Лекция 4. Проектирование литых заготовок. Литье в песчано-глинистые формы

Информация, изучаемая в этой лекции, изложена в [1-4].

Отливка получается в результате заполнения полости литейной формы жидким металлом. После заливки жидкий металл охлаждается в форме и затвердевает, образуя отливку.

Как метод получения заготовок литье обладает следующими характерными особенностями:

1. Возможностью получения отливок из большинства конструкционных сплавов, часть из которых, не пригодна для обработки давлением. В последнем случае литье является единственно возможным методом получения заготовок.

2. Возможностью получения фасонных отливок, имеющих не только сложные внешние формы, но и сложную конфигурацию внутренних полостей.

3. Возможностью получения отливок с весом от нескольких граммов до нескольких сот тонн и с различной величиной сечения элементов (от 0,5 до 500 мм и выше).

4. При сравнении с методом обработки металлов давлением литье во многих случаях оказывается более экономичным.

Однако, несмотря на большие преимущества, метод литья, так как он является универсальным, он имеет и свои недостатки, которые следует учитывать в конкретной обстановке:

1. Трудность, а иногда и невозможность, получения отливок с необходимой точностью размеров и заданной чистотой поверхностей.

2. Неоднородность структуры и свойств сплавов по сечениям отливок.

Вес литых деталей в различных машинах и оборудовании составляет около 50% их общего веса. В отдельных отраслях машиностроения (дизели, металлорежущие станки) вес литых деталей достигает иногда 75—80%. Таким образом, литье является очень широко распространенным методом получения фасонных заготовок для деталей самых разнообразных машин,

По конструкции и назначению литые детали машин принято классифицировать на следующие группы:

1-я группа. Корпусные коробчатые детали закрытого типа в которых монтируются рабочие механизмы. К таким деталям относят станины большинства металлорежущих станков, корпусы двигателей, цилиндры насосов и др. Вне зависимости. от типа производства, такие детали изготовляются только путем литья, так как они имеют обычно сложную конфигурацию пнутренних полостей.

2-я группе. Корпусные коробчатые детали открытого типа, на которых монтируются рабочие механизмы и двигатели. ' К таким деталям могут быть отнесены простые станины, рамы, основания, плиты.

В серийном и массовом производстве подобные детали получают методом литья. В индивидуальном и мелкосерийном производствах детали этой группы иногда бывает экономичней получать способом сварки из нескольких частей

3-я группа. Детали, связывающие отдельные узлы машины и частично выполняющие функции деталей 1 и 2-й групп, но имеющиеменьшие размеры. К таким деталям могут быть отнесены различного рода кронштейны, траверсы, шарниры, суппорты, коробки и др.

4-я группа. Отдельные детали узлов машин: маховики, шестерни, колеса, рычаги, вилки, ступицы, барабаны, тройники и т. д. В индивидуальном и мелкосерийном производстве они обычно изготовляются методом литья. В серийном и массовом производстве иногда их выгоднее получать высокопроизводительным способом объемной штамповки.

Литейные свойства сплавов и их влияние на конструктивные

Размеры и форму отливок

К литейным свойствам сплавов относятся жидкотекучесть, усадка, склонность к ликвации и газопоглощению.

Жидкотекучесть — способность жидкого металла полностью заполнять полости литейной формы и четко воспроизводить очертания отливки. Жидкотекучесть зависит от химического состава, температуры заливаемого в форму сплава и теплопроводности материала формы. Фосфор, кремний и углерод улучшают ее, а сера ухудшает. Серый чугун содержит углерода и кремния больше, чем сталь, и поэтому обладает лучшей жидкотекучестью. Повышение температуры жидкого металла улучшает жидкотекучееть, и чем выше его перегрев, тем более тонкостенную отливку можно получить. Увеличение теплопроводности материала формы снижает жидкотекучесть. Так, песчаная форма отводит теплоту медленнее и расплавленный металл заполняет ее лучще, чем металлическую форму, которая, интенсивно охлаждает расплав.

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 усадки:

 

e_лин=(l_ф-l_от) 100 /l_от; e_об=(V_ф-V_от) 100 /V_от,

 

где l_ф, V_ф - соответственно линейный размер и объем полости формы; l_от, V_от - линейный размер и объем отливки при температуре 20 °С.

Линейная и объемная усадки связаны соотношением

e_лин»3 e_об.

 

На усадку влияют химический состав сплава, температура его заливки, скорость охлаждения сплава в форме, конструкция отливки и литейной формы. Так, усадка серого чугуна уменьшается с увеличением содержания углерода и кремния, алюминиевых сплавов - с повышением содержания кремния. Увеличение температуры заливки и скорости отвода теплоты от залитого в форму сплава 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 торможений.

Помимо искажения линейных размеров усадка в отливках проявляется в виде усадочных раковин, пористости, трещин и короблений. При правильном учете усадочных процессов затвердевание отливки должно идти снизу вверх с образованием концентрированной усадочной раковины. В противном случае в теле отливки образуется усадочная пористость.

Ликвация — это неоднородность строения в различных частях отливки. Возможна ликвация по химическому составу (зональная или дендритная), по плотности, неметаллическим включениям и другим факторам.

Зональная ликвация представляет собой химическую и другие неоднородности в объеме всей отливки; дендритная — в пределах одного зерна (дендрита). Склонность к ликвации зависит от химического состава сплава, скорости охлаждения сплава и размеров отливки.

Неоднородность химического состава и структуры по сечению приводит к неоднородности механических.свойств отливки. Для уменьшения ликвации увеличивают скорость охлаждения отливки.

Склонность к газопоглощению — это способность литейных сплавов в жидком состоянии, растворять кислород, азот и водород. Их растворимость растет с перегревом расплава (температуры заливки). Движение металла в форме мелкими струйками или турбулентными потоками также способствует повышению растворимости газов. При охлаждении в литейной форме газонасыщенного расплава растворимость газов понижается и они, выделяясь из металла, могут образовать в отливке газовые раковины.