Ливарне виробництво та його значення для народного господарства

Лекція 2.3 Основи технології ливарного виробництва та обробка металів тиском. Поняття про порошкову металургію. Основні види порошкових матеріалів

Мета: Ознайомити студентів із значенням ливарного виробництва та порошкових матеріалів у народному господарстві, технологією та технологічним обладнанням; спеціальними видами лиття; із значенням та обробкою металів тиском, основними положеннями теорії такої обробки, впливом пластичної деформації на структуру та властивості металу; технологічним процесом виготовлення та основними характеристиками найбільш поширених порошкових матеріалів.

2 Основи виробництва відливок. Ливарні властивості сплавів.

3 Способи виготовлення відливок. Класифікація та характеристика різновидностей ливарних форм.

4 Характеристика способів лиття (в кокілі, під тиском, відцентрового лиття, по моделях, в оболонкові форми).

5 Поняття про обробку металів тиском та його значення в народному господарстві.

6 Переваги обробки металів тиском перед іншими способами обробки металів.

7 Поняття про пластичну деформацію металів та її вплив на структуру і властивості оброблювального металу.

8 Характеристика основних видів обробки металів тиском: прокатування, волочіння, пресування, кування, штампування.

9 Температурний інтервал гарячої обробки металу тиском.

10 Порошкова металургія конструкційних матеріалів: особливості технології, переваги та недоліки виробів порошкової металургії.

Рекомендована література

[2. с. 80 –173, 174 –265; 4. с. 129 – 198, 199 – 249, 310 – 317; 6. с. 133 – 142, 211 – 225, 225 – 243; 7. с. 49 – 102, 102 – 148; 8. с.... ]

Ливарне виробництво та його значення для народного господарства. Для одержання заготовок деталей найважливіша роль належить ливарному виробництву. Ливарний – відносно дешевий спосіб виготовлення деталей. Це пояснюється тим, що ливарним способом можна отримати деталі масою від кількох грамів до сотень тон з товщиною стінки 0,5...5000 мм, з розмірами від кількох міліметрів до десятків метрів, самої складної форми, яку не можна отримати іншими способами із різних сплавів (пластичних або крихких). Ливарним способом можна отримати заготовку максимально наближену по формі до готової деталі, що значно скорочує витрати металу і об’єм механічної обробки.

Суть ливарного виробництва полягає в тому, що фасоні деталі (заготовки) одержують заливкою рідкого металу у ливарну форму, порожнина якої відповідає їх розмірам та формі. Після кристалізації металу литу деталь (заготовку), що зветься відливкою, видаляють із ливарної форми і в разі необхідності піддають механічній обробці.

Основи виробництва відливок. Ливарні властивості сплавів. Для одержання відливок в машинобудуванні найбільш широко використовуються: сірі, ковкі та високоміцні чавуни; вуглецеві та леговані сталі; сплави кольорових металів на основі алюмінію, міді, титану та ін.

Для одержання якісної відливки ливарні сплави повинні володіти певними технологічними властивостями: рідкотекучість, усадка, ліквація, газопоглинання.

Рідкотекучість – здатність рідкого металу повністю заповнювати всі щілини порожнин ливарної форми і чітко відтворювати контур відливки.

Усадка – зменшення об’єму металу і лінійних розмірів відливки в процесі її кристалізації і охолодження в твердому стані.

Ліквація – неоднорідність хімічного складу сплаву по перерізу відливки. Розрізняють зональну і дендритну ліквації. Зональна ліквація створює хімічну неоднорідність в об’ємі всієї відливки, а дендритна – в межах одного зерна.

Газопоглинання – здатність ливарних сплавів в рідкому стані розчиняти кисень, азот і водень, розчинність яких зростає з перегрівом розплаву.

Способи виготовлення відливок. Класифікація та характеристика різновидностей ливарних форм. Сучасне ливарне виробництво має в своєму розпорядженні наступні способи виготовлення відливок: у піщано-глинистих формах, у металевих формах, під тиском, за виплавляємими моделями, в оболонкових формах, відцентровим литтям, електрошлаковим литтям, під низьким тиском вакуумним всмоктуванням, рідкою штамповкою тощо. Галузь використання цих способів визначається багатьма факторами: типом виробництва, масою відливок, точністю і чистотою поверхні відливок ливарними властивостями сплавів та ін.

Різновидності ливарних форм для одержання відливок розрізняють за різними ознаками: терміном служби, технологією виготовлення, станом перед заливкою та ін.

Разові форми виготовляють із піщано-глинистих. Піщано-смоляних формотворних сумішей, і служать вони для одержання тільки однієї відливки. До них належать також нерозбірні форми, виготовлені за виплавляємими моделями. Після заливки разову форму руйнують для звільнення затверділої відливки.

Багаторазові розбірні форми виготовляють із шамоту, азбесту, цементу та інших вогнетривких матеріалів.

Багаторазові форми (кокілі) виготовляють металевими: із чавуну, сталі інколи із мідних та алюмінієвих сплавів. Термін служби кокілю залежить від температури плавлення сплаву. В одному кокілі можна виготовити кілька сотень відливок із сталі, до кількох тисяч відливок із чавуну, і до сотень тисяч із сплавів кольорових металів. Із-за високої вартості кокілі використовуються тільки в серійному виробництві.

Характеристика способів лиття (в кокілі, під тиском, відцентрового лиття, по моделях, в оболонкові форми). Способи одержання відливок різноманітні. Розглянемо деякі з них.

Лиття в кокілі полягає в тому, що замість разової піщано-глинистої форми використовують металеву форму, що зветься кокілем. Кокілі, володіючи майже в 60 разів більш високу теплопровідність, забезпечують дрібнозернисту структуру відливок, що підвищує їх міцність. За конструкцією кокілі розрізняють нерозбірні витряхні та розбірні горизонтальні і вертикальні.

Сутність лиття під тиском полягає в тому, що рідким металом примусово заповнюють металеву прес-форму під тиском, який підтримується до повної кристалізації відливки. Тиск забезпечує швидке і добре заповнення форми, високу точність і малу шорсткість поверхні відливки.

Сутність відцентрового лиття полягає в тому, що рідкий метал заливають у ливарну форму, що обертається з певною швидкістю. Ливарна форма обертається протягом всього часу кристалізації металу відливки. При цьому метал відцентровою силою притискується до стінок форми, що забезпечує одержання щільних відливок з підвищеною міцністю в наслідок витіснення шлаку у внутрішню порожнину.

Лиття відливок за виплавляємими моделями полягає в тому, що за нерозбірною легкоплавкою моделлю виготовляють нерозбірну разову форму. Моделі з цієї форми виплавляють, а порожнину, що утворилася, заливають рідким металом. При цьому одержують відливки настільки точні, що інколи відпадає необхідність механічної обробки і в 1,5...2,0 рази зменшуються витрати металу. Використовують цей спосіб литва для виготовлення відливок дуже складної форми з будь-яких ливарних сплавів.

Сутність метода одержання відливок литтям в оболонкові форми полягає в тому, що разову ливарну форму виготовляють у вигляді оболонки, використовуючи для формованої суміші в якості матеріалу, що пов'язує, фенольні термореактивні смоли, які міцно цементують кварцовий пісок, як наповнювач. Застосовують цей метод для масового виробництва фасонних мілких і середніх відливок із різних сплавів.

Поняття про обробку металів тиском та його значення в народному господарстві. Обробкаметалівтиском заснована на використанні однієї з основних властивостей металів – пластичності, тобто на їх здатності в певних умовах сприймати під дією зовнішніх сил залишкову деформацію без порушення цілісності матеріалу заготовки. Така обробка застосовується лише до металів достатньо пластичних.

Розрізняють наступні основні способи обробки металів тиском: прокатка, волочіння, пресування, вільна ковка, штамповка об’ємна і листова.

Переваги обробки металів тиском перед іншими способами обробки металів. Обробка металів тиском використовується давно, але її можливості далеко не вичерпані. Обробкою тиском виготовляють із металів напівфабрикати, деталі і вироби різної маси, розмірів і форми.

Процеси обробки металів тиском відрізняються високою продуктивністю, економною витратою металу порівняно з ливарним виробництвом і механічною обробкою. Крім того, обробка тиском покращує механічні властивості литого металу. Тому обробці металів тиском піддають біля 90 % всієї сталі, що виплавляється, і більше 50 % кольорових металів.

Поняття про пластичну деформацію металів та її вплив на структуру і властивості оброблювального металу. Пластична деформація полягає у переміщенні атомів відносно один одного на відстані більше ніж відстані між атомами із одних рівноважних положень в нові. При цьому не порушується суцільність, але змінюється структура і властивості металу.

Найбільшою пластичністю володіють чисті метали. На величину і характер деформації впливають компоненти, що входять до складу сплавів, тому їх пластичність зменшується порівняно з чистими металами. З підвищенням вмісту вуглецю в сталі пластичність зменшується і при вмісті вуглецю більше 1,5 % сталь насилу піддається куванню. Суттєво вливає на пластичність сталі кремній, який знижує її.

Впливає на пластичність металу і температура. З підвищенням температури нагрівання пластичність металів звичайно зростає, а міцність зменшується. Разом з тим у вуглецевих сталях при температурах 100...400 ^оС пластичність зменшується, а міцність зростає. Цей інтервал температур називають зоною крихкості. Фактором впливу на пластичність металу є також швидкість деформації – зміна ступеню деформації ε в одиницю часу (dε/dt).

Звичайно механічні властивості металів визначаються при швидкостях деформування до 10 мм/с. Загалом із зростанням швидкості деформації пластичні падає.

Важливо, що в процесі пластичної деформації в металі виникають головні напруги, які діють у трьох напрямках і також являються фактором впливу на пластичність металу.

Зміна структури литого металу при деформації. Структура литого металу заготовок неоднорідна. Основу її складають зерна первинної кристалізації (дендрити) різних розмірів і форми, на границях яких утворюються неметалеві включення, а також існують пори і газові бульбашки. Висока ступінь деформації при високій температурі викликає подрібнення зерен, а також часткове заварювання пор.

В процесі деформації зерна і міжкристалічні прошарки витягуються у напрямку найбільшої деформації, цим самим впливаючи на механічні властивості металу (виникнення анізотропії властивостей).

Характеристика основних видів обробки металів тиском: прокатка, пресування, волочіння, кування, штампування.

Прокатка – це обтискання металу обертаючими валками. Прокаткою одержують вироби з постійним по довжині поперечним перерізом (прутки, рейки, листи, труби, балки). При прокатці схема головних напруг відповідає об’ємному обтисканню з максимальною напругою у напрямку тиску валків.

Пресування полягає у продавлюванні нагрітого металу, що знаходиться в замкнутому об’ємі, через отвір у матриці. Форма і розміри поперечного перерізу видавлюваних прутків відповідає формі і розмірам цього отвору.

Волочіння представляє собою протягування заготовки через отвір у волочильній матриці (у волоці). Волочінням одержують тонкі сорти дроту, калібровані прутки, тонкостінні труби.

Кування - процес деформування нагрітої заготовки між бойками молота або преса. Зміна форми і розмірів заготовки досягається послідовним впливом бойків або інструменту на різні ділянки заготовки.

Штампування (об’ємне) полягає у одночасному деформуванні всієї заготовки у спеціальному інструменті – штампі на молотах, пресах або горизонтально-кувальних машинах. Форма і розміри внутрішньої порожнини штампа визначають форму і розміри заготовки.

Штампування (листове) призначене для одержання плоских і об’ємних пустотілих деталей із листа або смуги за допомогою штампів на холодноштампувальних машинах.

Температурний інтервал гарячої обробки металу тиском. Для підвищення пластичності і зменшення опору деформуванню метали і сплави перед обробкою тиском нагрівають до певної температури. Для кожного металу існує такий температурний інтервал, в якому забезпечуються оптимальні умови гарячої обробки тиском. Нагрівання металу супроводжується рядом явищ, які необхідно враховувати при виборі температури і режиму нагрівання.

При нагріванні сталі вище 700 ^оС відбувається інтенсивне окислення поверхневого шару з утворенням окалини, що складається із окислів заліза. З підвищенням температури до 1330...1350 ^оС окалина плавиться і залізо горить з утворенням іскор. При високих температурах поряд з окисленням заліза відбувається збіднення вуглецем поверхневого шару сталі в наслідок вигоряння вуглецю. Для зменшення окислення металу застосовують електронагрівання, а також нагрівання заготовок у захисній атмосфері.

При високих температурах нагрівання інтенсивно росте зерно. Це явище називається перегрівом. Перегріта сталь характеризується більш низькими механічними властивостями – зменшення відносного видовження і ударної в’язкості складає біля 25 %.

Температурний інтервал гарячої обробки тиском. Для максимального підвищення пластичності металу температура початку обробки повинна бути якомога високою, але не викликати перегріву та перепалення. Температурний інтервал гарячої обробки вуглецевих сталей з 0,2...0,7 % вуглецю – 1280...800 ^оС; з 0,8...1,3 % вуглецю – 1100...760 ^оС. Мідні сплави обробляють в інтервалі температур 900...700 ^оС; дюралюміній – 470...400 ^оС; титанові – 110...900 ^оС.

Порошкова металургія конструкційних матеріалів: особливості технології, переваги та недоліки виробів порошкової металургії. Порошкова металургія цінна тим, що дає можливість одержувати матеріали, які іншими методами одержати неможливо: із металів із значною різницею температур (наприклад, W-Cu, W-Ag, Mo-Cu), із металів та неметалів (бронза-графіт), із хімічних сполук (тверді сплави із карбідів WС, ТіС і ін.), матеріали із заданими пористістю, електропровідністю, магнітними властивостями тощо.

Схема одержання виробів із порошків включає наступні основні операції: одержання порошків та підготовка порошкової шихти, брикетування шихти під тиском у відповідних формах (матрицях) і подальше спікання для підвищення міцності виробів. Така схема забезпечує практично безвідходну технологію виробництва і можливість одержання виробів з самими різноманітними властивостями.

Виробництво брикетів здійснюють найбільш розповсюдженими методами: холодним та гарячим пресуванням.

Для підвищення міцності сформовані із порошків заготовки піддають спіканню. Ця операція здійснюється в печах опору або індукційних печах з нейтральним або захисним середовищем протягом 30...90 хв. при температурі біля 2/3...4/5 температури плавлення основного компонента.

Методом порошкової металургії одержують компактну металокераміку, металокерамічні тверді сплави, антифрикційні і фрикційні вироби, порошкові фільтри тощо.

Дата добавления: 2014-01-07