§ 25. Основные сплавы, применяемые для изготовления отливок
При выборе сплава для изготовления литых деталей следует учитывать не только прочностные, но технологические и специальные их свойства, а также стоимость детали после механической обработки. Для изготовления литых деталей применяют следующие сплавы: чугуны (серый, белый, ковкий, модифицированный, высокопрочный магниевый, антифрикционный, жаростойкий, кислотоупорный, немагнитный и др.); углеродистую сталь для обеспечения повышенной прочности и пластичности; легированную сталь для получения специальных свойств; алюминиевые, магниевые и титановые сплавы для деталей с малым весом и высокой удельной прочностью; медные сплавы (латунь, бронза) для изготовления отливок с повышенной электропроводностью, теплопроводностью и низким коэффициентом трения и др.
§ 26. Литейные свойства металлов и сплавов и их влияние на качество отливок
Важнейшими литейными свойствами сплавов являются: высокая жидкотекучесть, малая усадка, мелкокристаллическое строение, небольшая склонность к образованию литейных напряжений, низкая способность к поглощению газов в жидком состоянии и незначительная ликвация примесей. Сочетание этих свойств дает возможность изготовлять сложные, высококачественные отливки, свободные от пороков и избежать возникновения литейного брака. Жидкотекучесть. Наиболее высокую жидкотекучесть имеют сплавы алюминия с кремнием, серый чугун, кремнистая латунь. Средней жидкотекучестью обладают углеродистые стали, белый чугун, сплавы алюминия с медью и магнием. Магниевые сплавы имеют пониженную жидкотекучесть. С повышением температуры перегрева сплава жидкотекучесть сплавов увеличивается. Усадка. В литейном производстве различают усадку сплава объемную и линейную; последняя, в свою очередь, бывает свободной, а в случае выступающих частей отливки в форме - затрудненной. Объемная усадка почти в три раза больше линейной. Усадка в сплавах составляет (в %): стали - 1,5 - 2,0; чугуна серого - 1,0 - 1,3; белого - 1,3 - 1,8; бронзы оловянной - 1,4; алюминиевой - 2,2; латуни - 1,7 - 1,9; сплавов алюминиевых 0,9 - 1,35 магниевых - 1,35 - 1,9. Затрудненная усадка составляет 0,5 - 0,8 от свободной в зависимости от сложности конструкции отливки. К основным мерам предупреждения усадочных раковин и рыхлости относятся достаточное питание отливки путем увеличения сечений литниковой системы или установки прибылей; применение холодильников, улучшение конструкции отливки. Строение (структура) сплавов. Наилучшие свойства имеют сплавы в том случае, когда их структура получается мелкокристаллической и без промежуточных пленок, ослабляющих связь между отдельными кристаллами (или группами кристаллов). Уменьшение размеров зерен сплава достигается понижением температуры сплава при заливке и в особенности увеличением скорости охлаждения при затвердевании отливки. Для того чтобы придать сплаву мелкозернистую структуру, вводят особые добавки - модификаторы. Наибольшее распространение имеют следующие добавки: для половинчатого чугуна - кремний, для серого чугуна - магний, для силумина - натрий и т. д. Ликвация. При затвердевании сплава, залитого в форму, на протяжении всего времени остывания непрерывно происходит процесс выравнивания химического состава отливки по всему ее сечению. Однако этот процесс происходит медленно, вследствие чего в отдельных частях отливки, а также в отдельных зернах сплава наблюдается химическая неоднородность - ликвация. Обычно ликвация характеризуется тем, что отдельные составляющие сплава, имеющие неодинаковый удельный вес (плотность) и различные температуры затвердевания, отделяются от основной массы сплава как в жидком его состоянии, так и при затвердевании. Ликвация уменьшается при понижении температуры и скорости заливки, а также при ускорении затвердевания отливки.
§ 27. Процесс образования отливки в литейной форме
При заполнении полости формы металлом нагревается поверхность слоя формы и постепенно затвердевает металл с образованием кристаллической решетки. Зародышами кристаллов могут быть также продукты металлургических процессов, вокруг которых образуются кристаллы. Они располагаются в отливке перпендикулярно к охлаждаемой поверхности. Скорость затвердевания металла в отливке неравномерна. В утолщенных местах отливки металл затвердевает значительно медленнее вследствие нагрева формы, чем в тонких сечениях. В утолщенных местах образуется крупнозернистая структура с пониженными механическими свойствами. Кроме того, в утолщенных местах отливки образуются усадочные раковины, для устранения которых применяют прибыли, холодильники, удорожающие стоимость отливки. Усадочная раковина образуется в утолщенных местах - тепловых узлах в момент кристаллизации вследствие того, что из них жидкий металл поступает в тонкие сечения, в которых он более быстро затвердевает и имеет мелкозернистую плотную структуру. Ввиду усадки металла в отливке создаются внутренние напряжения, вызывающие образование горячих и холодных трещин. Горячие трещины образуются из-за разрушения тонкого слоя (корки) затвердевшего металла в момент усадки. Для устранения трещин применяют смеси, поддающиеся сжатию, устраивают тонкие ребра в местах образования трещин или устанавливают холодильники, увеличивающие толщину затвердевшей корки металла. При заполнении литейной формы металлом необходимо обеспечить хорошую ее газопроницаемость для удаления из нее воздуха и газа, получающегося от сгорания органических веществ, испарений влаги, а также газа выделяющегося из жидкого металла. При недостаточной газопроницаемости формы или при плохой жидкотекучести газ не будет удаляться из формы и в отливке появятся газовые раковины.
§ 28. Технологичность конструкции литых деталей и особенности их изготовления
Качественные отливки можно получить только при соблюдении ряда требований, связанных с условиями образования отливок в формах. Конструкция литой детали должна обеспечить ее технологичность: получение качественного литья, удобство формовки, обрубки и последующей механической обработки. Основным требованием при разработке конструкций литых деталей является наибольшая их простота. Модели должны иметь наименьшее количество разъемов, отъемных частей, стержневых знаков и легко извлекаться из формы. Применение отъемных частей (приливов, ребер, шайб) приводит к усложнению формовки, смещению и искажению формы отливок, и поэтому необходимо, чтобы эти части при извлечении модели из формы можно было беспрепятственно удалить вместе с моделью. В отливках типа катков, шестерен, шкивов и маховиков во избежание образования трещин в спицах следует прямые спицы заменять изогнутыми. Большие верхние (по положению при заливке) горизонтальные плоскости должны быть заменены наклонными для уменьшения возможности скопления неметаллических включений и образования газовых раковин. Отливки должны быть сконструированы таким образом, чтобы при охлаждении металла сопротивление формы и стержней не препятствовало усадке. Наружные и внутренние поверхности отливок (в случаях, когда последние получаются по чистой модели), должны иметь уклоны, которые желательно предусматривать при конструировании литых деталей. Если же по конструктивным соображениям такие уклоны недопустимы, то вертикальным поверхностям придаются уклоны согласно ГОСТУ. При конструировании должна быть предусмотрена возможность надежной установки стержней без применения жеребеек. Кроме того, должны предусматриваться в конструкции литой детали технологические отверстия для вывода газов и удаления стержней из отливки. Эти отверстия в обрабатываемой детали заглушаются пробками на резьбе. Конструкция литой детали должна обеспечивать направленное затвердевание отливок, при котором сначала затвердевают нижние их части, а затем верхние. Для питания верхних частей могут быть применены прибыли. При конструировании отливок необходимо исходить из того, что толщина их стенок не должна быть меньше определенной величины, зависящей от применяемого сплава, габаритов отливки и способа литья. Так, наименьшая толщина стенок отливок из чугуна составляет: при мелком литье - 3 - 5 мм, при среднем- 6 - 10 мм и при крупном - 11 - 20 мм; при изготовлении отливок из белого чугуна - 3 - 5 и 6 - 8 мл; стальных отливок - 5 - 8, 9 - 15 и 16 - 25 мм; отливок из медных, оловянных и алюминиевых сплавов - 3 - 5 и 6 - 8 мм. В тех местах литых деталей, где требуются более высокая чистота поверхности и более точные размеры, нужно предусматривать механическую обработку и припуск на механическую обработку. Величина припуска на обработку зависит от размеров отливки, сплава, сложности отливки и способа изготовления и составляет при чугунном литье от 3 - 4 мм для мелких до 14 - 18 мм для крупных отливок; при стальном литье припуск увеличивается соответственно от 4 - 5 до 18 - 29 мм; при литье из сплавов цветных металлов припуски примерно такие же, как минимальные при чугунном литье. Для предотвращения внутренних напряжений, усадочных рыхлот и трещин следует делать толщину стенок примерно одинаковой. Наиболее ответственные поверхности отливки, подвергающиеся механической обработке, необходимо располагать в нижней части формы. Для надежного питания массивных частей отливки (особенно при литье из стали и сплавов цветных металлов) они должны быть расположены в удобном положении для питания их прибылями. При выборе разъема формы необходимо учитывать следующие факторы: число разъемов сделать наименьшим, а поверхности их плоскими; избегать большого количества отъемных частей; стержни устанавливать, главным образом, в нижней полуформе и, по возможности, заменять их болванами; поверхности отливки принимаемые за базы при механической обработке, располагать в одной полуформе; поверхность разъема формы должна обеспечивать наименьшее количество заливов, а также удобство сборки формы и контроля установки стержней.
