Производство отливок из чугунов
Около 72% всех отливок по массе получают из чугунов: серого (»64%), легированного (»41%), ковкого (»3%) и высокопрочного (»1%).
Как уже говорилось выше, серый чугун имеет хорошие литейные свойства: прекрасную жидкотекучесть (600 – 700 мм), и наименьшую усадку (0,9 – 1,2%) при затвердевании. А главное состоит в том, что серый чугун – самый дешевый литейные материал. Хорошо обрабатывается на металлорежущих станках.
Но литейный чугун плохо работает на растяжение. Однако прогресс в технологии лить способствовал тому, что теперь мы можем получать отливку из того же серого чугуна, но уже с прочностью при растяжение в 3 – 4 раза большей.
Это было достигнуто, главным образом, развитием способов, так называемой, ковшовой обработки чугуна. После выпуска чугуна из печи в ковш забрасывают добавки, которые существенно влияют на качество чугуна. Одни добавки десульфируют чугун, т.е. удаляют из него вредную примесь – серу. Другие модифицируют его, измельчая и округляя зерно, как металлической основы чугуна, так и его графитовых включений. Так получается высокопрочный чугун с шаровидным графитом, имеющий значительно более высокую прочность и пластичность, чем серый чугун. Такой чугун получают модифицированием Mg, иногда Mg – FeSi лигатурой, церием и др. Третьи – легируют чугуны, т.е. повышают его механические или специальные свойства. Так литейное производство выпускает много отливок из жаростойкого, антифрикционного, коррозионностойкого, немагнитного и износостойкого чугунов. Детали ходовых частей машины, их трансмиссионных узлов испытывают знакопеременные нагрузки. Такие детали отливают из ковкого чугуна. Он имеет более высокие механические свойства. Ковкий чугун получается путем отжига отливок из белого чугуна.
Плавка
14.1 Вагранка. Для перевода металла из твердого состояния в жидкое в литейном производстве используют ряд плавильных агрегатов. Для плавки чугуна во всех странах мира применяются преимущественно вагранки (рис 11)
Вагранка – это вытянутая кверху шахтная печь. Сверху через загрузочное окно 1 в нее загружают шихту, состоящую из чугуна, топлива (кокса) и флюсов. Снизу через фурмы 3 подают воздух, необходимый для горения кокса – основного топлива. Чугун плавится и перегревается на 1000С выше температуры его плавления, т.е. до 1200 – 14000С (температура плавления 1150 – 12500С).
Расплавленный чугун выпускают в ковш, либо в копильник, пристроенный к вагранке, либо в специальный агрегат – обогреваемый миксер, в который сливается чугун из нескольких печей. В копильнике и миксере чугун выравнивается по температуре и составу и может быть подогрет.
Вагранка – это самый простой и самый дешевый плавильный агрегат. Ее легко ввести в работу.
Через 2 – 4 часа после разогрева можно получить жидкий металл. На рисунке 11 показано устройство простейшей вагранки.
Пламенные печи.
Плавку литейного материала можно производить и в пламенных печах. В них топка отделена от рабочего пространства, нагрев и расплавление металла производится газами. Это позволяет получить жидкий чугун более однородного состава с меньшим содержанием серы и сразу в больших количествах для заливки крупных литейных форм. В пламенных печах большей частью плавятся медные сплавы.
Для плавки специальных сортов серого, а также ковкого чугуна, стали и сплавов цветных металлов применяются электрические печи. В таких печах электроэнергия превращается в тепловую. Топливо здесь не нужно. Печи бывают дуговые, индукционные и сопротивления.
14.3 В дуговых печах теплота выделяется за счет электрической дуги. Ток большой силы и низкого напряжения пропускается через 2 или 3 электрода так, что между концами электродов вспыхивает электрическая дуга. В центре дуги возникает высокая температура (до 30000С). Дуга может гореть над металлом, нагревая его сверху (независимая), или пропускаться через металл. В дуговых печах можно плавить чугун, сталь, можно вводить тугоплавкие добавки.
14.4 Индукционные печи применяются для плавки чугуна, стали, цветных металлов. Индукционная печь – это своего рода трансформатор, имеющий первичную и вторичную обмотки. Если по первичной обмотке пропускать электрический ток, то вокруг нее образуется электромагнитное поле, которое индуцирует вихревые токи во вторичной обмотке. Если в электромагнитное поле вместо вторичной обмотки поместить тигель с загруженным в него металлом, то вихревые токи будут возникать в металле. Чем больше сопротивление прохождения электрического тока в тигле, тем больше электроэнергии будет превращаться в тепловую. Чем больше частота тока, тем легче происходит это преобразование.
Индукционные печи проще дуговых, но для них требуется более дорогое электрооборудование. Главное достоинство индукционных печей – легкость управления, возможность достижения высокой температуры, быстрый нагрев, равномерность температуры металла во всем объеме, нет выбросов в атмосферу пыли и газа.
Однако, производительность индукционных печей меньше, чем вагранок. Работают они прерывисто. Металл из них выдается по окончании каждой плавки. Вагранки же практически выдают металл непрерывно, что очень важно для современных автоматических формовочных линий.
Печи сопротивления
При плавке цветных металлов такая высокая температура, как для чугуна и стали, не нужна. Для плавки олова, цинка, свинца, магния и алюминия наряду с дуговыми печами нередко используют электропечи иного типа – печи сопротивления.
В электрическую цепь включают металлическую спираль или пластины с низкой электрической проводимостью. Большое сопротивление прохождения электрического тока вызывает нагрев спиралей или пластин (например, из нихрома).
Стальное литье
Сталь обладает более низкими литейными свойствами, чем серый чугун: она менее жидкотекуча (300 – 350 мм), дает большую усадку (1,8 – 2,5%), более склонна к образованию при затвердевании усадочных раковин и трещин. Температура плавления стали выше чем серого чугуна (1400 – 15250С, температура заливки – 1550 – 16000С), поэтому из стали труднее получить отливки высокого качества.
Тем не менее стальное литье широко распространено. Стальные детали обладают большей прочностью и вязкостью, более надежны и долговечны в работе, лучше выдерживают ударные нагрузки, чем чугунные.
Литые изделия из стали могут иметь различные очертания, и их изготовление обходится значительно дешевле, чем обработкой резанием или давлением.
Для получения мелкого литья используется более горячий металл, чем для крупного.
Формовочные материалы, применяемые для стального литья должны обладать более высокой огнеупорностью, поэтому кварцевый песок должен быть чистым, а глина без примесей.
Для повышения газопроницаемости литейной формы в ней устраивают больше вентиляционных каналов.
В качестве литейного материала применяется углеродистая и легированная сталь.
В обозначении марок сталей первые две цифры означают среднее содержание углерода в сотых долях процента, цифры, следующие за буквенным обозначением – примерное среднее содержание элемента в процентах, а буквы – условное обозначение легирующих элементов (С – кремний, Г – марганец, Х – хром, Н – никель, Т – титан, В – вольфрам, Ф – ванадий). Буква «Л», стоящая в конце марки показывает, на то что сталь литейная, например: 20Л, 50Л, 30ХГСЛ, 110Г13Л (высокоизносостойкая сталь Гадфильда).
Литье цветных сплавов
Для получения цветного литья формовочные смеси в отличие от смесей от смесей, применяемых при изготовлении чугунных и стальных отливок, должны быть мелкозернистыми, обладать хорошей газопроницаемостью, податливостью и пластичностью.
Металлическая шихта для выплавления сплавов цветных металлов состоит из чистого цветного металла, лома и отхода производства в виде литников, прибылей и брака литья.
Перед разливкой сплавы цветных металлов раскисляют, очищают от попавших неметаллических включений и модифицируют. Область применения цветного сплава для изготовления отливок зависит от требований, предъявляемым к литым изделиям.
Литье магниевых сплавов
Отливки из литейных магниевых сплавов (МЛ2, МЛ3 и т.д. – цифра условный номер сплава) имеют относительно высокую удельную прочность и используются в авиастроении, приборостроении и т.д.
Выплавка сплавов связана с рядом затруднений, они обладают легкой окисляемостью при нагревании и способны воспламенятся при температуре 6000С. Выплавку производят в электрических печах сопротивления в тиглях под слоем флюсов. Для получения отливок из магниевых сплавов широко применяется литье под давлением.
16.2 Титановые сплавы, обладающие малой плотностью, высокой прочностью, нашли широкое применение.
Титан и его сплавы в жидком состоянии чрезвычайно химически активны. Они энергично растворяют O2, N2, H2 и C, вступают в химические реакции с материалами форм. Поэтому плавить и разливать Ti и его сплавы необходимо в условии вакуума или в атмосфере нейтрального газа (например, аргона). Плавка ведется в медном водоохлаждаемом тигле. Для получения отливок применяются бронзовые, керамические или графитовые формы. И тигли и формы изнутри облицовывают слоем твердого титана, называемого гарнисажем. Таким образом, расплавленный титан и его сплав находится в контакте со слоем твердого титана толщиной 25 мм и никакими примесями не загрязняется.
Марки: ВТ5-Л, ВТЛ1, ВТ6Л и т.д.
Сплавы на медной основе
Отливки, получаемые из сплавов на медной основе, отличаются износоустойчивостью, коррозионной стойкостью, повышенной кислотоупорностью, способностью работать при высоких температурах и под давлением. Медные сплавы обладают хорошей текучестью, позволяющей получать отливки любых сложных очертаний.
В обозначении марок литейных бронз и латуней дополнительно указывается буква «Л»: БрАЖ9-4Л, ЛАЖ60-1-1Л. Либо без «Л», например ЛЦ16К4. (А – Al, Ж – Fe, С – Pb, Ф – P, Н – Ni, Мц – Mn).
16.4 Сплавы на основе алюминия отличаются хорошими литейными свойствами. Отливки из этих сплавов имеют малый вес, и обладают высокой коррозионной стойкостью и удельной прочностью.
Классическая марка алюминиевого сплава – силумин – сплав алюминия с 11 – 12% кремния АК12 (АЛ2).