Литейные сплавы, их плавка и получение отливок

Литейные сплавы. При достаточной жидко текучести расплавленный металл легко растекается и хорошо заполняет самые узкие места в форме. Некоторые металлы (например, медь) в расплавленном состоянии густые и плохо заполняют формы, поэтому мало пригодны для фасонного литья. Такие сплавы, как бронза и латунь, достаточно жидкотекучи.

Важнейшие требования к литейным сплавам:

* малая усадка, т.е. незначительное уменьшение линейных размеров и объема при затвердевании и остывании. Для фасонного литья допустима усадка до 2.5%. Чем больше усадка, тем крупнее усадочные раковины и вероятнее появление трещин, так как податливость формовочной смеси ограничена;

* однородность, заключается примерно в одинаковом химическом составе всех частей отливки. Сплавы с большей ликвацией по плотности непригодны для отливки обычными способами;

* легкоплавкость - свойство металлов плавиться при невысокой температуре. Из легкоплавких металлов легче получит отливки.

Чугунное литье. Основную массу чугунного литья производят из серого чугуна. Кроме того, отливки получают и из белого чугуна с последующим отжигом на ковкий чугун. Литье из серого чугуна - основная продукция литейных цехов. Это объясняется в первую очередь его невысокой стоимостью, хорошими литейными свойствами, относительно невысокой температурой плавления (1100 - 1200 ⁰С), хорошей жидко текучестью, малой усадкой - около 1%, однородностью отливок.

Хрупкость чугуна несколько ограничивает его применение. Однако множество деталей машин и механизмов не испытывающих больших ударных нагрузок, отливают из серого чугуна. Значительное улучшение свойств чугунного литья достигается модифицированием.

Отливки из белого чугуна отжигают на ковкий чугун. Содержание углерода в этом чугуне ограничивается до 2.2 - 2.3%. Чтобы предотвратить образование свободного графита в процессе литья, содержание кремния не должно превышать 1.4%. Повышенная жидко текучесть чугуна достигается при наличии фосфора (для машинного литья до 0.2%). Марганец препятствует распадению карбидов железа (Fe₃C) при отжиге, поэтому его содержание не должно превышать 0.6% (а для ферритных чугунов 0.5%). Усадка белых чугунов составляет около 2%.

Для плавки чугуна в литейных цехах чаще всего применяют вагранки. Вагранка представляет собой шахтную печь (рис.47), выложенную шамотным кирпичом 2 в стальном кожухе 3. Загрузка шихты производится через колошниковое отверстие 5 с колошниковой площадки 4. Воздух для горения топлива (кокса) поступает в вагранку от вентилятора по трубам через стальную коробку 6, опоясывающую вагранку, и через фурмы 7. Часть вагранки от верхнего ряда фурм до колошникового отверстия называют шахтой. Выше шахты находится дымовая труба с искрогасителем. Нижнюю часть, от лещади 1 до фурм называют горном. Лещадь наклонена в сторону копильника 9, где накапливается расплавленный чугун и выравнивается его состав. У копильника находится летка 10 и желоб 11 для выпуска чугуна, а также одна или две шлаковые лётки 8. Обычно вагранка работает 8 - 10 часов в сутки. Производительность её зависит от диаметра шахты и колеблется в пределах от 1 т до 25 т чугуна в час. В литейных цехах машиностроительных заводов вагранки выдают 3 - 8 т в час.

Иногда вагранки строятся без копильника, и тогда чугун и шлак выпускают через лётки из горна.

Загрузка шихты производится бадьей 12 с опускающимся конусным или откидным дном.

Для выдачи литья заданного химического состава составляют шихту из чушкового чугуна, чугунного и стального лома и ферросплавов в определенных пропорциях.

Рис.47. Схема вагранки с копильником

Подготовленная металлическая шихта, топливо и флюсы загружаются в вагранку отдельными порциями (колошами).

При плавке в вагранке кислород дутья выжигает примеси кремния 10 -15%, марганца 17 - 22%, железа 0.4 - 1.5%; содержание фосфора остается без изменения; углерод несколько выгорает, но его потеря компенсируется науглероживанием чугуна от кокса. Содержание серы несколько увеличивается за счет кокса, поэтому для вагранок используют литейный кокс с пониженным содержанием серы.

Образующиеся окислы шлакуются известняком.

Для получения высококачественных сортов серого чугуна, а также легированного и ковкого чугуна применяют двойные (дуплекс) процессы: плавку в вагранке и дуговой или пламенной печи, что дает возможность перегреть чугун и выдать его точно заданного состава.

Стальное литье. Литейные свойства стали хуже, чем у чугуна: она не столь жидкотекуча и хуже заполняет форму. Усадка стали 2% и выше, поэтому усадочные раковины в отливках могут быть значительных размеров, сталь тугоплавка (температура плавления 1400 - 1540 ⁰С). Чтобы избежать брака по усадочным раковинам, в формах, кроме выпоров, предусматривают наросты (прибыли), достаточные для питания жидкой сталью застывающей отливки, особенно в её верхних массивных частях.

Однако высокая прочность и вязкость стальных отливок определяет их преимущества перед другими видами литья, поэтому стальные отливки применяют для ответственных деталей.

Формовочные смеси для стальных отливок должны отличаться огнеупорностью и хорошей податливостью. Однако для сухих форм применяют тощие смеси из кварцевого песка и огнеупорной глины с добавкой отработанной смеси, а также быстротвердеющие смеси с жидким стеклом.

На литье идут доэвтектоидные углеродистые стали с содержанием 0.1 -.0.6% С, сталь Л15 - Л55 и легированные стали с марганцем, кремнием, никелем, хромом, медью, ванадием, молибденом, вольфрамом, титаном.

Сталь из малых конвертеров мартеновских печей и электропечей заливают в формы.

Емкость малых конвертеров -2 - 3 т. Чугун для них плавят в вагранке. Дутье в малый конвертер поступает через малый конвертер сбоку. Это позволяет, изменяя наклон конвертера, продувать металл по поверхности для сжигания выделяющейся окиси углерода и лучшего перегрева стали, которую выдают из конвертера при 1650 ⁰С для большей жидко текучести.

Перегретая сталь годится для самых сложных отливок. В малых конвертерах, а также в мартеновских печах выплавляют главным образом, сталь обыкновенного качества, содержащую 0.2 - 0.3% С, а в электропечах - качественную углеродистую и легированную сталь.

Литье из сплавов цветных металлов. У кремнистых латуней и алюминиевых бронз усадка составляет 1.5 - 2.5%, и они сравнительно легко окисляются, поэтому при заливке должно быть обеспечено плавное заполнение форм.

Часто в одной опоке набивают несколько форм, соединенных питателями с общим стояком. Вес литниковой системы и прибылей иногда составляет до 150% от веса готовой отливки.

Медные сплавы для литья расплавляют в дуговых электропечах, индукционных печах со стальным сердечником и без сердечника, а также в пламенных печах.

На рис.48 изображена качающееся дуговая электропечь. В таких печах дуга независима: она зажигается между графитовыми электродами 1. Расплавление шихты происходит за счет тепла, излучаемого дугой. Для ускорения расплавления шихты и для обеспечения однородности состава металла печи покачивают с помощью поворотного механизма 2. Этим же механизмом наклоняют печь при сливе готового металла.

Рис.48. Качающаяся дуговая электропечь

На рис. 49 показана схема индукционной печи со стальным сердечником 1. Эти печи применяют для непрерывной массовой плавки металла одной марки, так как печь работает только при наличии кольца 2 из жидкого металла, представляющего по электрической схеме «виток» вторичной обмотки трансформатора и окружающего находящуюся под футеровкой первичную катушку 3. Расплавленный металл выливают из печи частями, вновь погружая каждый раз «свежий», чтобы быстро расплавить от соприкосновения с перегретым жидким металлом.

Рис.49. Схема индукционной печи со стальным сердечником

Пламенные печи применяют реже, так как печные газы окисляют медные сплавы. Кроме того, в этих печах расходуется много топлива.

Для расплавления алюминиевых и магниевых сплавов применяют ванные электропечи с излучающим нагревателем сопротивления. В небольших цехах используют горны.

На рис.50. изображен поворотный пламенный тигельный горн со стальным тиглем 1. Топливо (мазут) подводится по трубе 3 и сгорает в пространстве 2; продукты горения отводятся через вытяжной колпак трубы 4.

Рис.50. Пламенный тигельныйгорн

Заливка форм, выбивка и очистка литья. Чугун подают на заливку в поворотном ковше, выложенном шамотным кирпичом. Для уменьшения теплопотерь применяют барабанные ковши или ковши с крышкой (рис. 51). В них удобно модифицировать чугун. Для разливки стали применяют стопорные ковши.

Рис.51. Ковш с крышкой

Остывшие отливки выбивают из формы с помощью встряхивающих решеток, вибраторов и других машин; стержни выбивают вручную, на пневматических машинах или гидрокамерах струей воды под давлением 30 - 100 ат.

Прибыли, литники и выпоры от стальных отливок отделяют газовой резкой, а от чугунных - пилами. Очищают отливки от остатков формовочных и стержневых смесей окатыванием в барабанах или пескоструйными, дробеструйными и дробеметными аппаратами. Применяют также песко-гидравлическую очистку, при которой струю воды с песком под давлением до 70 ат и выше направляют на отливку.

Для зачистки заусенцев служат обдирочно-шлифовальные машины с крупнозернистыми абразивными кругами.

Литье в металлические формы (кокильное литье)

Металлические формы для литья в (кокиль) изготавливают из чугуна или стали. При литье из легких сплавов применяют чугунные и стальные стержни, а в случае литья из стали, чугуна и медных сплавов - песчаные стержни. Для относительно легких сплавов цветных металлов металлические формы выдерживают сотни тысяч заливок, стойкость форма при литье чугуна колеблется в пределах 1500 - 5000 заливок, а при отливке стали - от 25 до 700 в зависимости от размера отливок; поэтому литье в металлические формы для крупных стальных отливок выгодно лишь в случае простых форм, когда стоимость изготовления их невелика. Применительно к сплавам цветных металлов и чугуну этот способ более выгоден, так как, кроме более точных размеров отливок, они лучше по структуре и механическим свойствам.

Против отбеливания чугуна и для большей стойкости форм их покрывают тонким слоем огнеупора и сажи, тем самым замедляется скорость охлаждения чугуна. Кроме того, перед заливкой чугуна формы подогревают до 200 - 300 ⁰С. Отбеливанию препятствует также увеличение кремния в чугуне.

Для литья сложных деталей применяют металлические формы из нескольких частей (разъемные).

На рис.52 показана металлическая форма со штырями (пальцами) снаружи для ускорения охлаждения.

При массовом производстве литье в металлические формы можно автоматизировать, как, на пример, на заводах-автоматах, где отливают алюминиевые поршни для двигателей внутреннего сгорания.

Отбеленным закаленным литьем называют чугунное литье с отбелом на нужную глубину при быстром охлаждении в металлической форме (кокиле). В закаленном слое весь или почти весь углерод остается связанным (в цементите).

Твердость НВ закаленных деталей колеблется в пределах от 300 до 500 и выше, глубина отбела от 12 до 30 мм. Скорость охлаждения отливки должна обеспечивать постепенный переход белого чугуна в серый, в противном случае отбеленный слой может выкрашиваться.

Рис.52. Сборная металлическая форма

Наибольшее распространение отбеленное литье получило в производстве прокатных валков и колес железнодорожных вагонов. На рис.53 приведена форма, подготовленная для заливки прокатного валка. Здесь кокилем (металлической формой) является только средняя часть 1, которая образует рабочую поверхность валка; верхняя 2 и нижняя 5 части формуются в опоках из формовочной смеси по модели и образуют шейки валка, которые впоследствии обрабатываются на станках.

Рис.53. Форма для отливки прокатного валка

Через литниковую чашу 3 и литниковый стояк 4 чугун сифоном подводят в нижнюю часть собранной формы.

Дата добавления: 2014-12-16