Основы литейного производства

Теоретические основы производства отливок

Сущность литейного производства состоит в получении фасонных металлических изделий — отливок (готовых деталей или заготовок, используемых для дальнейшей обработки) путем заливки расплавленного металла в специальную полость, называемую литейной формой [1, 2, 3, 4, 5, 20,21].

Возможность получения тонкостенных, сложных по форме или больших по размерам отливок без дефектов предопределяется свойствами жидких сплавов, наиболее важными из которых являются: жидкотекучесть, усадка (линейная и объемная), склонность к образованию трещин, склонность к поглощению газов и образованию газовых раковин и пористости в отливках и др.

Выбор сплава для получения тех или иных деталей является сложной задачей, поскольку все требования в реальном производстве учесть довольно трудно. Но во всех случаях технологам необходимо учитывать в первую очередь свойства сплавов.

Перечислим литейные свойства сплавов.

1. Жидкотекучестъ — это способность металлов и сплавов течь по каналам литейной формы, заполнять ее полости и четко воспроизводить контуры отливки.

Жидкотекучесть литейных сплавов зависит от температурного интервала кристаллизации, вязкости и поверхностного натяжения расплава, температуры заливки и т. д.

Чистые металлы и сплавы, затвердевающие при постоянной температуре (эвтектические сплавы), обладают лучшей жидкотекучестью, чем сплавы, образующие твердые растворы. Чем выше вязкость сплава, тем меньше его жидкотекучестъ.

2. Усадка — свойство литейных сплавов уменьшать объем при затвердевании и охлаждении. Усадочные процессы в отливках протекают с момента заливки расплавленного металла в литейную форму вплоть до полного охлаждения отливки. Различают линейную и объемную усадку, выражаемую в относительных единицах.

Линейная усадка — уменьшение линейных размеров отливки при ее охлаждении от температуры, при которой образуется прочная корка, способная противостоять давлению расплавленного металла, до температуры окружающей среды.

Объемная усадка — уменьшение объема сплава при его охлаждении в литейной форме при формировании отливки. Объемная усадка приблизительно равна утроенной линейной усадке.

На усадку влияют химический состав сплава, температура его заливки, скорость охлаждения сплава в форме, конструкция отливки и литейной формы.

Усадку отливок уменьшает снижение температуры заливки расплавленного металла в форму. Увеличение скорости отвода теплоты от залитого в форму сплава, напротив, приводит к возрастанию усадки отливки.

При охлаждении отливки происходит механическое и термическое торможение усадки. Механическое торможение возникает вследствие трения между отливкой и формой. Термическое торможение обусловлено различными скоростями охлаждения отдельных частей отливки. Сложные по конфигурации отливки подвергаются совместному воздействию механического и термического торможения.

Усадка в отливках проявляется в виде усадочных раковин, пористости, трещин и короблений.

Усадочные раковины — сравнительно крупные полости, расположенные в местах отливки, затвердевающих последними, т. е. в верхней части отливки (рис. 2.1). Усадочные раковины образуются вследствие того, что усадка расплава при переходе из жидкого состояния в твердое превышает усадку корки (затвердевшей части отливки). Сосредоточенные усадочные раковины характерны для отливок из чистых металлов, сплавов эвтектического состава и сплавов с узким интервалом кристаллизации.

Рис. 2.7. Усадочная раковина.

Усадочная пористость — это скопление множества небольших усадочных раковин по границам зерен металла. Пористость характерна для сплавов, образующих твердые растворы и затвердевающих в широком интервале температур.

Получить отливки без усадочных раковин и пористости возможно за счет непрерывного подвода расплавленного металла в процессе кристаллизации вплоть до полного затвердевания. Для этого устанавливают прибыли — дополнительные резервы с расплавленным металлом. Также предупредить образование усадочных раковин и пористости позволяет установка в литейную форму наружных и внутренних холодильников, которые выравнивают скорость затвердевания в разных частях отливки.

3. Склонность к образованию трещин. В отливках в результате неравномерного затвердевания тонких и толстых частей и торможения усадки формой при охлаждении возникают внутренние напряжения. Эти напряжения тем выше, чем меньше податливость формы и стержней. Если величина внутренних напряжений превзойдет предел прочности литейного сплава в данном участке отливки, то в теле ее образуются горячие или холодные трещины. Если литейный сплав имеет достаточную прочность и пластичность и способен противостоять действию возникающих напряжений, то искажается геометрическая форма отливки (возникает коробление).

Для предупреждения образования больших напряжений и трещин необходимо в литой детали предусматривать равномерную толщину стенок, плавные переходы и устранять элементы, затрудняющие усадку сплава, а также использовать литейные формы и стержни повышенной податливости.

4. Склонность к поглощению газов и образованию газовых раковин и пористости — это способность литейных сплавов в расплавленном состоянии растворять кислород, водород, азот и другие газы.

В жидких металлах и сплавах растворимость газов с увеличением температуры повышается. При избыточном содержании газов они выделяются из расплава в виде газовых пузырей, которые могут всплыть на поверхность или остаться в отливке, образуя газовые раковины, пористость или неметаллические включения, снижающие механические свойства и герметичность отливок.

Для уменьшения газовых раковин и пористости в отливках плавку следует вести под слоем флюса, в среде защитных газов с использованием хорошо просушенных шихтовых материалов. Кроме того, перед заливкой расплавленный металл необходимо подвергать дегазации вакуумированием, продувкой инертными газами и другими способами, а также увеличивать газопроницаемость литейных форм и стержней, снижать влажность формовочной смеси, подсушивать формы и т. д.