Усадка алюминия при литье

Отливки из алюминиевых сплавов

Согласно ГОСТ 1583 – 73 литейные алюминиевые сплавы разделены на пять групп (I – V). Наилучшими литейными свойствами обладают сплавы группы I – силумины. Для них характерны хорошая жидкотекучесть, небольшая линейная усадка (0,9 – I %), стойкость к образованию трещин, достаточная герметичность. Силумины марок АЛ2, АЛ4, АЛ9, АК7, АК9, АК12 широко используют в производстве, однако они склонны к образованию грубой крупнозернистой эвтектики в структуре отливки и растворению газов.

Сплавы группы II (так называемые «медистые силумины») также нередко отливают в кокиль. Эти сплавы, обладающие хорошими литейными свойствами и большей прочностью, чем силумины группы I, менее склонны к образованию газовой пористости в отливках.

Сплавы групп III – V имеют более низкие литейные свойства по сравнению со сплавами групп I и II – пониженную жидкотекучесть, повышенную усадку (до 13%), склонны к образованию трещин, рыхлот и пористости в отливках. Получение отливок из сплавов III—V групп сопряжено со строгим соблюдением технологических режимов для обеспечения хорошего заполнения формы и питания отливок при затвердевании.

Все литейные алюминиевые сплавы в жидком состоянии интенсивно растворяют газы и окисляются. При их затвердевании газы выделяются из раствора и образуют газовую и газоусадочную пористость, которая снижает механические свойства и герметичность отливок. Образующаяся на поверхности расплава пленка оксидов при заполнении формы может разрушаться и попадать в тело отливки, снижая ее механические свойства и герметичность. При высоких скоростях движения расплава в литниковой системе пленка оксидов, перемешиваясь с воздухом, образует пену, которая попадает в полость формы, приводя к образованию дефектов в теле отливки.

Температуру заливки расплава в кокиль назначают в зависимости от химического состава и свойств сплава, толщины стенки отливки и ее размеров. Для силуминов типа АЛ2, AJI4, АЛ9 ее принимают о пределах 700 – 750оС, для сплавов с широким интервалом затвердевания, в частности для сплавов типа АЛ19, обладающих пониженной жидкотекучестью, – в пределах 720 – 770оС.

Продолжительность выдержки отливки в кокиле назначают с учетом ее размеров и массы. Обычно отливки охлаждают в форме до температуры около 400оС.

Отливки из медных сплавов

Литьем в кокиль изготовляют отливки из латуней, бронз, а также из чистой меди. Латуни обычно имеют небольшой интервал кристаллизации, хорошую жидкотекучесть, но большую усадку (1,5 – 2,5%). Латуни мало склонны к образованию усадочной пористости, но интенсивно растворяют водород. Эта особенность всех медных сплавов наиболее сильно проявляется у кремнистых латуней, отливки из которых часто поражаются газовой пористостью.

Бронзы оловянные имеют хорошую жидкотекучесть, повышенную усадку (1,4 – 1,6%), большой интервал кристаллизации, а потому и повышенную склонность к образованию усадочной пористости в отливках. Алюминиевые бронзы имеют небольшой интервал кристаллизации, большую усадку (1,7 – 2,5 %). Отливки из них получаются плотными, но эти сплавы склонны к образованию оксидных плен из-за повышенной окисляемости содержащегося в них алюминия. Плены, попадающие в тело отливки, снижают механические свойства и герметичность изделий из алюминиевых бронз. Кремнистые бронзы, аналогично кремнистым латуням, склонны к образованию газовой пористости. Свинцовые бронзы склонны к ликвации, ухудшающей свойства отливок.

Отливки из медных сплавов при литье в кокиль часто поражены трещи-нами. Это затрудняет получение в кокилях сложных тонкостенных отливок. Главный способ предупреждения этих дефектов – хорошее раскисление и ра-финирование сплавов от шлаковых включений, увеличивающих склонность сплавов к образованию трещин.

Температура заливки медных сплавов выбирается в зависимости от их химического состава и конфигурации отливки. Для отдельных сплавов температура заливки составляет, оС: оловянные бронзы – 1150 – 1200; алюминиевые бронзы – 1100 – 1150; кремнистые латуни – 1000 – 1050; свинцовые латуни – 1000 – 1100. При этом массивные отливки заливают при температурах близких к нижнему пределу, а тонкостенные – к верхнему.

Дефекты отливок из цветных сплавов и методы их предупреждения

Общими характерными дефектами отливок при литье в кокиль являются:

  1. недоливы и неслитины при низкой температуре расплава и кокиля перед заливкой, недостаточной скорости заливки, большой газотворности стержней и красок, плохой вентиляции кокиля;
  2. усадочные дефекты (раковины, утяжины, пористость, трещины) из-за недостаточного питания массивных узлов отливки, чрезмерно высокой температуры расплава и кокиля, местного перегрева кокиля, нерациональной конструкции литниковой системы;
  3. трещины вследствие несвоевременного подрыва металлического стержня или вставки, высокой температуры заливки, нетехнологичной конст-рукции отливки;
  4. шлаковые включения при использовании загрязненных шихтовых материалов, недостаточном рафинировании сплава перед заливкой, неправильной работе литниковой системы;
  5. газовая пористость при нарушении хода плавки (использовании загрязненных влагой и маслом шихт, чрезмерно высокого перегрева, недостаточного рафинирования или раскисления сплава).

Специфические дефекты отливок из магниевых сплавов – это дефекты усадочного происхождения (пористость, трещины, рыхлоты), обусловленные широким температурным интервалом их затвердевания. Для устранения этих дефектов требуется доводка и точное соблюдение технологических режимов – температуры расплава и кокиля, применение краски и др. Часто отливки из магниевых сплавов из-за плохой работы литниковой системы поражены шлаковыми включениями, что приводит к коррозии отливки при ее эксплуатации и хранении. Такие дефекты устраняют тщательной доводкой литниковой системы.

Специфическими дефектами отливок из медных сплавов являются: газовая пористость при плохом рафинировании и очистке сплава от шлаковых частиц, вторичные оксидные плены при литье алюминиевых бронз вследствие разделения потока расплава на струи и окисления его в форме, трещины из-за плохого раскисления сплавов при плавке.

Застывая, металл сохраняет форму того сосуда, в который был залит в жидком виде. Эту особенность металла человек использовал при получении изделий способом литья.

Наша страна издавна славилась искусными литейщиками. В Московском Кремле стоят «Царь-пушка» массой 40 т, отлитая Андреем Чоховым в конце XVI в., и «Царь-колокол» массой 200 т, изготовленный знаменитыми литейщиками Иваном и Михаилом Моториными в первой половине XVIII в. Во многих странах мира известны художественные изделия Каслинского чугунолитейного завода на Урале.

Одно из главных качеств литейного материала — способность растекаться, или жидкотекучесть. Металл или сплав в жидком состоянии должен быть подвижным и невязким, легко заполнять любую сложную форму, быстро проникать в её тончайшие извилины.

Из сплава с хорошей жидкотекучестью можно получить отливку с тонкими стенками. Если металл растекается медленно, то из него тонкостенная отливка не получится: он застынет, прежде чем заполнятся все извилины формы.

Чугунные чушки.

Один из лучших литейных материалов — чугун. Он обладает отличной жидкотекучестью. У стали жидкотекучесть меньше, и приходится прибегать к различным ухищрениям, чтобы заставить сталь заполнить всю форму.

Литьё металла в землю.

Самый древний способ литья — литьё в песчано-глинистые формы, или литье в землю. Однако этот способ, хотя его и считают простым, требует большой предварительной работы.

Сначала в модельном цехе из дерева или металла делают модель будущей отливки. Она должна быть несколько большего размера, чем отливка, с учетом усадки металла при охлаждении. Модель (как и будущая форма) разъемная и состоит из двух половинок. В землеприготовительном отделении литейного цеха из земли и различных добавок готовят формовочную смесь. Если у отливки должно быть внутреннее отверстие или полость, то необходимо приготовить еще одну смесь — для стержней. Назначение стержней — заполнить те места в форме, которые в детали соответствуют отверстиям или полостям.

Формовочные и стержневые смеси готовят из специальных песков и глин и связующих материалов — растительных и минеральных масел, искусственной смолы, канифоли и т.д. Готовые смеси поступают к формовщикам, задача которых — изготовить литейные формы. Для этого на металлическую модельную плиту ставят одну половину модели разъёмом вниз (см. рис.), а затем металлический ящик без дна — опоку так, чтобы половина модели оказалась внутри него.

Опоку плотно набивают формовочной землёй и переворачивают. Теперь половинка модели лежит в опоке разъёмом вверх. На эту опоку формовщик ставит ещё одну и скрепляет их штырями. Затем в верхнюю опоку устанавливают два деревянных конуса (на их месте в готовой форме останутся два отверстия для заливки металла и для выхода воздуха и газов) и плотно заполняют ее формовочной смесью.

Теперь осталось вынуть из земли деревянную модель. Для этого опоки разъединяют и из каждой вынимают половинки модели. В земле остаются чёткие отпечатки двух половин детали (см. рис.). Их, а также заранее приготовленный стержень покрывают особой краской, чтобы жидкий металл не «пригорел» — не прилип к стенкам формы. В форму вставляют стержень и прорезают в земле канавку, соединяющую отверстие для заливки металла с полостью формы, — литниковый ход.

На конец, верхнюю опоку снова кладут на нижнюю, соединяют их, и форма готова. Когда она немного подсохнет, в неё можно заливать металл.

Чугун для литья приготовляют в специальных печах — вагранках. Если отливки стальные, то сталь для них плавят в конвертерах, мартеновских и электрических печах. Для расплавления цветных металлов существуют свои плавильные печи.

Жидкий металл заливают в форму из ковша, который движется вдоль ряда опок, а иногда опоки на конвейере движутся мимо ковша. Когда металл застывает, отливку вынимают из формы. С помощью наждачных станков, пескоструйных или дробеструйных аппаратов отливку очищают от приставшей формовочной земли.

Литье в кокиль.

Вместе с тем давно уже появились и успешно используются другие, более совершенные способы литья. Один из них литье в кокиль — металлическую форму (см. рис.), состоящую из двух половин, в одну из них перед заливкой металла вставляют стержни. Затем обе половины кокиля скрепляют между собой и заливают жидкий металл. Здесь он очень быстро затвердевает, и уже через несколько минут можно вынимать деталь и заливать новую порцию металла. С помощью одного кокиля получают сотни и тысячи одинаковых отливок.

Литьё металла в кокиль.

Однако таким способом можно получать отливки только из металлов или сплавов, обладающих хорошей жидкотекучестью. А для стали, например, у которой жидкотекучесть меньше, применяют литье под давлением (см. рис.). Жидкий металл под давлением сжатого воздуха или поршня хорошо заполняет любую сложную форму. Однако обыкновенный кокиль не выдерживает большого давления и разрушается. В связи с этим формы для этого способа литья — пресс-формы — делают из прочной стали. Машины для литья под давлением выпускают по нескольку тысяч отливок за смену.

Литьё по выплавляемым моделям.

Издавна известен способ литья по выплавляемым моделям, сделанным не из дерева или металла, а из легкоплавкого воскообразного (парафин, стеарин) вещества (см. рис.). Такую модель покрывают огнеупорной оболочкой и заформовывают в опоку. Горячий металл расплавляет воск и заполняет оболочку, в точности повторяя форму модели. При этом способе модель не надо извлекать из формы, что позволяет получать очень точные отливки. Кроме того, этот процесс легко автоматизировать.

Литьё в оболочковые формы.

Иногда, когда отливка не требует большой точности, ее получают литьем в оболочковые формы (см. рис.). Их делают из смеси мелкого кварцевого песка с особой порошкообразной смолой. Этой смесью засыпают половинки металлических моделей, установленных на нагретой до 200—250°С металлической плите. Под действием тепла смола расплавляется, обволакивает и скрепляет зерна песка. На модели образуется песчано-смоляная корка. Затем модели вынимают, а плиту с оболочками ставят в печь, где они окончательно затвердевают. Наконец 2 полуформы оболочки соединяют между собой и заливают в полость металл.

Центробежное литьё.

Так же широко распространено центробежное литьё, с помощью которого делают отливки, имеющие форму тел вращения, — трубы, шестерни, зубчатые ободы и т. п. Металл заливают во вращающуюся металлическую форму, при вращении он прижимается к стенкам формы, и это позволяет получать отливки высокой точности.

Электрошлаковое литьё.

Один из современных способов — электрошлаковое литьё. В этом случае сначала получают жидкий металл методом электрошлакового переплава. Бездуговой переплав металлических электродов осуществляется за счет теплоты, выделяющейся при прохождении электрического тока через расплав электропроводящего шлака. Затем жидкий металл (не соприкасаясь с воздухом) поступает в водоохлаждающий медный кристаллизатор, являющийся литейной формой. Электрошлаковое литье применяется в основном для изготовления сравнительно несложных отливок, например коленчатых валов.

Классификация методов литья

Все отливки классифицируются следующим образом: по виду заливаемого сплава, по способу изготовления литейной формы.

I. По виду заливаемого сплава.

1. чугунное литье;

2. стальное литье;

3. цветное литье.

3.1. сплавы на основе меди;

3.2. сплавы на основе алюминия;

3.3. сплавы на основе Zn, Ni, Cu, Ti, Mg, Mo и др.

4. благородные металлы;

5. шлаковое литье.

II. По способу изготовления литейной формы.

1. разовые формы:

1.1. песчано-глинистые формы;

1.2. оболочковые формы;

1.3. керамические формы;

1.4. литье по выплавляемым моделям;

1.5. литье по выжигаемым моделям;

2. постоянные формы (кокили):

2.1. литье под давлением;

2.2. центробежное литье.

3. Полупостоянные формы – облицовочные кокили.

Заготовки, используемые в машиностроении делятся на следующие виды: поковки, штамповки, отливки.

Отливки по сравнению с поковками и штамповками имеют следующие преимущества.

Возможность получения любой, даже самой сложной конфигурации.

2. Большой диапазон масс отливок – от нескольких грамм до сотен тонн, при толщине стенки от 1 мм до 1м.

3. Минимальные отходы при производстве, т.е. максимальный коэффициент использования металла (КИМ):

.

Поэтому КИМ всегда меньше 1 и составляет для: поковок 0,48, штамповок – 0,615, для отливок – 0,805.

3. Возможность изготовления изделий из сплавов, не поддающихся механической обработке (износостойкие чугуны, стали, шлаковое литьё).

4. Многие типы отливок эксплуатируют без механической обработки (рабочие органы размалывающего оборудования, гусеничные траки, шлаковни, поддоны, печная арматура и т.д.).

Во многих машинах и механизмах масса литых заготовок составляет до 90% (детали двигателей внутреннего сгорания, запорная арматура, турбины).

Сущность литейного производства заключается в плавке металла, изготовлении форм, заливке металла и охлаждении, выбивке, очистке, обрубке отливок, термической обработке и контроле качества отливок. Трудоемкость этих процессов распределяется приблизительно следующим образом: изготовление форм – 60%; плавка и заливка металла – 10%, обработка (выбивка, обрубка, термическая обработка) отливок – 30%.

СУЩНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ЛИТЬЯ

Технологии литейного производства на современном этапе позволяют получать изделия с высокими эксплуатационными свойствами.

Отливки надежно работают в реактивных двигателях, атомных энергетических установках и других машинах ответственного назначения. Они используются в изготовлении строительных конструкций, станочного и прессового оборудования, морских судов, деталей бытового оборудования.

Под литейным методом понимают процесс получение заготовок путем заливки расплавленного металла заданного химического состава в литейную форму, полость которой имеет конфигурацию заготовки.

В современном литейном производстве наиболее часто применяются два основных способа:

· литье в песчаные формы,

· специальные способы литья.

Литье в песчаные формы является самым распространенным способом изготовления отливок. Этим способом изготавливают отливки из чугуна, стали, цветных металлов в широком диапазоне весов и размеров. Сущность этого процесса заключается в получении отливок из расплавленного металла, затвердевшего в формах, которые изготовлены из формовочных смесей путем уплотнения с использованием модельного комплекта.

Этапы технологического процесса изготовления отливок в песчаных формах представлены на рисунке 17.1.

Рис. 17.1. Этапы технологического процесса изготовления отливок в песчано-глинистых формах

Под литейной моделью (рис. 17.2) понимают приспособление, с помощью которого в литейной форме получают отпечаток, соответствующий конфигурации и размерам отливки.

Применяют модели разъемные и неразъемные, деревянные, металлические и пластмассовые. На рисунке 17.2, б показана модель для литья в песчано-глинистую форму изготовленная самым современным способом – прототипированием.

Рис. 17.2. Деталь, полученная литьем в песчано-глинистую форму (а) и ее литейная модель (б)

· Под стержневым ящиком (рис. 17.3) понимают формообразующее изделие, имеющее рабочую полость для получения в ней литейного стержня нужных размеров и очертаний из стержневой смеси. Литейные стержни устанавливают для образования: полостей, отверстий, иных сложных контуров заготовки.

Рис. 17.3. Стержневой ящик: 1,2 — полуформы ящика, 3 — фрагмент опоки, 4 — готовый стержень, 5 — виды стержней в машиностроении

Для приготовления смесей используются природные и искусственные материалы. Обычно используется кварцевый или цирконовый песок и связующие добавки. Добавки обеспечивают прочность, пластичность и термическую устойчивость формовочной смеси.

Приготовление формовочной смеси включает несколько операций: перемешивание компонентов смеси, увлажнение и разрыхление.

Изготовление литейных форм по своей физической сущности аналогично строительству норок ребенком в песочнице. Ребенок кладет одну руку на песок, засыпает ее сверху и утрамбовывает его второй рукой. После утрамбовки песка ребенок вытаскивает руку из него и там остается «норка», по размерам и форме напоминающая его засыпаемую песком руку.

В реальной технологии литья вместо руки ребенка используется модель того изделия, которое будут отливать. Литейная форма обычно состоит из верхней и нижней полуформ, которые изготавливаются в опоках. Основные операции изготовления литейных форм показаны на рисунке 17.4.

Рис. 17.4. Основные операции изготовления литейных форм

Форму собирают и заливают расплавленным металлом. Заливка осуществляется из ковшей чайникового, барабанного и других типов. Литейную форму заливают расплавленным металлом через литниковую систему. Под литниковой системой понимают совокупность каналов и резервуаров, по которым расплав поступает из разливочного ковша в полость формы.

Процесс охлаждения отливок длится от нескольких минут (для небольших тонкостенных отливок) до нескольких суток и недель (для крупных толстостенных отливок). Для сокращения продолжительности охлаждения используют методы принудительного охлаждения водой или воздухом.

Выбивка отливки – это процесс удаления затвердевшей и охлажденной до определенной температуры отливки из литейной формы, при этом литейная форма разрушается. Осуществляют на специальных выбивных установках.

Обрубка отливок – это процесс удаления с отливки прибылей, литников, выпоров и заливов по месту сопряжения полуформ. После обрубки отливки зачищают.

Очистка отливок – это процесс удаления пригара, остатков формовочной и стержневой смесей с наружных и внутренних поверхностей отливок. Осуществляется в галтовочных барабанах, в гидропескоструйных и дробеметных камерах, а также химической или электрохимической обработкой.

Несмотря на универсальность и относительную дешевизну, процесс литья в песчаные формы связан с большим грузопотоком вспомогательных материалов и высокой трудоемкостью. 15-20% массы заготовки превращается в стружку при последующей механической обработке.

Переход к специальным способам литья дает возможность снизить припуски на механическую обработку и количество стружки до 5-7%.

Специальные способы литья позволяют:

· получать отливки повышенной точности и с более высокими показателями чистоты поверхности,

· снижать расходы на материалы формовочных смесей.

В современном машиностроительном производстве существуют более 50 способов специального литья, отличающихся от литья в песчаные формы следующими признаками:

— конструкцией литейных форм,

— материалом литейных форм,

— использованием внешних воздействий для заполнения форм и т.д.

Наиболее распространенные специальные способы литья показаны на рисунке.17.5.

Рис. 17.5. Специальные способы литья

· ЛИТЬЕ ПОД ДАВЛЕНИЕМ – это процесс литья, когда расплавленный материал подается в литейную форму под достаточно большим давлением, что позволяет значительно снизить риск получения брака в виде раковин и пористости, (рис. 17.6). Сначала металл доставляется в камеру прессования (рис.17.6, а), затем подается в полость пресс-формы (рис.17.6, б). После затвердевания отливки пресс-форма раскрывается, стержень извлекается, и отливка удаляется из рабочей полости пресс-формы (рис. 17.8,в).

Рис.17.6. Схема процесса литья под давлением: заливка металла (а), прессование (б), извлечение заготовки (в), заготовки, полученные этим способом (г); 1- поршень давления, 2 — части формы, 3 — поддерживающие элементы, 4 — полость пресс-формы, 5- выталкиватель

ЛИТЬЕ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ – это процесс, когда модели изготавливают в пресс-формах из легкоплавкого материала (воск или стеарин) (рис. 17.7, а), которые попеременно погружают в клеевой состав и в «кипящий» песок, наращивая тем самым слой склеенного песка на поверхностях моделей. Затем все это помещают в печь или кипяток, где легкоплавкий материал моделей расплавляется и вытекает из форм и они помещаются в печь для прокаливания.

Рис. 17.7.Сзема процесса по выплавляемым моделям: восковая модель (а), оболочковая форма (б), процесс заливки (в), заготовки, полученные данным способом (г)

Получается прочная, но хрупкая оболочка (рис. 17.7, б), в которую заливают расплавленный материал (рис. 17.7, в), а после затвердевания отливки форма легко разрушается от небольшой динамической нагрузки, например, от удара молотком или от небольшого нажатия прессом.

ЛИТЬЕ В ОБОЛОЧКОВЫЕ ФОРМЫ по технологии процесса изготовления литейных форм такая же, как и по выплавляемым моделям, но сами модели делают так же, как для литья в песчаные формы. Это позволяет делать литейные формы по простой и дешевой технологии и получать крупногабаритные отливки, но производительность процесса значительно ниже, чем при литье по выплавляемым моделям.

ЛИТЬЕ В КОКИЛЬ – это процесс литья в металлическую форму многоразового использования, что обеспечивает достаточно высокую производительность процесса, но требует гораздо больших затрат на ее изготовление.

ЦЕНТРОБЕЖНОЕ ЛИТЬЕ – это процесс, когда литейная форма должна вращаться при подаче в нее расплавленного материала, который под действием центробежных сил прижимается к стенкам формы (рис. 17.8).

Рис. 17.8. Схема процесса вертикального центробежного литья (а), заготовки, полученные этим способом (б); 1- двигатель для вращения, 2 — изложница, 3 — расплавленный металл, 4 — ковш

Центробежные силы способствуют уплотнению материала отливки, снижая риск получения брака в виде пористости и раковин. Эта технология позволяет получать многослойные отливки из различных материалов.

При непрерывном литье расплавленный металл из металлоприемника через графитовую насадку поступает в водоохлаждаемый кристаллизатор и затвердевает в виде отливки, которая вытягивается специальным устройством.

Для производства отливок специальными способами литья чаще всего используют:

· серые, высокопрочные и ковкие чугуны;

· углеродистые и легированные стали;

· медные (бронзы и латуни), цинковые, алюминиевые и магниевые сплавы;

· сплавы тугоплавких металлов (титан, молибден, вольфрам).

Преимуществами специальных способов литья являются:

· изготовление заготовок с высокой весовой точностью (для специальных способов литья);

· изготовление отливок практически неограниченных габаритов и массы;

· получение заготовок из сплавов, неподдающихся пластической деформации и трудно обрабатываемых резанием (магниты).

Наиболее подробно с некоторыми процессами литья Вы познакомитесь на лабораторных работах.

Добавить комментарий

Закрыть меню