Содержание. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Сущность  литейного производства и его развитие.

 

     Сущность  литейного производства сводится к  получению жидкого, т.е. нагретого выше tє плавления, сплава нужного состава и необходимого качества и заливки его в заранее приготовленную форму. При охлаждении же затвердевает и в твердом состоянии сохраняет конфигурацию той полости, в которую он был залит. В процессе кристаллизации и охлаждения сплава формируются основные механические и эксплуатационные свойства отливки, определяемые макро- и микро структур сплава, его плотностью, наличием и расположением в нем не металлических включений, развитием в отливке внутренних напряжений, вызванных неодновременным охлаждением ее частей и др.

     Литейным  производством называют процессы получения  фасонных изделий (отливок) путем заливки  расплавленного металла в полую  форму, воспроизводящую форму и  размеры будущей детали. После  затвердевания металла в форме получается отливка — заготовка или деталь. Отливки широко применяют в машиностроении, металлургии и строительстве.

     Можно получать отливки различной массы (от нескольких граммов до сотен  тонн), простой и сложной формы  из чугуна, стали, сплавов меди и алюминия, цинка и магния и т.д. Особенно эффективно применение отливок для получения фасонных изделий сложной конфигурации, которые невозможно или экономически нецелесообразно изготавливать другими методами обработки металлов (давлением, сваркой, резанием), а также для получения изделий из малопластичных металлов и сплавов.

     При всем разнообразии приемов литья, сложившихся  за длительный период развития его  технологии, принципиальная схема технологического процесса литья практически не изменилась за более чем 70 веков его развития и включает четыре основных этапа: плавку металла, изготовление формы, заливку жидкого металла в форму, извлечение затвердевшей отливки из формы.

     До  середины нашего столетия литейный способ считался одним из важнейших методов получения фасонных заготовок. Масса литых деталей составляла около 60 % от массы тракторов и сельскохозяйственных машин, до 70 % — прокатных станов, до 85 % — металлорежущих станков и полиграфических машин. Однако наряду с такими достоинствами литейного производства, как относительная простота получения и низкая стоимость отливок (особенно из чугуна), возможность изготовления сложных деталей из хрупких металлов и сплавов, он имеет и ряд существенных недостатков: прежде всего довольно низкая производительность труда, неоднородность состава и пониженная плотность материала заготовок, а следовательно, и их более низкие, чем заготовок, полученных обработкой давлением, прочностные характеристики.

     За  годы XI пятилетки в СССР значительно  возрос выпуск литейного оборудования. Освоено производство автоматических линий формовки, заливки и выбивки отливок, созданы комплекты современного смесеприготовительного оборудования, освоен выпуск целой гаммы машин для специальных способов литья, существенно возрос уровень механизации и автоматизации технологических процессов.

     Основными направлениями экономического развития СССР на период до 2000 года предусматривается  значительное ускорение развития машиностроения. Немалый вклад в решение поставленных задач может внести реконструкция и модернизация литейного производства, замена устаревшего оборудования высокопроизводительными литейными автоматами и полуавтоматами, робототехническими комплексами. Большой резерв экономии металла, снижения материалоемкости продукции машиностроения состоит в увеличении доли литья из легированных сталей и высокопрочного чугуна, а также точного литья, получаемого специальными способами.

     Основными технико-экономическими показателями работы литейных цехов являются: годовой  выпуск отливок в тоннах; выпуск отливок на одного работающего (производственного); съем литья с 1м2 производственной площади цеха; выход годного металла (в процентах от массы металлозавалки и жидкого металла); доля брака литья (в процентах), уровень механизации; доля литья, получаемого специальными способами; себестоимость 1т литья.

     В структуре себестоимости литья  основную долю составляют затраты на металл (до 80%). Производя технико-экономический  анализ литейного производства, особое внимание необходимо обращать на те стадии и элементы технологического процесса, которые непосредственно связаны с возможными потерями металла на угар, разбрызгивание, брак и т. п.

     Себестоимость литья зависит от объема производства, уровня механизации и автоматизации  технологических процессов.

 

Литейные  свойства сплавов.

 

     Жидкотекучесть. Это- способность металлов и сплавов течь по каналам формы и заполнять ее.

     Заполнение  литейных форм является сложным гидродинамическим  и физико-химическим процессом. Главным  фактором, определяющим уровень жидкотекучести, являются свойства сплава в жидком состоянии: теплофизические свойства, особенности кристаллизации, вязкость, окисляемость.

     Влияние литейной формы связано главным  образом с ее теплофизическими свойствами, со смачиваемостью жидким металлом, с  условиями физико-химического воздействия "металл - форма".

     На  жидкотекучесть влияют также условия  плавки и заливки, перегрев металла, насыщение металла посторонними включениями, условия подвода металла  к форме.

     Количественные  значения жидкотекучести определяют по длине заполнения канала литейной формы с определенной площадью поперечного сечения. Наибольшее распространения получали технологические спиральные пробы.

     При теоретическом анализе характеристики жидкотекучести основным является определение  условий остановки движущегося  потока. Высказано несколько точек зрения на механизм остановки потока : выделение 20 % твердой фазы, образование на конце потока прочной твердой корочки, рост в канале литейной формы дендритов (древовидных кристаллов), препятствующих движению потока, накопление твердых кристаллов на конце потока.

     Течение металла в литейной форме сопровождается кристаллизацией. Поэтому движущийся поток рассматривают как гетерогенную жидкость. Из гидравлики известно, что  движение таких жидкостей начинается только после того, как касательное напряжение становится больше определенного значения σ0, называемого предельным напряжением сдвига.

     В гидравлике все тела условно делятся  на несколько категорий в зависимости  от отношения предельного напряжения сдвига σo к плотности р (таблица 18).

     Таблица 18. Категории тел в гидравлике.

     Основываясь на положениях гидравлики и учитывая фактор смыва и накопления твердой фазы в движущемся металле, можно представить механизм остановки следующим образом.

     При поступлении металла в канал  литейной формы на стенках канала и образуется твердая корочка  из-за высокой интенсивности охлаждения металла в начальные моменты. С течением времени, по мере прогревания формы, интенсивность теплоотвода уменьшается. Но перенос теплоты к корочке за счет поступления новых порций металла остается постоянным, и она начинает оплавлятся. Уменьшению размеров корочки способствует также смывание части кристаллов движущимися потоками. Накопление обломков кристаллов на конце потока приводит к постоянному нарастанию сил внутреннего трения. Условия течения металла заметно ухудшаются. Наконец в определенный момент количество накопившихся обломков становится несколько большим, а сопротивление внутреннему трению настолько значительным, что поток останавливается.

     Изменение жидкотекучести сплавов тесно связано  сих диаграммами состояния. Академик А.А. Босвар показал, что сплавы сохраняют  основные свойства жидкого тела, в том числе способность к макроперемещениям, не во всем интервале температур между ликвидусом и солидусом, а только в той части, где кристаллы не образуют связанного каркаса, а движутся вместе с жидкостью. Профессор Ю.А. Нехендзи назвал температуру, при которой поток перестает течь, температурой нулевой жидкотекучести.

     С увеличением температурного интервала  кристаллизации жидкотекучесть снижается. При этом большое значение имеют  размеры и форма первичных  кристаллов.

     Если  первичные кристаллы растут в виде сильно разветвленных дендритов, граница нулевой жидкотекучести находится вблизи границы ликвидус. Примером могут служить доэвтектические сплавы с широким интервалом кристаллизации и дендритной формой первичных кристаллов.

     Если  же первичные кристалл имеют компактные формы и небольшие размеры, граница нулевой жидкотекучести тяготеет к линии солидус. Несмотря на то что выделяется значительная часть твердой фазы, металл продолжает течь, поскольку выделившиеся первичные кристаллы не связаны между собой. В качестве примера можно привести заэвтектические чугуны.

     Заполняемость. Она характеризует способность металлов и сплавов воспроизводить контур отливок в особо тонких сечениях, где в значительной степени проявляется действие капиллярных сил.

     Заполнение тонких сечений отливок - это процесс взаимодействия металла и формы. иногда этот процесс называют формовоспроизведением или формозаполнением. Эти термины следует признать менее удачными, поскольку заполнение острых кромок и тонких сечений в большей степени зависит от свойств металла.

     Заполняемость обусловлена рядом факторов: 
1. поверхностным натяжением сплава и смачиваемостью формы; 
2. вязкостью сплава, связанной с его теплофизическими свойствами; 
3. температурным интервалом кристаллизации; 
4. формой и размерами первичных кристаллов; 
5. склонностью сплава к пленообразованию; 
6. теплофизическими свойствами формы; 
7. способом заливки металла (стационарный или центробежный); 
8. конструктивными особенностями литниковой системы; 
9. наличием газов в форме и условиями ее вентиляции.

     На  примере титана модно оценить  влияние смачивания формы металлом на заполняемость. Угол смачивания титаном  электрокорунды составляет 120 ^oС, а в магнезите - 107 ^oС. заполняемость корундовой формы для изготовления пластины толщиной 9 мм значительно хуже, чем магнезитовой.

     При заполнении каналов с малой площадью поперечного сечения потку производится преодолеть значительное давление, обусловленное  действием капиллярных сил. При  незначительном удалении таких элементов  от оси вращения необходима большая скорость вращения центробежного стола.

     Характер  затвердевания. Характер затвердевания металлов и сплавов определяет особенность перехода металла из жидкого состояния в твердое.

     В процессе затвердевания реальной отливки  в сплаве, кристаллизующемся в интервале температур, всегда так называемая область затвердевания. Эта область ограничена изотермами ликвидус и солидус, которые в процессе охлаждения отливки последовательно перемещаются от ее поверхности к термическому центру.

     Область затвердевания делиться на две части - жидко-твердую и твердо-жидкую.

     Жидко-тверда часть примыкает к изотерме ликвидус, твердо-жидкая - к изотерме солидус. Граница между ними носит несколько  названий: выливаемости, нулевой жидкотекучести, начала линейной усадки. Положение этой граници связано с формой и размерами первичных кристаллов. При сильной развитой дендритной форме мелких кристаллов - к границе солидус.

     Твердо-жидкая часть области затвердевания  делится на две зоны границей питания. Между границей выливаемости и границей питания сросшиеся дендриты не препятствуют макроперемещениям жидкости. Между границами питания и солидус каркас дендритов образует изолированные области, внутри которых возможно только микроскопическое перемещение жидкости.