Металлы и сплавы, применяемые для получения отливок

В литейном производстве для расплавления металла чаще всего применяют печи шахтного (вертикального) типа называемые вагранками. При стальном литье жидкий металл часто для заливки берут непосредственно либо из мартенов при обычном качестве сталей, либо из электропечей при повышенном качестве, либо из тигелей индукционных печей (при получении отливок из высоколегированных сталей).

Больше всего литых изделий получают из чугунов. Применяются серые, ковкие, высокопрочные и чугуны со специальными свойствами. При этом структура металла, а следовательно и свойства отливки зависят не столько от хим.состава, сколько от формы и размеров отливки, скорости залива, а главное от скорости охлаждения отливки. Чем больше скорость охлаждения, тем больше происходит отбеливание чугуна (т.е. тем больше углерода в чугуне будет находиться в химически связанном состоянии в виде карбидов Fe₃C, а следовательно меньше углерода в свободном состоянии в виде графита). Отбеленный чугун обычно явление не весьма желательное, так как он очень тверд и хрупок и затруднено его механическое обрабатывание. Из компонентов чугуна на его структуру оказывают влияние главным образом Мn и Si: Mn содержится до 1% – это отбеливающий компонент; Si от 1,5 до 4% – это графитизирующий, т.е. способствует выделению углерода в виде графита в литейных чугунах Si должно быть больше.

Сочетая в чугунах количественное соотношение Mn и Si, а также задавая наперед необходимую скорость заливки и охлаждения добиваются получения той или иной структуры чугунов, а следовательно и свойств чугуна.

После чугунного литья наибольшее применение имеют отливки из сплавов на основе меди (бронзы и латуни Cu–Zn), на основе алюминия (силумины Al–Si и дюралюмины), на основе магния, титана и т.д.

Стальное литье – применяется для отливки более ответственных изделий, заменяет чугунное литье (занимает по объему последнее место).

Основные характеристики свойств литейных сплавов

Жидкотекучесть – это способность металлов и сплавов заполнять форму в расплавленном состоянии. Эта способность металла зависит от температурного интервала кристаллизации, температуры заливки и формы, свойств литейной формы и т.д.

Чистые металлы и сплавы затвердевающие при постоянной температуре (эвтектические сплавы) обладают лучшей жидкотекучестью, чем сплавы, образующие твердые растворы и затвердевающие в интервале температур. Увеличение теплопроводности материала формы снижает жидкотекучесть. Так песчаная форма отводит теплоту медленнее, и расплавленный металл заполняет ее лучше, чем металлическую форму, которая интенсивней охлаждает расплав.

Усадка – свойство уменьшения объема при затвердевании и охлаждении. Усадочные процессы протекают с момента заливки до полного охлаждения отливки. Различают линейную и объемную усадку, выражаемую в относительных единицах.

Линейная усадка определяется отношением

,

где l_ф и l_от – размеры полости формы и отливки при 20° С.

На линейную усадку влияют химический состав сплава, температура его заливки, скорость охлаждения сплава в форме, конструкция отливки и литейной формы. Так усадка серого чугуна уменьшается с увеличением содержания углерода. Увеличение скорости отвода теплоты от залитого в форму сплава приводит к возрастанию усадки отливки.

При охлаждении отливки происходит механическое и термическое торможение усадки. Механическое торможение возникает вследствие трения между отливкой и формой. Термическое торможение обусловлено различными скоростями охлаждения отдельных частей отливки. Сложные по конфигурации отливки подвергаются совместному воздействию механического и термического торможения. Е_лин = 0,9¸1,3% – для серого чугуна, 2¸2,4% для углеродистых сталей, 0,9¸1,5% для алюминиевых сплавов, 1,4¸2,3% для медных сплавов.

Объемная усадка Е_об = 3 Е_лин.

Усадка в отливках проявляется в виде дефектов отливки: это усадочных раковин, пористости, трещин и короблений.

Усадочные раковины – сравнительно крупные полости, расположенные в местах отливки, затвердевших последними. Усадочная пористость – скопление пустот в отливке в обширной зоне в результате усадки в тех местах, которые затвердели последними без доступа к ним расплавленного металла. Множество межзеренных микроусадочных раковин располагается по границам зерен.

Трещины в отливках различают горячие (при температуре близкой к солидусу) и холодные (в области упругих деформаций). Они возникают в результате неравномерного затвердевания и охлаждения тонких и толстых частей детали и торможения процесса усадки формой. В результате возникают внутренние напряжения и если они превышают предел прочности металла отливки, то образуются трещины.

Горячие трещины образуются по границам кристаллов и изломы имеют окисленную поверхность. Их образования вызывают резкие переходы от тонкой части отливки к толстой, острые углы, выступающие части и т.п. высокая температура заливки (перегрев) способствует увеличению зерна и увеличению перепада температур в отдельных частях отливки, что повышает вероятность образования трещин. Для предупреждения горячих трещин необходимо создавать условия, способствующие формированию мелкозернистой структуры (модифицирование от УЗК), обеспечивать одновременное охлаждение тонких и толстых частей отливок, увеличивать податливость литейных форм; по возможности снижать температуру заливки сплава и т.д.

Опасность холодных трещин усиливается наличием в сплаве вредных примесей (фосфора). Необходимо обеспечивать равномерное охлаждение отливок во всех сечениях, проводить отжиг отливок.

Заливка литейных форм.

Для заливки используются чайниковые, барабанные или другие ковши. Ковш перевозят мостовым краном или по монорельсовому пути.

Важное значение имеет выбор температуры заливки расплавленного металла. При повышенной температуре возрастает жидкотекучесть, улучшается питание отливок: но горячий металл более газонасыщен, сильнее окисляется, вызывает пригар на поверхности отливок. Низкая температура заливки увеличивает опасность незаполнения полости формы, захвата воздуха, ухудшается питание отливки. Температуру заливки целесообразно назначать t_зап. = 100¸150°С + Т_{ликвидуса}.

Выбивка отливок.

Это процесс удаления затвердевших и охлажденных до определенной температуры отливок из литейной формы. Осуществляют на выбивных установках.

Выбивку стержней осуществляют вибрационно–пневматическими и гидравлическими устройствами.

Обрубка отливок.

Процесс удаления с отливки прибылей, литников, выпоров и заливов (облоев) по месту. Производят пневматическими зубилами, ленточными и дисковыми пилами, газовой резкой и на прессах. Литники от чугунных отливок отбивают молотками перед удалением стержней. Литники и прибыли стальных отливок отрезают газовой или плазменной резкой.

Очистка отливок.

Это процесс удаления пригара, остатков формовочной и стержневой смеси с наружных и внутренних поверхностей отливок. Ее осуществляют в галтовочных барабанах периодического или непрерывного действия, в гидропескоструйных и дробеметных (металлическая дробь) камерах, химической или электрохимической обработкой и другими способами.