Технологія виготовлення литих заготовок

 

Вступ

Суть ливарного виробництва  полягає  в отриманні заготовок  чи деталей шляхом заливки розплавленого  металу заданого хімічного складу в  ливарну форму,  порожнина якої має конфігурацію заготовки чи деталі. При охолодженні залитий метал  твердне і зберігає конфігурацію порожнини форми. Литі заготовки (виливки) в подальшому піддають механічній обробці.

Литтям отримують виливки  як простої, так і складної конфігурації з потрібними порожнинами. Маса виливок  коливається від декількох грамів до декількох сотень тон.

Найважливішим завданням  ливарного виробництва є   отримання  виливок  які  за формою  і розмірами  наближаються  до готових  деталей, що суттєво скорочує обробку різанням.

В сучасному машинобудуванні  застосовують сплави на основі заліза: чавуни і сталі; міді: латуні і бронзи; алюмінієві сплави; магнієві сплави та інші.

Сплави вибирають в  залежності від вимог, що ставлять до деталей. Так наприклад деталі машин, які не несуть великих навантажень ( станини металорізальних верстатів, противаги, корпуси редукторів та інше) виливають із найдешевшого сплаву – сірого чавуну. Дрібні деталі автомобілів, тракторів, сільгоспмашин – з ковкого чавуну. Арматура, що працює в агресивних середовищах, вкладиші підшипників та інші виготовляють з мідних сплавів. Багато деталей автомобілів і деталі приладів до яких ставляться вимоги малої ваги, виготовляють з алюмінієвих і магнієвих сплавів.

Сплави одержують головним чином шляхом сплавлення різних металів  в рідкому стані звідки й походить їхня назва.

Сплави широко застосовуються в різних областях техніки, так як їх технологічні і експлуатаційні властивості часто кращі, ніж у металів. Так сталь і чавун ( сплави заліза з вуглецем) дешевші за залізо причому сталь має значно більшу міцність. Латунь ( сплав міді з цинком)  міцніша і дешевша за мідь, а бронза ( сплав міді з оловом, цинком, свинцем та іншими елементами) міцніша від міді. Силумін ( сплав алюмінію з кремнієм) міцніший від алюмінію. У більшості випадків сплави мають нижчу температуру плавлення, ніж метали, що полегшує їх виробництво, а також  виготовлення з них виливків.

Ливарні сплави  повинні  мати:

• низьку температуру плавлення: чим нижча температура плавлення сплаву, тим легше його розплавити і перегріти до необхідної температури заливання у форми;
• невелику усадку при затвердінні і охолодженні, що зменшує утворення в виливку усадочних раковин і ливарних напружень;
• незначну здатність ( у рідкому стані) до поглинання газів, що зменшує небезпеку утворення газових раковин;
• незначну ліквацію – неоднорідність за хімічним складом, що послаблює відмінність у властивостях окремих частин виливків;
• сприятливу кристалічну будову ( структуру), що забезпечує високі властивості виливків;
• низьку вартість і не містити дефіцитних елементів.

Поєднання цих властивостей дає можливість уникнути виникнення  ливарного  браку.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Ливарні сплави, вимоги і застосування.

До металів і сплавів, які використовуються для виготовлення виливок ставляться наступні вимоги:

• хімічний склад їх повинен забезпечувати отримання у виливці заданих  фізичних, фізико-механічних, фізико-хімічних властивостей;
• властивості  і структура повинні бути стабільними в процесі експлуатації виливки;
• володіти хорошими ливарними сплавами ( високою рідкотекучістю, невеликою усадкою, доброю герметичністю, малою схильністю до утворення тріщин і поглинання газів);
• легко оброблятися ріжучим, абразивним чи іншим інструментом і добре зварюватися;
• забезпечувати технологічність в умовах багатосерійного виробництва;
• відходи при виготовленні виливок повинні бути мінімальними.

Отже, необхідно вибирати сплав, який складається з дешевих і не дефіцитних компонентів, який потребує мінімальних затрат на виплавку. Високе практичне значення литих металевих сплавів визначається тим, що вони за деякими властивостями (міцності, твердості, оброблюваності різним інструментом) випереджають чисті метали.

Важливе місце в ливарному  виробництва займають сплави з особливими фізичними властивостями ( електропровідністю, магнітною проникливістю). Такі сплави виготовляють з найчистіших матеріалів в контролюючих атмосферах ( у вакуумі, захисній атмосфері),  у вузькому температурному інтервалі. Ці  сплави називаються прецизійними.

Значно підвищились  вимоги до сплавів з добрими фізичними, фізико-хімічними властивостями, наприклад  ядерна енергетика потребує матеріалів, які особливо стійкі до дії проникаючої реакції. Вони повинні володіти здатністю до синтезу атомних ядер. В металах і сплавах, які використовуються в супутникових космічних кораблях, необхідно дотримуватися комплексу оптимальних механічних і фізико-хімічних властивостей. Вони повинні зберігати міцність і пластичність при температурах 2000 - 2500° С, не допускаються  крихкість при температурах близьких до абсолютного нуля [1].

          Виливки широко використовуються  в усіх видах промисловості: зокрема в будівництві, харчовій промисловості, декоративному  мистецтві. Машинобудування споживає ~ 60% литва, металургія 15%, будівництво ~ 25%.

На долю залізних сплавів  припадає 90 – 98% литва: перше місце  займає чавун ( 75 – 80%), друге місце займає сталь ( 10 – 20%), третє – ковкий чавун ( 2 – 5%). Незважаючи на те, що виливки із сплавів на основі інших металів отримують в меншій кількості, їх роль в техніці дуже велика. Зокрема деякі властивості багатьох сплавів на основі кольорових металів зробили їх незамінними в точному машинобудуванні, приладобудуванні, ливарній техніці, атомній енергетиці.

До ливарних властивостей сплавів зараховують такі як: рідкотекучість, усадка, схильність до ліквації й до вбирання газів.

Рідкотекучість –  здатність розплавленого металу добре наповнювати  порожнину ливарної форми і точно відтворювати майбутнім виливком її конфігурацію. Рідкотекучість залежить від температури  й хімічного складу сплаву виливка. Зі зростанням температури рідкотекучість підвищується. Фосфор, Кремній  і Вуглець поліпшують рідкотекучість сталі, а сірка й неметалеві вкраплення погіршують її. Залежно від рідкотекучості того чи іншого сплаву вибирають мінімальну товщину стінок  виливка. Рідкотекучість вуглецевої сталі 25Л в два рази менше в порівнянні з рідкотекучістю сірих чавунів. Мала рідкотекучість сталі пояснюється відносно високим значенням в’язкості і поверхневого натягу при температурах розливки.

Рідкотекучість вуглецевої сталі в значній мірі залежить від вмісту в ній вуглецю. При  підвищенні вмісту вуглецю практична рідкотекучість ( вища від температури нульової рідкотекучості і температури ліквідус) зростає. Істинна рідкотекучість, яка визначається при однаковому перегріві нульової рідкотекучості, а нульова визначається моментом, коли метал перестає текти  знаходячись під статичним напором, в інтервалі ліквідус – солідус момент коли в’язкість різко зростає внаслідок утворення достатньої кількості твердої фази, знижується зі збільшенням вуглецю, оскільки перегрів Тнагр над Тліквідуса  зменшується  і рідкотекучість все більше  залежить від інтервалу кристалізації.

Усадка – це зменшення  розмірів виливка під час охолодження  від температури заливання аж до кімнатної.  На її значення впливають  хімічний склад і температура  заливання металу в форму. З підвищенням  температури заливання усадка  зростає. Розрізняють  лінійну та об’ємну усадку. Лінійна усадка чавунів з пластинчастим графітом становить  - 1,0 … 1,3%, сплавів алюмінію – 1,0 … 1,4% , сплавів магнію – 1,1 … 1,3%, сталі - ~ 2%.  Лінійну усадку враховують, призначаючи розміри  моделей і стержневих  ящиків.  Стінки  форми і,  особливо, стрижні в певній мірі гальмують усадку, що є причиною виникнення у виливках напружень. Ці напруження можна істотно зменшити, застосовуючи піддатливі формові та стрижневі суміші. Нерівномірне охолодження від виливки може призвести до її викривлення. Об’ємна усадка  і неодночасна кристалізація металу на поверхні та в глибині виливки ведуть до утворення внутрішніх порожнин. Щоб цього не допустити застосовують раціональну ливникову систему, а в окремих випадках  над виливкою передбачають масивні додатки, що заповнюють розплавлене металом усадку порожнину утворювану в середині  виливки.

Усадка в рідкому  стані визначається коефіцієнтом об’ємного  стиску αж і величиною перегріву над температурою плавлення. Для вуглецевої сталі в рідкому стані коефіцієнт об’ємного стиску складає 1,5 * 10 -4 [2].  Цей коефіцієнт збільшується на 20% при збільшенні вуглецю на 1%.

Зміна об’єму сталі при  кристалізації визначається величиною стиску при переході в твердий стан і величиною усадки  в інтервалі ліквідус – солідус. Зі збільшенням вуглецю збільшується інтервал кристалізації, а відносно збільшується і усадка.

Збільшення об’єму виливки  вуглецевої сталі в твердому стані  складає 7,2 – 7,5%, а лінійних розмірів 2,4 – 2,5%. Ливарна усадка тонкостінних виливок складної конфігурації складає 1,25 – 1,5%, товстостінних 2,0 – 2,3%.

Ліквація – неоднорідність  хімічного складу сплаву, що виникає  під час кристалізації. Найбільш схильні до ліквації сірка, фосфор і вуглець. Ліквація може істотно впливати на механічні властивості металів. Розрізняють дендритну і зональну ліквацію. Дендритна ліквація є наслідком того, що сплави тверднуть в інтервалі температур, тому склад кристалів, які утворилися першими, і тих, що утворилися пізніше буде різними, а дифузія не встигає за браком часу. Цю ліквацію можна усунути дифузійним відпалюванням.

Зональна ліквація виникає  внаслідок розподілу лікваційних  елементів по перерізу стінки виливка в умовах  довільного твердіння при недостатній швидкості охолодження. Так тонкі стінки виливка будуть  чисті й однорідні за складом, у той час як товсті стінки ( особливо середина перерізу) будуть мати ліквацію. У крупних виливках  із сталі різниця вмісту елементів ( сірка, фосфор і вуглець) становить: сірка – 500%, фосфор і вуглець – 300%, що дуже позначається на міцнісних властивостях. Зональну ліквацію не можна усунути термічною обробкою, тому якщо немає можливості зробити виливок  рівностінним, то слід застосовувати спрямоване затвердівання виливка.

Газовбирання – властивість  сплавів у рідкому стані розчиняти  з повітря кисень, азот та водень, які під час охолодження в  ливарній формі виділяються і  можуть утворити виливку в газові раковини. Тому формова та стрижнева  суміш повинні бути газопроникними.

Отже, технологічні ливарні  сплави повинні мати хорошу рідкотекучість, малу осадку і не утворювати ліквацію [3].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Характеристика ливарного сплаву (сталі 15Л)

Виробництво фасонних деталей методом лиття  із різноманітних сталей широко розповсюджується в металургії, транспортній, енергетичній та інших галузях машинобудування. Маса виливок від кількох грам до 200 тонн і більше.

Відливки отримують  литтям у земляні і металеві(кокілі) форми або методом точного литва.

Хімічний склад і механічні властивості сталі для виливок 15Л регламентується ГОСТом 977 – 88 і технічними умовами заводів.

 

Таблиця 1. Хімічний склад сталі 15Л

 

C,%	Mn,%	Si,%	S,%	P,%
0.12-0.2	0.45-0.9	0.20.52	до 0,06	до 0,06

 

 

 

Таблиця 2. Механічні властивості  виливок із вуглецевої сталі 15Л після термічної обробки.

 

Режим термічної обробки	sт, МПа	sВ, МПа	δ, %	Ψ, %	КСU, Дж/см²	Твердість НВ,МПа
	Не менше
Нормалізація 910 – 930◦С , відпуск 670 - 690◦С (товщина стінок до 100 мм)	200	400	24	35	50	109-136

 

 

 

Таблиця 3. Температури критичних точок матеріалу 15Л

Ac1	Ac3(Acm)	Ar3(Arcm)	Ar1
735	863	840	685

 

Виливки піддають нормалізації і відпуску для зняття залишкових напружень, покращення оброблюваності різанням, підвищення механічних властивостей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Деталь

Методи отримання заготовки  з  одночасним вибором  прийомів покращення властивостей матеріалу  вибирає конструктор виробу. Вихідні  дані для своєї роботи він отримує  від технолога – ливарника, який організовує і координує всі  технологічні розроблення. При цьому забезпечується технологічність литих деталей, тобто спрощення їх виливки та механічної обробки, що передбачає виконання таких умов [4]:

• переходи  і кути спряження стінок повинні бути плавними від тонких перерізів до перерізів великої товщини ( відношення товщини стінок при переході одного перерізу до іншого повинно бути не більше ніж  4:1);
• гострі кромки литих отворів та вікон повинні бути окантовані ( відбортовані), щоб запобігти утворенню тріщин і надривів;
• внутрішні порожнини литих деталей слід виконувати без стрижнів – відкритими;
• ребра жорсткості слід розміщати в площині рознімання форми, або перпендикулярно до неї для полегшення вилучення моделі з форми;
• стінкам литих деталей необхідно надавати рівномірні перерізи для уникнення утворення усадочних раковин, пористостей та інших дефектів;
• деталі повинні мати  компактну конфігурацію і, за можливістю, невеликі габарити;
• коли на поверхні деталі є виступи, то їх слід розміщати на одному рівні для того, щоб вони оброблялися ріжучим інструментом в одних проходах.