ЛИТЬЁ ПОД РЕГУЛИРУЕМЫМ ДАВЛЕНИЕМ

Рассмотренные ранее процессы литья под высоким давлением практически не позволяют регулировать величину давления на расплав, поэтому литейщики создали специальные способы литья под регулируемым давлением, получившие название:

1. Литьё под низким давлением.

2. Литьё вакуумным всасыванием.

3. Литьё под низким давлением с противодавлением.

Во всех случаях давление на расплав осуществляется воздухом или газом, что дает широкие возможности управления заполнения формы расплавом. Чаще всего при этом литейная форма соединена металлопроводом с расплавом, находящимся в герметичной камере.

При литье под низким давлением в камеру подают сжатый газ под избыточным давлением Р_изб до 0.1 МПа, который оказывает воздействие на поверхность расплава и вытесняет его по металлопроводу в полость формы. Расплав за счет разности давлений заполняет форму до необходимого уровня (рис. 2.50, а).

При литье вакуумным всасыванием герметизируют только форму, в которой создают вакуум величиной Р_атм - Р. При этом камеру соединяют с атмосферой и заполнение формы происходит за счет разницы давлений. Можно вообще исключить герметизацию камеры (рис.
2.50, б).

При литье с противодавлением в обеих герметичных камерах создают в начале одинаковое избыточное давление Р - Р_атм. Затем подача воздуха в камеру 4 прекращается, а в камеру 3 продолжается, что приводит к повышению давления в ней. Тогда расплав будет подниматься по металлопроводу вследствие разницы давлений. Того же результата можно достичь понижая давление в камере 4 и оставляя постоянным давление в камере 3 (рис. 2.50, в).

Литьë под регулируемым давлением позволяет заполнять формы тонкостенных отливок, изменить продолжительность заполнения отдельных участков формы для отливок сложной конфигурации с переменной толщиной стенки с целью управления процессом теплообмена расплава и формы, добиваясь рациональной последовательности затвердевания отдельных частей отливки.

ЛИТЬЁ НАМОРАЖИВАНИЕМ

Суть одного из вариантов этого метода в заполнении из емкости 1, как правило открытой формы 3, не имеющей питателя и коллектора, расплавом 2, выдержки его в форме для образования затвердевшей корочки 4 необходимой толщины с последующим выливом не затвердевшего расплава в емкость 1, например, при еë повороте на 180° (рис. 2.51).

Здесь только наружная поверхность отливки находится в контакте с формой, а внутренняя поверхность образуется после удаления не затвердевшего расплава. Применяют для получения тонкостенных отливок, где выход годного достигает 100 % из-за отсутствия литниковой системы.

ЦЕНТРОБЕЖНОЕ ЛИТЬЁ

При этом методе литья заполнение формы расплавом и его затвердевание происходит в поле действия центробежных сил. При этом расплав центробежной силой прижимается к стенкам формы, что обеспечивает получение плотных с повышенной прочностью отливок, так как газы и шлак, обладающие меньшей плотностью, в результате сепарации вытесняются во внутренние полости отливки и затем их удаляют механической обработкой. Ось вращения формы может быть горизонтальной, вертикальной и наклонной. Чаще всего этим методом изготовляют отливки тел вращения, но можно получать и более сложные фасонные отливки. Если диаметр отливки значительно меньше ее длины (трубы, гильзы, втулки), то ось вращения формы размещают горизонтально. Если же диаметр отливки больше, чем ее высота, то ось вращения вертикальна. В обоих случаях ось вращения формы совпадает с осью отливки и внутренняя полость получается без стержней, а толщина стенки отливки определяется количеством заливаемого расплава (рис. 2.52, а, б, г).

При изготовлении мелких фасонных отливок ось вращения формы может не совпадать с осью отливки. В этом случае внутренние полости образуют с помощью стержней, а расплав заливают в центральный общий стояк, из которого по радиально расположенным питателям он попадает в полость формы, такой способ называется центрифугированием (рис. 2.52, в).

При получении тел вращения отсутствуют стержни, операции и оборудование для их изготовления; отсутствие литниковых систем и прибылей экономит металл. Наибольшее распространение этот способ получил при литье чугунных труб (рис. 2.52, г). Металлическая форма 3, установленная на центробежной машине, вращается электродвигателем 1 и охлаждается водой. Машина передвигается по рельсам, имеющим уклон 2 … 5^о. Расплав из ковша 5 по неподвижному желобу 4 попадает в форму, которая по мере заполнения расплавом перемещается влево. В крайнем левом положении форма продолжает вращаться
до полной кристаллизации металла. Затем форма возвращается в исходное положение вправо, а труба вместе со стержнем 2 (образующим раструб трубы) удаляется из формы клещами влево. Помимо труб этим способом отливают втулки, гильзы автотракторных двигателей, заготовки для поршневых колец, шестерни, орудийные стволы, а также получают двухслойные биметаллические отливки, поочередно заливая форму различными сплавами.

СУСПЕНЗИОННОЕ ЛИТЬЕ

Способ получения отливок, называемый суспензионным литьем (рис. 2.53), состоит в том, что при заполнении литейной формы (либо после заполнения, либо до него) снимается перегрев жидкого металла благодаря внутренним теплостокам, а во всем объеме расплава создаются дополнительные активные центры кристаллизации, инокулирующее воздействие которых проявляется в увеличении скорости и развитии преимущественно объемного затвердевания и диспергировании структуры литого металла. Различают два вида суспензионной разливки: эндогенную и экзогенную

Эндогенную суспензионную разливку осуществляют, инициируя с помощью различных технологических приемов (перемешивания, вибрации, электро-импульсной или ультразвуковой обработки и т. д.) образование в расплаве дополнительных активных эндогенных центров кристаллизации (например, обломков образующих кристаллитов). Технологию литья, в соответствии с которой в пресс-форму машины заливают после интенсивного перемешивания сплав в жидкотвердом состоянии, называют реолитьем. Тиксолитье предусматривает использование квазитвердых заготовок, которые становятся пластичными и жидкоподвижнымн при наложении давления.

Экзогенную суспензионную разливку на практике осуществляют введением в жидкий металл при заливке форм 1 … 5% порошкообразных добавок (дисперсных инокуляторов) с размером частиц 0,5 … 3 мм. В качестве дисперсных инокуляторов применяют стальную и чугунную дробь, гранулы различных металлов, ферросплавов или лигатур, железный порошок. Различные виды суспензионной разливки не являются конкурирующими а, наоборот, при совместном комплексном использовании увеличивают эффективность способа и расширяют область применения технологии.

Эффективность затравок эндо- и экзогенного происхождения во многом определяется степенью структурного и размерного соответствия примеси (либо ее поверхностного слоя) с кристаллизующейся фазой (принцип П. Д. Данкова). Инокулирующий эффект, проявляющийся в измельчении кристаллической структуры металла, наблюдается и в том случае, если нерастворимые примеси не обладают структурным сходством с данным веществом.

Суспензионное литье позволяет обеспечить:

– снижение внутрицехового брака по литейным дефектам на 30 … 50% благодаря повышению качества отливок

– сокращение объемов прибылей на стальных отливках на 20 … 30%, что обеспечивает увеличение выхода годных изделий на 5 … 10%;

– увеличение выхода годных изделий в результате введения 2 … 3% дроби;

– снижение трудоемкости работ по исправлению дефектов по горячим трещинам на 25 … 50%;

– снижение брака по пригару на 25 … 30%, что обеспечивает уменьшение трудоемкости работ по обработке и очистке отливок на 10 … 15%;

– сокращение времени выдержки отливок в форме на 15 … 20%, что соответственно увеличивает производительность заливочных участков;

– повышение физико-механических и специальных свойств, приводящее к увеличению срока службы литых деталей на 10 … 20%.

ЛИТЕЙНЫЕ СПЛАВЫ

ПОНЯТИЕ О ЛИТЕЙНЫХ СПЛАВАХ

В машиностроении для изготовления деталей машин чаще всего используют не чистые металлы, а их сплавы, которые получают сплавлением двух или нескольких металлов и неметаллов. Сплавы часто превосходят чистые металлы по ряду свойств: прочности, твердости, жидкотекучести, обрабатываемости режущими инструментами и т. д. Они имеют более низкую температуру плавления, объёмную и линейную усадку.

Все литейные сплавы делят на черные и цветные. К черным относят сплавы на основе железа (стали, чугуны), а к цветным относят сплавы на основе меди (бронзы, латуни), алюминия (силумин, дюралюминий, магналий), магния, титана, вольфрама, молибдена, ниобия и др. Литейные сплавы, в отличие от других сплавов, например, для получения поковок, должны иметь повышенную жидкотекучесть и, по

возможности, малую линейную и объемную усадки. Наиболее высокой жидкотекучестью обладают силумины, бронзы, кремнистая латунь, серый чугун, цинковые и оловянные сплавы; средней - углеродистые и низколегированные стали, белый чугун, латуни (кроме кремнистой), дюралюмины; более низкой - магниевые сплавы, высоколегированные стали.

Наибольшей литейной усадкой обладают легированные стали (более 2,5%), алюминиевые бронзы (1,7 … 2,5%), углеродистые стали (~2%); средней – литейные латуни (1,5 … 1,8%), оловянные бронзы (1,4 … 1,6%), белые чугуны (~1,5%); наименьшей – серые чугуны (около 1%).

Кроме этого сплавы в зависимости от химического состава различаются температурой плавления, химической активностью, вязкостью в расплавленном состоянии, прочностью, пластичностью и другими свойствами. Выбирая сплав для отливки, необходимо учитывать его свойства и стоимость. Если принять стоимость отливки из серого чугуна за 100%, то стоимость отливки из ковкого чугуна составит ~130%, из стали - ~150%, из цветных сплавов 300 … 600%. Поэтому в машиностроении изготовляют около 73,5% отливок из чугуна, около 22,4% из стали и остальное из цветных сплавов.

ЛИТЕЙНЫЕ СВОЙСТВА СПЛАВОВ

Не все сплавы в одинаковой степени пригодны для изготовления фасонных отливок. Так, например, из серого чугуна и силумина можно легко изготовить отливку сложной конфигурации, а из титановых сплавов, легированных сталей это сделать труднее, так как у последних хуже литейные свойства. К ним относят жидкотекучесть, усадку сплавов, склонность к образованию трещин, газопоглощение и ликвацию.

Жидкотекучесть - способность расплава течь по каналам литейной формы, заполнять её полости и четко воспроизводить контуры отливок. При хорошей жидкотекучести расплав заполняет всю полость формы, какой бы сложной она ни была, а при недостаточной - заполняет частично, образуя недоливы в узких сечениях отливки. Жидкотекучесть зависит от химического состава, температуры расплава, теплопроводности материала форм и др. Так, в черных сплавах углерод, фосфор и кремний улучшают её, а сера и хром ухудшают. Из-за повышенного содержания углерода и кремния жидкотекучесть чугуна выше, чем стали. Повышение температуры расплава увеличивает жидкотекучесть всех сплавов. Чем выше теплопроводность материала формы, тем быстрее отводится теплота от расплава, тем ниже его жидкотекучесть. Неметаллические включения в расплаве также снижают его жидкотекучесть. Жидкотекучесть сплава определяет минимальную толщину стенок отливки. Так, при изготовлении отливок из серого чугуна в песчаных формах она составляет для мелких отливок 3 … 4 мм, для средних – 8 … 10 мм, для крупных – 12 … 15 мм, а из стали – 5 … 7 мм, 10 … 12 мм, 15 … 20 мм, соответственно. По ГОСТ 16438-70 жидкотекучесть сплава определяют технологической пробой в виде спирали, по залитой длине которой судят о его жидкотекучести.

Усадка- свойство металлов и сплавов уменьшать объём и линейные размеры отливки при охлаждении расплава, его затвердевании и охлаждении до температуры окружающей среды. Усадка зависит от химического состава сплава, температуры заливки, конфигурации отливки и других факторов. Различают объёмную и линейную усадку, выражаемые в процентах. Объёмная усадка является причиной усадочных раковин и пористости в массивных частях отливки, так как они затвердевают последними и для них не хватает расплава. Образование усадочных раковин предупреждают применением прибылей или холодильников (рис. 2.54).

Линейная усадка сопровождается уменьшением линейных размеров при охлаждении затвердевшей отливки, что влияет на её размерную точность, поэтому усадку учитывают при изготовлении модели, увеличивая её размеры по сравнению с отливкой на величину усадки соответствующего сплава. Из-за неравномерного охлаждения частей отливки разной толщины и торможения её усадки литейной формой в ней возникают напряжения. При затвердевании и охлаждении температура в толстых частях выше, чем в тонких или снаружи, поэтому усадка в различных частях не одинакова, но так как части отливки связаны между собой и не могут изменять свои размеры независимо друг от друга, то в ней возникают напряжения, которые могут вызвать трещины или коробление. Для уменьшения напряжений в отливках предусматривают равномерную толщину стенок, плавные переходы, устраняют элементы, затрудняющие усадку сплава, а также применяют формы и стержни повышенной податливости. Трещинам и короблению особенно подвержены отливки из углеродистых и легированных сталей, магниевых и некоторых алюминиевых сплавов.

Газопоглощение- это способность расплава растворять газы: кислород, водород, азот. Как правило, это плохо, причем их растворимость растет с перегревом расплава. При затвердевании и последующем охлаждении растворимость газов уменьшается, и они, выделяясь из расплава, могут образовать в отливке газовые раковины и поры, поэтому форма должна иметь хорошую газопроницаемость. Растворимость газов зависит от химического состава сплава, температуры заливки, вязкости расплава и свойств литейной формы. Для уменьшения газонасыщенности сплавов их плавят и заливают в вакууме или в среде инертных газов. Применяют и другие меры.

Ликвация- неоднородность химического состава сплава в различных частях отливки. Различают зональную и дендритную ликвации. Зональная ликвация - это химическая неоднородность в объеме отливки, а дендритная - в пределах одного зерна (дендрита). Неоднородность химического состава и структуры по сечению приводит к неоднородности механических свойств отливки. Для уменьшения ликвации увеличивают скорость охлаждения отливки, что уменьшает дендриты (зерно). Ликвация зависит от химического состава сплава, конфигурации отливки и других факторов.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Механические свойства характеризуют состояние сплавов при воздействии внешней нагрузки, которая создает в сплаве напряжения, равные отношению нагрузки к площади сечения испытуемого образца. К основным механическим свойствам относят прочность, пластичность, ударную вязкость, усталостную прочность, твердость и износостойкость.

Прочность - способность материала сопротивляться деформированию или разрушению под действием статических или динамических нагрузок. При статических нагрузках производят испытания на растяжение, сжатие, изгиб и кручение.

Наиболее распространено испытание при одноосном растяжении, так как его результаты довольно легко анализируются и позволяют по одному опыту определить несколько характеристик материала, являющихся критерием его качества и необходимых для конструкторских расчётов. Испытание проводится в соответствии с ГОСТами на образцах разных размеров (рис. 2.55, а) при медленном нагружении на специальных машинах с автоматической записью результатов в виде диаграммы растяжения в координатах: нагрузка Р – деформация (удлинение) образца Δl=l_к-l₀,,

где l₀, l_к – длина образца до и во время нагружения вплоть до разрыва.

На рис. 2.56, а показана классическая условная диаграмма растяжения малоуглеродистой стали, на которой прямолинейный участок ОА характеризует упругие свойства материала, когда при снятии нагрузки удлинение образца Δl=0, т. е. растянутый образец вновь приобретает длину l₀. На участке ОА до наступления напряжения σ_пц=Р_пц/F₀, называемого пределом пропорциональности, деформации увеличиваются пропорционально напряжениям, и сохраняет силу закон Гука σ=εЕ. Здесь F₀ – первоначальная площадь сечения образца; Е – модуль упругости конкретного материала; ε –относительное удлинение ε=Δl/l₀. Это изображают в других координатах напряжение σ – удлинение ε (рис. 2.56, б). Зависимость σ=f(ε) позволяет сравнивать результаты испытания образцов различных размеров из одинакового материала или из разных материалов на одинаковых образцах.

При дальнейшем нагружении удлинение образца происходит при постоянной нагрузке Р_Т, что обусловлено текучестью пластичного материала (участок текучести АВ). Предел текучести определяется как σ_т=Р_Т/F₀ (рис. 2.56, а, б). При этом на образце появляются косые линии Чернова-Людерса и матовый оттенок.

Если продолжать нагружение образца, то после стадии текучести наступает стадия упрочнения (кривая ВС), когда материал вновь сопротивляется возрастающим усилиям. При максимальной нагрузке Р_max начинает образовываться местное сужение поперечного сечения – шейка. Поэтому сопротивление растяжению уменьшается и кривая СD диаграммы идёт вниз. Точка D соответствует разрушению образца при нагрузке Р_разр., которая меньше Р_max. Напряжение в образце при нагрузке Р_max называют временным сопротивлением σ_в=Р_max/F₀ или пределом прочности и используют в расчётах.

Особо отметим, что истинное напряжение при разрыве образца, определяемое как σ_ист=Р_разр./F_l на истинной диаграмме растяжения, может в 2 … 3 раза превышать предел прочности σ_в (штриховая линия и точка D’ на рис. 2.56, б). Здесь F_l – минимальная площадь в поперечном сечении шейки образца, которая меньше площади F₀ .

Кроме того, ряд материалов при растяжении даёт диаграмму без выраженной площадки текучести, а на образце не заметно образование шейки. На рис. 2.56, в приведён пример таких диаграмм. Для этих материалов (дуралюмин, бронза, высокоуглеродистые и легированные стали и др.) вместо предела текучести σ_Т применяют условный предел текучести σ_0,2 . Он определяется как величина напряжения, при котором остаточная деформация равна ε_0,2=0,002 (или 0,2%).

Способность материалов разрушаться при незначительных остаточных деформациях (до 2 … 5%) называется хрупкостью. К хрупким материалам относят чугун, высокоуглеродистую, инструментальную сталь, стекло- и углепластик и др.

Одновременно с прочностью при растяжении определяют пластичность - это способность металла получать остаточное изменение формы и размеров без разрушения. Пластичность обычно оценивают относительным удлинением образца: δ=(l_к-l_о)·100% / l_о, где l_о, l_к -длина образца до и после разрыва, мм.

Прочность при ударных нагрузках определяют путем разрушения образцов сечением F ударом массивного маятника весом Р и характеризуют ударной вязкостью КС – отношением затраченной на излом образца работы А к площади сечения образца F в месте излома: КС=А/F, [Дж/м²]. Таким образом, ударная вязкость - это способность материала поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения под действием ударной нагрузки (рис. 2.55, б).

Твердость- способность материала сопротивляться проникновению в него другого тела, например конуса, призмы или шарика. Наиболее распространён метод Бринелля, при котором число твёрдости НВ определяют из отношения приложенной нагрузки Р к поверхности отпечатка шарика F_от: HB=P/F_OT [H/м²] (рис. 2.55, в)

Износостойкость- способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения.