкостроении масса литых деталей составляет около 80%, в машиностроении - около 50%. Отливки надежно работают в реактивных двигателях, атомных энергетических установках и других машинах ответственного назначения. Они используются в изготовлении строительных конструкций, металлургических агрегатов, морских судов, деталей бытового оборудования, художественных и ювелирных изделий.
Широкое применение отливок объясняется рядом преимуществ литейного производства по сравнению с другими способами получения заготовок. Некоторые способы литья позволяют получать отливки с высокой чистотой поверхности и точностью по размерам, что исключает их последующую механическую обработку. Преимуществами литья являются изготовление заготовок с наибольшими коэффициентами использования металла и весовой точности, изготовление отливок практически неограниченных габаритов и массы, получение заготовок из сплавов, неподдающихся пластической деформации и трудно обрабатываемых резанием (магниты).
Важнейшим направлением повышения эффективности является улучшение качества, надежности, точности и шероховатости отливок с максимальным приближением их к форме готовых изделий путем внедрения новых технологических процессов и улучшения качества литейных сплавов, устранение вредного воздействия на окружающую среду и улучшения условий труда.
Литье является наиболее распространенным методом формообразования.
Теория и практика формообразования заготовок.
Для литья в различной степени пригодны все металлы и их сплавы. Однако, чтобы качество отливок удовлетворяло техническим требованиям, сплавы, из которых изготовляются отливки, должны (удовлетворять) обладать следующими свойствами: 1- жидкотекучестью, 2- небольшой усадкой, 3- незначительной газопоглощаемостью, 4- однородностью структуры, 5- не слишком высокой температурой плавления, отсутствием неметаллических включений и т.д.
1. Жидкотекучесть- способность расплава свободно течь в литейной форме, заполняя её и точно воспроизводя все контуры. Она зависит от химического состава, температуры при заливке, а также наличия примесей и других факторов. Железоуглеродистые сплавы тем лучше заполняют форму, чем больше они содержат углерода, кремния, фосфора. Сера и хром понижают жидкотекучесть.
2. Усадка- свойство металлов и сплав уменьшать свой объем при затвердевании и охлаждении; при этом имеет место соответствующие изменения линейных размеров отливки. В результате усадки в теле отливки могут образовываться усадочные раковины и пористость. Величина усадки зависит от химического состава сплава, скорости его охлаждения, температуры заливки. Процент линейной усадки достигает в литейных чугунах 0,5-1%, в углеродистых сплавах 1,5-2%, алюминиевых сплавах 0,8-1,1%. Усадка чугунных отливок уменьшается с повышением графита в чугуне.
3. Ликвация - химическая неоднородность затвердевшего сплава. На неё оказывает такие факторы как химический состав сплава, конфигурация отливки, скорость охлаждения и т.д.
4. Газопоглощаемость- способность сплава в жидком состоянии растворять газы. При незначительной газопоглощаемости отливка будет плотной, без внутренних пустот, которые получаются в следствии выделения газов, растворенных в жидком сплаве и выделяемых при охлаждении. Кроме того, растворенные в расплаве газы при затвердевании и охлаждении могут выделяться в виде химических соединений. Растворимость газов зависит от химического состава сплава, температуры заливки, вязкости сплава и свойств литейной формы.
Для уменьшения газонасыщенности сплавов применяют плавку в вакууме или в среде инертных газов, а так же дегазацию вакуумириванием в специальных камерах и т.д.
Если металл или сплав обладает перечисленными свойствами, из него могут быть получены отливки высокого качества.
К литейным сплавам относятся:
1. Чугун является наиболее распространенным материалом для получения фасонных отливок. Чугунные отливки составляют около 80 % всех отливок.
Широкое распространение чугун получил благодаря хорошим технологическим свойствам и относительной дешевизне. Из серого чугуна получают самые дешевые отливки (в 1,5 раза дешевле, чем стальные, в несколько раз – чем из цветных металлов). Область применения чугунов расширяется вследствие непрерывного повышения его прочностных и технологических характеристик. Используют серые, высокопрочные, ковкие и легированные чугуны.
2. Сталь как литейный материал применяют для получения отливок деталей, которые наряду с высокой прочностью должны обладать хорошими пластическими свойствами. Чем ответственнее машина, тем более значительна доля стальных отливок, идущих на ее изготовление.
Стальные отливки после соответствующей термической обработки не уступают по механическим свойствам поковкам.
Используются: углеродистые стали 15Л…55Л; легированные стали 25ГСЛ, 30ХГСЛ, 110Г13Л; нержавеющие стали 10Х13Л, 12Х18Н9ТЛ и др.
3. Медные сплавы – бронзы и латуни.
Латуни – наиболее распространенные медные сплавы. Для изготовления различной аппаратуры для морского судостроения, втулок, нажимных винтов и гаек прокатных станов, червячных винтов применяют сложнолегированные латуни. Обладают хорошей износостойкостью, антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью.
Из оловянных бронз (БрО3Ц7С5Н1) изготавливают арматуру, шестерни, подшипники, втулки.
Безоловянные бронзы по некоторым свойствам превосходят оловянные. Они обладают более высокими механическими свойствами, антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью. Однако литейные свойства их хуже. Применяют для изготовления гребных винтов крупных судов, тяжело нагруженных шестерен и зубчатых колес, корпусов насосов, деталей химической и пищевой промышленности.
4. Алюминиевые сплавы.
Отливки из алюминиевых сплавов составляют около 70 % цветного литья. Они обладают высокой удельной прочностью, высокими литейными свойствами, коррозионной стойкостью в атмосферных условиях.
Наиболее высокими литейными свойствами обладают сплавы системы алюминий – кремний (Al-Si) – силумины АЛ2, АЛ9. Они широко применяются в машиностроении, автомобильной и авиационной промышленности, электротехнической промышленности.
Также используются сплавы систем: алюминий – медь, алюминий – медь – кремний, алюминий – магний.
5. Магниевые сплавы обладают высокими механическими свойствами, но их литейный свойства невысоки. Сплавы системы магний – алюминий – цинк – марганец применяют в приборостроении, в авиационной промышленности, в текстильном машиностроении.
Технологический процесс производства отливок включает ряд операций, являющихся необходимыми, независимо от способа.
К таким операциям относятся следующие:
- изготовление моделей;
- изготовление литейных форм по моделям;
- расплавление металла и заливки форм жидким металлом;
- охлаждение отливок, их извлечение из форм, очистка, обрубка и т.д.
Модели – приспособления, при помощи которых в формовочной смеси получают отпечатки полости, соответствующие наружной конфигурации отливок. Модели изготавливаются с применением деревянных, пластмассовых или металлических материалов, размеры и очертания которых соответствуют получаемым отливкам. Размеры модели выполняются по размерам несколько больше, по сравнению с деталью на величину линейной усадки сплава (для сталей 1,8-2%; чугуна- 0,8-1,2%).
Модели из древесины обладают дешевизной, простотой изготовления, малой массой. Основной их недостаток- малая долговечность.
Металлические модели, по сравнению с деревянными, имеют большую долговечность и чистоту поверхности. Такие модели чаще всего изготавливаются из алюминиевых сплавов, поскольку имеют малую плотность, хорошо обрабатываются резанием, не окисляются.
Модели из пластмасс устойчивы к действию влаги, не подвергаются короблению, имеют хорошую чистоту поверхности.
Отверстия и полости внутри отливок, а так же иные сложные контуры образуют при помощи стержней, устанавливаемых в формы при их сборке. Если отливки подергают механической обработке, то предусматривается припуск на механическую обработку (5-0,7 мм на сторону для чугунного литья), что учитывается в размерах модели.
Литейные формы бывают разовые (имеют наибольшее распространение), т.е. рассчитанные на изготовление одной отливки и разрушаемые при извлечении отливки из неё и постоянные, используемые для изготовления партии отливок.
Литейные формы с добавками при сушке увеличивают газопроницаемость за счет сгорания добавок. Постоянные формы (кокили) изготавливают из чугуна или стали. Их применяют в массовом и серийном производстве деталей не очень сложной формы и небольших размеров. Стержни изготавливают из кварцевого песка и глины с добавлением продуктов переработки нефти, неорганических соединений (жидкое стекло, цемент и др.).
Литейные формы изготавливается из песчано-глинистых смесей, из металлов, из термореактивных смесей (обычно смесь чистого кварцевого песка и крепителя из термореактивной смолы).
Песчано-глинистые смеси состоят из зёрен кварца различной величины, глины и небольшого количества различных окислов.
Песок в формовочных смесях повышает газопроницаемость. Глина обеспечивает связь между частицами песка и увеличивает устойчивость при повышении температуры. Глины для формовки обычно представляют собой горные породы, состоящие в основном из мелкодисперсных частиц водных силикатов алюминия, обладающих связывающей способностью во влажном состоянии и достаточной термохимической устойчивостью.
Специальные добавки вводятся в смеси для повышения противопригарности и предотвращения прилипания смесей. В качестве противопригарных добавок применяют молотый каменный уголь, битум, мазут. Противопригарные материалы можно наносить тонким слоем на поверхность форм.
В состав смеси включается тонкая бывшая в употреблении формовочная смесь. Формы из песчано-глинистых смесей называются разовыми, т.к. используются только для одной отливки. Это как правило единичные крупногабаритные отливки.
Разовые формы могут выполняться объёмными (большой толщины) или оболочковыми (малой толщины). Последние изготавливаются из песчано-смоляных смесей с термореактивным связующим. Формы, изготавливаемые по выплавляемым моделям, также относятся к разовым формам.
Металлические формы (кокили) являются многократными и имеют ряд преимуществ по сравнению с литьём в песчано-глинистых формах. Они изготавливаются из чугуна или стали. В первую очередь следует отметить, такие как: более мелкозернистая структура металла в связи с быстрым остыванием в этой форме, большая точность размеров и чистота поверхности и, следовательно, точность размеров, выше производительность труда, трудозатраты, себе стоимость литья и т.д. Наряду с этим литьё в металлические формы имеет свои трудности: значительные затраты времени на изготовление формы, высокая теплопроводность форм затрудняет получение тонкостенных деталей, невозможно получить отливки, имеющие сложный внутренний и наружные очертания и т.д. Особенно сдерживает литьё в металлические формы относительно малая стойкость форм (кокилей) и их неподатливость, приводящая к возникновению трещин в отливках. Поэтому литьё в кокиль применяется в основном при изготовлении деталей из цветных сплавов. Для металлических форм применяются и металлические и реже песчаные стержни. Для предохранения рабочей поверхности кокиля от воздействия жидкого металла применяются облицовки, изготавливаемые из талька, огнеупорной глины, масла и различных связывающих материалов. Формы покрываются облицовочным слоем в 0,1-2,0 мм 1-2 раза в смену. Перед заливкой кокили покрываются краской, приготовленной на основе графита, угля и копоти ацетиленового пламени.
Оболочковые формы из термореактивных смесей состоят из чистого кварцевого песка и крепителя. Крепителями служат различные термореактивные смолы. Наибольшее распространение получил пульвербакелит, представляющий собой размельченную смесь формальдегидной смолы, бакелита и уротранина. Термореактивная смола при нагревании претерпевает изменения. Размягчение введенной в смесь смолы происходит при t=70-80 оС, при t=100-120 оС она плавиться, покрывая поверхность зерен песка тонкой клейкой пленкой. Последующий нагрев смолы до 200-250 оС вызывает ее необратимое затвердевание и, как следствие, существенное повышение прочности и жесткости оболочковой формы. В оболочковых формах отливают ответственные детали из чугуна, стали, цветных и специальных сплавов (блоки цилиндров двигателей, колончатые и распределенные валы, цистерны и т.д.).
Литьё в оболочковые формы имеет ряд преимуществ. Основные из них: высокая чистота поверхности отливок и точность размеров, меньший расход формовочных материалов, повышенная газопроницаемость. Недостатками метода можно назвать дефицитность и дорогую стоимостью пульвербакелита, необходимость повышенной вентиляции цеха из-за выделения фенола при заливке форм.