Роль литейного производства в машиностроении Исполнитель
- Скачано: 58
- Размер: 147 Kb
Роль литейного производства в машиностроении
План.
- Общие сведения о литейном производстве.
- Применяемые материалы в литейном производстве.
- Литейные свойства сплавов.
{spoiler=Подробнее}
Литейное производство – отрасль машиностроения, изготовляющая заготовки или детали (отливки) заливкой расплавленного металла заданного химического состава в литейную форму, полость которой имеет конфигурацию заготовки или детали. При охлаждении залитый металл затвердевает и сохраняет конфигурацию полости формы. Заготовки (отливки) в дальнейшем подвергают механической обработке.
Литейное производство позволяет получать разнообразные по конфигурации и свойствам фасонные отливки из чугуна, стали и из сплавов цветных металлов. Высокие механические и эксплуатационные свойства отливок обусловливают их широкое применение в различных отраслях промышленности. Литьем изготовляют отливки как простой, так и сложной формы, которые нельзя получить другими технологическими методами. Например, корпусные детали приборов и машин чаще всего изготовляют литьем. Важной задачей литейного производства является получение отливок, по форме и размерам приближающихся к готовой детали, что существенно сокращает обработку резанием.
Получение литых деталей и заготовок
Литейные сплавы и их применение. Литейные сплавы получают сплавлением двух или нескольких металлов и неметаллов. Такие сплавы должны обладать хорошей электро- и теплопроводностью, повышенной пластичностью и др. Практическое значение литейных сплавов определяет то, что они по некоторым свойствам (прочности, твердости, способности воспроизводить очертания литейных форм, обрабатываемости режущим инструментом и др.) Превосходят чистые металлы. Важное место в литейном производстве занимают сплавы с особыми физическими свойствами (например, электропроводностью, магнитной проницаемостью и др.).
Сплавы в зависимости от химического состава отличаются друг от друга температурой плавления, химической активностью, вязкостью в расплавленном состоянии, прочностью, пластичностью и другими свойствами. Для производства фасонных отливок применяют серые, высокопрочные, ковкие и другие чугуны, углеродистые и легированные стали, сплавы алюминия, магния, меди, титана и др.
Серый чугун (состав в %: 2,8—3,5 С; 1,8—2,5 Si; 0,5— 0,8Мп; до 0,6 Р и до 0,12 S) имеет достаточно высокую прочность, высокую циклическую вязкость, легко обрабатываем и дешев. Недостатком серого чугуна является низкая ударная вязкость и хрупкость. Прочность серых чугунов (рис, 3, а) обусловлена пластинчатой формой графитовых включений и прочностью металлической основы, которая носит название ферритной, перлитной, ферритно-перлитной. Наименьшую прочность имеет ферритная структура, а наибольшую —перлитная. В марках серого чугуна (СЧ 15-32, СЧ 18-36, СЧ 21-40 и др.) буквы СЧ показывают принадлежность данного материала к серым чугунам, первые две цифры - минимальное значение предела прочности чугуна на растяжение, Н/мм2, вторые - минимальное значение предела прочности чугуна на изгиб, Н/мм2. Из серого чугуна изготовляют станины станков, корпуса и крышки редукторов, шкивы и другие отливки. Высокопрочный чугун (состав в %: 3,2—3,6 С; 1,6—2,9 Si; 0,4—0,9 Мn; не более 0,15 Р; не более 0,02 S; не менее 0,04 Mg) обладает высокой прочностью, пластичностью, хорошо обрабатывается. Высокие механические свойства этих чугунов получают обработкой расплавленного чугуна магнием или цирконием, при которой, графит принимает шаровидную форму (рис. 3, б). Высокопрочные чугуны (ВЧ 40-10, ВЧ45-5, ВЧ 60-2 и др.) имеют различную структуру металлической основы: чугун ВЧ 40-10 — ферритную, ВЧ 45-5 — ферритно-перлитную, а у ВЧ 60-2 — перлитную, что и обусловило их различную прочность. В марках высокопрочного чугуна буквы ВЧ показывают принадлежность данного материала к высокопрочным чугунам,
а б в
Рис.3. Схемы микроструктур чугуна:
а – серого; б - высокопрочного; в ковкого;
1- пластинчатый графит;2 - шаровидный графит;
3 - хлопьевидный графит; 4 - феррит; 5 – перлит
первые две цифры — минимальное значение предела прочности на растяжение, Н/мм2, а вторая — минимальное относительное удлинение, %. Из высокопрочного чугуна получают ответственные тяжело нагруженные детали: коленчатые валы, барабаны шахтных вагонеток, шатуны и др.
Ковкий чугун (состав в %: 2,4—2,8 С; 0,8—1,4 Si; менее 1 Мn; не менее 0,2 Р; не менее 0,1 S) по прочности превосходит серые чугуны и имеет высокую пластичность. Получают ковкий чугун при отжиге отливок из белого чугуна (в белом чугуне углерод почти полностью находится в связанном состоянии в виде Fe3C) в течение 30—60 ч при температуре 900—1050 °С. При отжиге образуется графит в виде хлопьев (рис. 3, в). В зависимости от условий отжига ковкий чугун может быть ферритным (KЧ 37-12), ферритно-перлитным (КЧ 45-6) и перлитным (КЧ 63-2). Ковкий чугун маркируют так же, как и высокопрочный чугун. Ковкий чугун используют для производства корпусов пневматического инструмента, ступиц, кронштейнов, звеньев цепей и других деталей. Углеродистые стали (состав в %: 0,12—0,6 С; 0,2—0,5 Si; 0,5—0,8 Мn; до 0,05 Р и до 0,05 S) имеют более высокие механические свойства, чем серый и ковкий чугуны. Структура литой стали состоит из перлита и феррита. Чем больше в ней перлита, тем выше прочность и ниже вязкость. Углеродистые стали применяют для изготовления различных цилиндров, станин прокатных станов, зубчатых колес и других изделий.
Легированные стали отличаются от углеродистых составом легирующих, т. е. дополнительно добавленных элементов (хром, никель, молибден, титан и др.) или повышенным содержанием марганца и кремния. Легирующие элементы придают стали высокую коррозионную стойкость, жаропрочность и другие специальные свойства. Из легированных сталей получают турбинные лопатки, коллекторы выхлопных систем, различную арматуру и прочие подобные детали.
Алюминиевые сплавы обладают малой плотностью, высокой прочностью и пластичностью, их легко обрабатывать. Наиболее распространены сплавы алюминия с кремнием (силумины), которые обладают повышенной коррозионной стойкостью, хорошей свариваемостью и другими свойствами. Алюминиевые сплавы применяют при производстве блоков цилиндров, корпусов приборов и инструментов и т. п.
Магниевые сплавы обладают малой плотностью, высокой прочностью, хорошей обрабатываемостью. Недостатком магниевых сплавов является низкая коррозионная стойкость. Для повышения механических свойств, практически все магниевые сплавы обрабатывают (модифицируют) гексахлорэтаном, мелом и другими веществами. Из магниевых сплавов изготовляют корпусы насосов, приборов и инструментов и другие детали.
Медные сплавы (бронзы и латуни) имеют сравнительно высокие механические и антифрикционные свойства, высокую коррозионную стойкость, хорошей обрабатываемостью. Для изготовления отливок применяют оловянные и безоловянные бронзы и латуни. Безоловянные бронзы используют как заменители оловянных бронз.
По механическим коррозионным и антифрикционным свойствам безоловянные бронзы превосходят оловянистые. Медные сплавы применяют при производстве арматуры, подшипников, гребных винтов, зубчатых колес и др.
Алюминиевые, магниевые и медные сплавы широко применяют в приборостроении.
Приготовление литейных сплавов. Приготовление литейных сплавов связано с процессом плавления различных материалов. Плавление — это переход из кристаллического состояния в аморфное. При этом нарушается устойчивость кристаллических решеток, увеличиваются колебательные движения атомов, и кристаллическое тело, проходя через область неустойчивых состояний, превращается в жидкое. При плавлении твердые кристаллические тела теряют постоянство формы, объема, а также изменяются их физические свойства. Для получения заданного химического состава и определенных свойств в сплав при приготовлении вводят в жидком или в твердом состоянии специальные (легирующие) элементы, в качестве которых используют Си, Ni, Mn, Ti, Mg, Mo и др.
Для размельчения структурных составляющих и равномерного их распределения по всему объему литого металла в сплавы вводят малые добавки различных элементов (модификаторов), в качестве которых используют Na, Zn, Mg, Ti, Zr и другие элементы.
Для выплавления чугуна и стали в качестве исходных материалов (шихты) используют литейные или передельные доменные чугуны, чугунный и стальной лом, отходы собственного производства и ферросплавы. Для понижения температуры плавления образующихся шлаков используют флюсы — известняк, доломит и др.
Для выплавления цветных сплавов используют как первичные (полученные на металлургических заводах), так и вторичные (после переплавки цветного лома) металлы и сплавы, кроме того, применяют лигатуры (специально приготовленные сплавы из двух или нескольких металлов) и флюсы (обычно хлористые и фтористые соли щелочных и щелочноземельных металлов).
Не все сплавы в одинаковой степени пригодны для изготовления фасонных отливок. Из одних сплавов (серого чугуна, силумина) можно легко изготовить отливку сложной конфигурации, а из других (титановых сплавов, легированных сталей и др.) получение отливок сопряжено с определенными трудностями. Получение качественных отливок без раковин, трещин и других дефектов зависит от литейных свойств сплавов. К основным литейным свойствам сплавов относят жидкотекучесть, усадку сплавов, склонность к образованию трещин, газопоглощение и ликвацию.
Жидкотекучесть — способность расплавленного металла течь по каналам литейной формы, заполнять ее полости и четко воспроизводить контуры отливки. При высокой жидкотекучести литейные сплавы заполняют все элементы литейной формы, при низкой — полость формы заполняется частично, в узких сечениях образуются недоливы. Жидкотекучесть сплавов определяют по специальным пробам. За меру жидкотекучести принимают длину заполненной спирали в литейной с' 20
Жидкотекучесть сплавов зависит от многих факторов; например, повышение температуры заливки увеличивает жидкотекучесть всех сплавов. Чем выше теплопроводность материала формы, тем быстрее отводится тепло от залитого металла, тем ниже жидкотекучесть. Неметаллические включения снижают жидкотекучесть сплавов. На жидкотекучесть влияет химический состав сплавов: с увеличением в исходном материале содержания серы, кислорода и хрома жидкотекучесть снижается, а с повышением содержания фосфора, кремния, алюминия и углерода—увеличивается .
В зависимости от жидкотекучести сплава выбирают минимальную толщину стенок отливок. Например, при изготовлении мелких отливок из серого чугуна в песчаных формах минимальная толщина стенок составляет 3—4 мм, для средних — 8—10 мм, а для крупных —12—15 мм; для стальных отливок—5—7, 10—12, 15—20 мм соответственно.
Усадка — процесс уменьшения объема отливки при охлаждении, начиная с некоторой температуры жидкого металла в литейной форме до температуры окружающей среды. Усадка протекает в жидком состоянии, при затвердевании в процессе кристаллизации и в твердом состоянии. Различают линейную и объемную усадки, которые определяют в процентах. Величина усадки сплавов зависит от их химического состава, температуры заливки, конфигурации отливки и других факторов. Наименьшую линейную усадку имеют серый чугун (0,9—1,3%), алюминиевые сплавы — силумины (0,9—1,3%). Стали и некоторые сплавы имеют усадку 1,8—2,5%. Изготовлять отливки из сплавов с повышенной усадкой сложно, так как в массивных частях отливки образуются усадочные раковины и усадочная пористость. Для предупреждения образования усадочных раковин предусматривают установку прибылей — дополнительных резервуаров с расплавленным металлом для питания отливок в процессе их затвердевания.
Напряжения в отливках возникают вследствие неравномерного их охлаждения и механического торможения усадки. Они характерны для отливок с различной толщиной стенок. При затвердевании температура отливки в массивных частях выше, чем снаружи или в тонких сечениях. Поэтому усадка в отдельных местах по величине различна, но так как части одной и той же отливки не могут изменять свои размеры независимо друг от друга, то в ней возникают напряжения, которые могут вызывать образование трещин или коробление. Для предупреждения образования больших напряжений и трещин необходимо в конструкции литой детали предусматривать равномерную толщину стенок, плавные переходы и устранять элементы, затрудняющие усадку сплава, а также использовать литейные формы и стержни повышенной податливости. Трещины довольно часто образуются в отливках из углеродистых и легированных сталей, сплавов магния и многих алюминиевых сплавов.
Газопоглощение —способность литейных сплавов в расплавленном состоянии растворять водород, азот, кислород и другие газы. Степень растворимости газов зависит от состояния сплава: с повышением температуры твердого сплава она увеличивается незначительно, несколько возрастает при плавлении и резко повышается при перегреве расплава. При затвердевании и последующем охлаждении растворимость газов уменьшается и в результате их выделения в отливке могут образоваться газовые раковины и поры. Растворимость газов зависит от химического состава сплава, температуры заливки, вязкости сплава и свойств литейной формы. Для уменьшения газонасыщенности сплавов применяют плавление в вакууме или в среде инертных газов и другие методы.
Ликвация — неоднородность химического состава в различных частях отливки. Различают ликвации зональную и дендритную (внутризеренную). Зональная ликвация — это химическая неоднородность в объеме всей затвердевшей литой детали. Дендритная ликвация — химическая неоднородность в пределах одного зерна (дендрита) сплава. Ликвация зависит от химического состава сплава, конфигурации отливки, скорости охлаждения и других факторов.
Контрольные вопросы.
- Что такое литьё
- Какими способами получают отливки?
- Что такое жидкотекучесть?
- Как образуется ликвация?
- К чему влияет усадка?
- Как получают точные отливки в песчаных формах?
{/spoilers}