Литейным производством называется отрасль машиностроения, занимающаяся изготовлением изделий — заготовок и деталей, путем заливки расплавленного металла заданного химического состава в литейную форму, полости которой соответствуют конфигурации изделия.
Задачей литейного производства является изготовление фасонных изделий.
Способ литья используют в двух направлениях:
- для удешевления производства изделий;
- для изготовления изделий, которые нельзя или затруднительно получить другими способами.
В современных условиях развитых промышленных стран основным направлением в литейном производстве становится второе из названных выше направлений.
Стоимость литой детали в большинстве случаев ниже стоимости аналогичной детали, полученной другими способами. Значительную роль в этом играет тираж деталей. Наиболее дешевым способом получения оливок является способ литья в землю. Масса отливок может составлять от нескольких грамм до сотен тонн. Литьем изготавливают как наиболее ответственные детали, в том числе и уникальные, так и малоответственные детали широкого потребления.
Литейное производство является одной из важнейших отраслей машиностроения. Около 6080% (по массе) всех деталей машин изготавливают различными способами литья.
Способом литья изготавливают заготовки и детали. В настоящее время основной объем продукции литейного производства составляет изготовление заготовок.
Развитие и внедрение новых высокоточных способов литья определяет тенденцию перехода к производству, ориентированному на изготовление литьем деталей машин.
Из общего объема выпуска отливок 75% изготавливают литьем в землю, 20% — литьем в металлические формы и остальные — другими способами литья.
По мере роста технических достижений в области литейного производства повышается качество отливок, их точность, уровень физико-механических и других свойств. За последние 20 лет прочность отливок из углеродистых сталей повышена с 400 МПа до 2000 МПа, из чугуна от 100 МПа до 1000 МПа. Такое повышение достигнуто в основном за счет применения новых марок сталей и чугунов, однако существенную роль сыграло также и совершенствование технологии литья. Разработка новых составов преследует и другую цель — удешевление литейных материалов и, в целом, литейного производства. Одним из путей решения этой задачи является замена дорогостоящих марок сплавов сложного состава более дешевыми марками простого состава специализированными для узкой конкретной задачи.
Способ изготовления керамических оболочковых форм для литья по ...
... В связи с возможностями получения сложных отливок с высокой точностью способ литья по выплавляемым моделям вновь привлекает внимание литейщиков. В современном литейном производстве прежний способ получения отливок ... модели внутренняя поверхность керамической формы позволяет получать отливки с чистой, не ... При литье небольших изделий можно формовать в одной опоке несколько деталей, укрепленных ...
В целом проблема формирования состава сплава для достижения определенного комплекса свойств литого материала является наиболее сложной в научном плане, однако и наиболее актуальной. В настоящее время накоплен значительный объем научных представлений и практических рекомендаций, позволяющий сформулировать критерии и требования, регламентирующие состав литого материала заданного назначения.
1. Структура литейного производства
Получение литого изделия — отливки основано на процессе заполнения жидким металлом специальной литейной формы, последующее охлаждение и затвердевание материала и извлечение готовой отливки путем разрушения разовой или раскрытия многоразовой формы.
Разовой называется форма, которая служит для изготовления в ней одной отливки и разрушается при извлечении из нее готовой отливки.
Примеры разовых форм — песчано-глинистые формы, оболочковые формы, формы для литья под давлением.
Такие формы изготавливают из неметаллических материалов.
Многоразовой называется форма, в которой можно изготовить последовательно несколько отливок.
Примеры многоразовых форм — кокиль, формы для литья под давлением, формы для центробежного литья.
Такие формы изготавливают из металлических материалов, хотя, отдельные элементы формы и покрытия на поверхностях могут быть из неметаллических материалов.
По способам проведения и организации технологических процессов технологии литейного производства подразделяются на ручные, механизированные и автоматизированные.
2. Сравнительный анализ достижимых уровней технико-экономических показателей, ограничения способов литья
Точность размеров отливок, изготавливаемых различными способами литья, ограничена квалитетами 817.
Шероховатость поверхности является одной из основных геометрических характеристик качества и при различных способах литья ограничена диапазоном = 10320 мкм.
К показателям, ограничивающим применение способа литья при изготовлении изделий, относятся такие — оптимальная (минимальная) толщина стенок отливок, а такие радиусы галтелей — сопряжений стенок, расположенных под углом друг к другу.
Сведения для сравнительного анализа показателей, характеризующих достижимые уровни точности и качества отливок при различных способах литья приведены в таблице 1. 2.
Таблица 1.2
Экономически достижимые показатели точности и качества технологий литья
|
Способ литья |
Характерные ос оcобенности размеров |
Минимальные размеры |
Точность квалитет |
Шероховатость, мкм |
|||
|
Толщина стенок, S, мм |
Радиусы галтелей, , мм |
Черные |
Цвет |
||||
|
В землю |
Любые |
610 |
S10 |
16- 1 7 |
160-320 |
80-320 |
|
|
В кокиль кокиль |
В одной части формы |
2.58 — |
S6 |
9 — 12 12 — 17 |
40-320 |
20-160 |
|
|
В двух и более частях |
|||||||
|
Под давлением |
В одной части формы |
1 — |
S сумме толщин стенок |
8 — 10 9 — 12 |
10-80 |
10-40 |
|
|
В двух и более частях |
|||||||
|
Оболочк формы |
В одной части формы |
28 — |
110 |
10 — 14 12 — 16 |
40-160 |
20-80 |
|
|
В двух и более частях |
|||||||
|
Выплавл модели |
В одной части формы |
0.60.7 — |
18 |
8 — 10 10 — 12 |
20-80 |
10-80 |
|
|
В двух и более частях |
|||||||
Примечание.
3. Основные литейные материалы. Их применение и перспективы развития
Литейные сплавы должны обладать хорошими литейными свойствами, тепло и электропроводностью.
При выборе сплава необходимо учитывать его свойства и стоимость. Если принять среднюю стоимость отливки из серого чугуна за 100%, то стоимость отливки из: ковкого чугуна — 130%, стали — 150%, цветных сплавов — 300-600%.
В целом, в общем производстве отливок:
74% — отливки из серого чугуна, 3% — отливки из ковкого чугуна, 21% — отливки из стали,
2% — отливки из цветных сплавов.
Основными требованиями к литейным материалам являются прочность, способность последующей механической обработки, стоимость при равенстве свойств.
При проектировании отливки в первую очередь учитывают механические свойства сплава, основными из которых являются прочность и относительное удлинение. На рисунке 1.1, показано расположение современные материалы в соответствии с уровнями достигнутых показателей механических свойств.
Рисунок 1.1 Показатели прочности (у в ) и пластичности (д) различных литейных сплавов 1-серый чугун, 2-ковкий чугун, 3-высокопрочный чугун, 4-сталь углеродистая, 5-сталь легированная, 6-латунь, 7-бронза, 8-алюминиевый сплав, 9-магниевый сплав
Кроме прочности и пластичности имеет значение плотность, коррозионная стойкость, жаропрочность, износостойкость, стоимость.
Конструктор, проектирующий отливку при выборе сплава, обязан принимать оптимальное решение, учитывающее суперпозицию различных свойств материалов.
По мере роста технически достижений в области материаловедения и литейного производства повышается качество отливок, уровень их свойств.
Разработка новых составов сплавов преследует и другую цель — удешевление литейных материалов и, в целом, литейного производства, замену дорогостоящих марок сплавов более дешевыми. Как правило, это достигается заменой сплавов сложного состава на сплавы простого состава с дешевыми примесями, формирующими определенные свойства материалов.
В целом проблема создания сплавов с высоким уровнем свойств является наиболее актуальной в современном материаловедении и литейном производстве.
Решение этой проблемы путем введения сложных и дорогостоящих составов добавок не имеет большой перспективы. Наиболее реальный путь — это совершенствование структуры литых сплавов простых и дешевых составов. Решение проблемы таким путем реально и основной упор при этом делается на достижения физики твердого тела, исследования в области кристаллизации и структурообразования сплавов. Подробнее об этих направлениях речь пойдет в разделе «физико-химические и физико-механические основы формирования комплекса химических и технико-экономических характеристик изделий литейного производства».
Справка. Литейные материалы.
Чугуны . Для производства фасонных отливок применяют серые чугуны марок С410С445-11 марок; ковкие чугуны марок КЧ30-12 до КЧ80-1.5-6 марок; высокопрочные чугуны марок ВЧ35-12 до ВЧ100-1.5-? марок.
Структура градиента: в серых чугунах — пластинчатая, в ковких чугунах — хлопьевидная, в высокопрочных чугунах — шаровидная.
По микроструктуре чугуны подразделяются на:
белый — имеет в структуре ледебурит перлит (ЛП),
серый перлитный — имеет в структуре перлит графит (ПГ),
серый ферритный — имеет в структуре феррит графит (ФГ).
Кроме основных видов чугуна получают промежуточные структуры:
половинчатый — имеет в структуре ледсбурит перлит графит (ЛПГ),
перлито-ферритный — имеет в структуре феррит перлит графит (ФПГ).
Высокопрочный чугун имеет ферритную (Ф) или перлитную (П) структуру.
Получают высокопрочный чугун модифицированный магнием и ферро-силицием.
Ковкий чугун в зависимости от способа производства имеет ферритную (Ф) или перлитную (П) структуру.
Получают ковкий чугун путем длительного отжига белого чугуна.
Название «ковкий» — условно. Ковке такие отливки не подвергают.
Для малоответственных деталей (гайки, фланцы) применяют марки КЧ30-6, КЧ35-8 — с ферритной структурой. Для ответственных деталей автомобилей и сельхозмашин, работающих при динамических нагрузках (задний мост) и высоких статических (крючки тяг, подвесок) применяют марки КЧ37-12, КЧ38-10 — с ферритной структурой. Прочность перлитного чугуна выше, чем ферритного. Основные марки КЧ50-5, КЧ60-3, КЧ-63-2.
Стали — углеводистые марок 15Л55Л (феррито-перлитные), легированные стали — широкой номенклатуры — изготавливают детали газотурбинных двигателей, роторы, арматуру.
Алюминиевые сплавы, Медные сплавы, Магниевые сплавы, Титановые сплавы
4. Специальные технологические требования к литейным сплавам
литейный сплав литье технологический
Жидкотекучесть
Усадка — изменения (как правило уменьшение) объема и размеров отливки при ее затвердевании и последующем охлаждении. Величина усадки (в %) составляет для сплавов:
- а) чугуны — 0.91.3%;
- б) стали — 1.82.5%;
- в) медные сплавы — 1.52.5%;
- г) алюминиевые сплавы — 0.91.5%;
- д) магниевые сплавы — 1.01.6%;
е) титановые сплавы — 0,61,5%
Газопоглощение
Ликвация — неоднородность химического состава сплава по сечению отливки.
Различают два основных вида ликвации:
- внутрикристаллитная (дендритная) — характеризуется неоднородностью в пределах зерна (дендрита),
- зональная — характеризуется неоднородностью в различных зонах отливки.
5. Физико-химические основы формирования качества литых изделий
Основным процессом, лимитирующим литейные свойства, является кристаллизация. В жидком состоянии большинство металлов неограниченно растворяются друг в друге, образуя однофазный жидкий раствор.
Только некоторые металлы (Fe-Pb, Cu-Pb) практически нерастворимы в жидком состоянии и, отличаясь по плотности, образуют несмешивающиеся слои.
Переход сплава из жидкого состояния в твердое происходит в результате образования центров кристаллизации и последующего их роста в виде дендритов.
Для образования устойчивого зародыша необходимы флуктуации концентрации, то есть временно возникающие отклонения химического сплава в отдельных малых объемах жидкого раствора от среднего состава.
При кристаллизации чистых металлов состав отдельных малых объемов соответствует среднему, а смысл флуктуации заключается в отклонении термодинамической температуры малого объема от средней температуры жидкого расплава. В этом случае, при понижении температуры вероятным процессом становится процесс одновременного образования множества флуктуаций и, соответственно, образования множества зародышей твердой фазы. Такой процесс происходит при некоторой степени переохлаждения жидкого расплава называется гомогенной (самопроизвольной) кристаллизацией.
Чистые металлы как правило не обладают требуемым уровнем свойств, поэтому возникает необходимость получения сплавов, компоненты которого могут значительно отличаться по кристаллохимическим и термодинамическим свойствам.
Вследствие таких отличий, степени переохлаждения, необходимые для кристаллизации отдельных компонентов сплава могут значительно отличаться.
Возникает проблема совместной кристаллизации компонентов сплава, то есть при кристаллизации сплава становится вероятной ликвация, то есть образование химической неоднородности по сечению слитка. Преодоление проблемы ликвации является одной из важнейших в литейном производстве.
Наиболее эффективный путь решения задачи совместной кристаллизации сплава является получение эвтектики.
Эвтектика (легкоплавящаяся) — это структура, состоящая из определенного сочетания двух (и более) твердых фаз, одновременно кристаллизовавшихся из жидкого расплава при постоянной и самой низкой для данной системы температуре.
Эвтектики образуются во многих сплавах, в которых содержание легирующих элементов больше предельной растворимости в системе. Системы, в которых образуются эвтектики, изучены достаточно хорошо и представлены в виде справочных данных по диаграммам состояния. Наличие эвтектики в системе определяется в первую очередь химическим составом взаимодействующих компонентов.
Примеры систем с эвтектиками.
Fe-Fe 3 C, Fe-Mn, Al-Si, Al-Cu, Mg-Zn, Mg-Al-Zn-Mn,
Cu-Pb, Mg-Bi — присутствие этих систем в литейных сплавах затрудняет их обработку давлением.
Рассмотрим теперь физико-химические принципы управления литейными свойствами.
Академик А.А.Бочвар показал в своих работах, что существует определенная связь между диаграммой состояния и литейными свойствами.
Сплавы — твердые растворы, имеют низкие литейные свойства — плохая жидкотекучесть, склонность к трещинообразованию.
Для получения высоких литейных свойств концентрация элементов в литейных сплавах должна превышать их максимальную растворимость в твердом состоянии и приближаться к эвтектическому составу.
Эвтектические сплавы обладают хорошей жидкотекучестью, низкой склонностью к ликвации, усадка проявляется в виде концентрированной раковины.
Примечание: Сплавы в области однородных твердых растворов пластичны, в области эвтек-тики пластичность сильно снижается, то есть сплавы эвтектического состава отличаются высокой хрупкостью. Поэтому в деформируемых сплавах максимальная растворимость при эвтектической температуре является верхним пределом содержания компонента в сплаве.
