Электрошлаковое литье в охлаждаемый кокиль.

 

Несмотря на все разнообразие методов точного литья, вес и габариты последнего ог­раничены, и до недавнего времени не существовало способа, позволяющего получать сложные крупнотоннажные узлы повышенной точности и удовлетворительного качества. Чем сложнее и тяжелее узел, тем больше преимуществ имеет литье как метод формообразования. Однако каче­ство литья, как правило, ухудшается по мере увеличения веса заготовки. Это объясняется рядом факторов. Прежде всего при большой массе отливки и, как следствие, малой скорости теплоотвода особенно в песчано-глинистых формах, которые обычно используют в производстве крупного литья, резко возрастает продолжительность контакта расплава с формой, развиваются ликвационные процессы. Кроме того, в процессе заливки форм имеют место вторичное окисле­ние, эрозия литниковой системы, механический захват газов и еще целый ряд процессов, ухуд­шающих качество металла и снижающих точность отливки.

В целом можно считать, что качество литого металла, как правило, хуже качества де­формированных заготовок.

В нашей стране был разработан принципиально новый метод, открывающий широ­кие перспективы получения крупных отливок с высоким уровнем свойств и с повышенной точ­ностью размеров. Он назван электрошлаковым литьем и представляет дальнейшее раз­витие метода электрошлакового переплава (ЭШП). По своим свойствам металл, подвергнутый злектрошлаковому литью, не уступает кованому. Металл ЭШП отличает даже большая плот­ность, стабильность свойств и изотропность (свойства металла в продольном и поперечном на­правлении сближаются).

Специфическая особенность ЭШП — практически полное сохранение исходного со­става при литье. Однако количество, размеры и состав неметаллических включений существенно меняются. Второй важный момент—кристаллизация металла в водоохлаждающем кокиле.

После ЭШП литая сталь не уступает деформированной стали обычной выплавки по такому показателю, как критическая температуры хрупкости, и сопротивляемость разрушению.

Одно из его достоинств — возможность электрохимического модифицирования, т. е. обеспечение перехода из шлака в металл таких элементов, как магний, кальции и др., ввести которые в расплав затруднительно. А вследствие высокой чистоты металла даже обычные добав­ки, например редкоземельные металлы (РЗМ), дают в данном случае больший эффект и эконо­мически оправданы, так как большая доля РЗМ расходуется по прямому назначению —для мо­дифицирование:, а не на удаление серы и кислорода.

Технологические возможности электрошлаковых процессов велики, они допускают обработку кристаллизующегося расплава вибрацией, ультразвуком, электромагнитными поля­ми, введение металлических порошков дня создания дополнительных центров кристаллизации и т. д.

При отливке особо сложных тяжелых деталей, например сосудов высокого давления, по обычной технологии никогда нет полной уверенности до окончания механической обработ­ки в качестве изделия. Часто после трудоемких операций отливки многотонной детали и ее обработки на металлорежущих станках выявляются неустранимые дефекты литья: поры, трещины, неметаллические включения, неоднородность структуры.

Обычная технология отливки в земляные формы в принципе не способна ликвидировать неопределенность конечного результата. Другое дело злектрошлаковое литье В этом случае вместо земляной формы используют металлический охлаждаемый кристаллизатор, предельно близкий по размерам и геометрии к отливаемой детали.

Злектрошлаковым переплавом можно изготавливать 100— 50-тонные бандажи цементных печей диаметром до 6 —7 м, толстостенные сосуды и другое тяжелое оборудование.

 

Непрерывное литье

 

Сущность процесса непрерывного литья заключается в следующем. Жидкий сплав равномерно и непрерывно поступает в охлаждаемую водой металлическую форму-кристаллизатор, где затвердевает в заготовку, наружный профиль которой соответствует форме кристаллизатора. С помощью тянущего устройства заготовка непрерывно вытягивается. Одно­временно под действием напора кристаллизатор заполняется свежими порциями сплава. Таким образом, процесс протекает непрерывно. Кристаллизация сплава происходит благодаря отдаче теплоты через стенки кристаллизатора.

К преимуществам непрерывного литья следует отнести; возможность получения слитка, трубы или профиля теоретически неограниченной длины; высокие механические свой­ства отливок; улучшение поверхности отливки. Наряду с преимуществами этот способ изготов­ления отливок имеет недостаток, заключающийся в образования значительных внутренних напряжений в отливке вследствие резкого ее охлаждения. Чем больше скорость литья, неравно­мерное поступление сплава в кристаллизатор и вытягивание заготовки, тем больше опасность возникновения трещин.

Несмотря на многие преимущества, непрерывное и полунепрерывное литье имеет ряд органических недостатков. Прежде всего сравнительно низкая скорость вытягивания, ибо воздушный промежуток между отливкой и стенками охлаждаемого кристаллизатора создает значительное тепловое сопротивление и не позволяет увеличить теплоотвод даже при интенси­фикации охлаждения.

 

Литье под давлением

 

Литье под давлением — один из наиболее производительных способов получения отливок высокой точности и чистоты поверхности. К числу его преимуществ относится возможность изготовления сложных и тонкостенных деталей, малая материалоемкость, улучшение условий труда. Чистота поверхности при литье под давлением достигает — Rа 12, 5-3, 2мкм, точность размеров до 11 квалитета. Особенность метода — высокие скорости вступления металла в форму теплоотвода, что, как правило, предопределяет получение мелкозернистой структуры.

Есть и недостатки — ограниченность габарита и веса деталей, трудность получения отливок с внутренними полостями, сложность оборудования, установка и эксплуатация которого рентабельна только при крупносерийном и массовом производстве.

Суть литья под давлением в том, что расплавленный металл заполняет форму и кристаллизуется под избыточным давлением, после чего форму раскрывают и отливку удаляют. По способу создания давления можно выделить разновидности метода: литье под поршневым и газовым давлением, вакуумное всасывание, литье выжиманием, жидкая штамповка, кристалли­зация под сверхвысоким давлением, кристаллизация в электромагнитных полях. Наиболее рас­пространено формообразование под поршневым давлением при использовании литейных ма­шин. Однако пока оно применимо главным образом для получения тонкостенных деталей из цветных сплавов. Увеличение толщины стенки отливки до 6 мм и выше обычно приводит к газовой порис­тости.

По сравнению с другими методами питье под давлением экономит 30—50% металла (по весу) и часто в десятки раз снижает общую трудоемкость изготовления детали. Основные направления его развития — использование новых, особенно бесконтактных способов создания избыточного давления, усовершенствование соответствующих машин, увеличение веса и габа­ритов литья, повышение точности отливок, их армирование, автоматизация операций и др.

Литье под давлением по технологическим и экономическим показателям занимает ведущее место среди способов получения отливок, так как при наибольшем приближении фор­мы и размеров отливки к готовой детали, высокой точности и чистоте поверхности этот способ обеспечивает и наиболее высокий уровень производительности труда, возможность полной автоматизации технологического процесса.

Литьем под давлением изготавливают сложные тонкостенные отливки из легкоплав­ких цветных сплавов на основе алюминия, магния, цинка, меди. Масса полученных отливок находится в пределах от нескольких граммов до десятков килограммов, характер производства, как правило, массовый или крупносерийный. Наибольшей эффективности достигают при по­лучении отливок массой до 30 кг, размеры до 1, 5 м из цветных металлов и сплавов. Отливки почти не требуют дальнейшей механической обработки, с готовой внутренней или внешней резьбой, с разнообразной арматурой, с полостями и каналами сложной конфигурации. Применение черных металлов — стали и чугуна — для литья под давлением ограничено, так как при этом наблюдается очень низкая стойкость литейных форм.

Конфигурация отливки должна обеспечивать беспрепятственное выталкивание из формы. Наиболее рациональной является форма с одной плоскостью разъема. Поверхности отливки, образуемые стержнями или перпендикулярные к плоскости разъема, должны иметь конусность или литейный уклон.

При переводе деталей на литье под давлением необходимо учитывать особенности формирования отливок при данном способе литья. Сочетание двух особенностей процесса — металлической формы и давления, на жидкий металл в период его заливки в форму — позволя­ет получать плотные отливки с высокими механическими свойствами, с высокой точностью размеров и малой шероховатостью поверхности.

Прочность отливок при литье под давлением на 15-20 % превышает прочность отли­вок из того же сплава изготовленных литьем в песчано-глинистые формы.

Литьем под давлением получают отливки различного назначения: детали приборов, корпуса, шестерни и т.п.

Основные преимущества литья под давлением по сравнению с литьем в песчано-глинистые формы следующие:

многократное использование литейных форм;

полное исключение формовочных и стержневых смесей;

высокая точность размеров ичистота поверхностей, практически не требующих механической обработки, возможность получения отливок с малой толщиной стенок (менее 1 мм) большой протяженности;

полное исключение трудоемких операций формовки, сборки и выбивки форм;

возможность комплексной автоматизацции производственного процесса.

К недостаткам способа литья под давлением относятся следующие:

высокая стоимость пресс- форм, сложность и длительность их изготовления;

невысокая стойкость npeсс-форм, особенно при литье сплавов с высокой температу­рой плавления (сталь, чугун, медные сплавы).

В связи с этим при назначении литья под давлением как способа получения заготовок необходимо учитывать технологнческие свойства материала детали. Сплавы для литья под дав­лением должны обладать следующими свойствами:

узким интервалом кристаллизации, необходимым для получения отливок с равно­мерной плотностью;

достаточными прочностью и пластичностью при высоких температурах во избежание разрушения отливки при ее извлечении из формы;

высокой жидкотекучестью;

малой степенью привариваемости кматериалу формы;

стабильностью химического свойства при длительной выдержке в раздаточных печах.

Наружные контуры отливок при литье под давлением весьма разноооразны и слож­ны, однако дня уменьшения коробления детали следует избегать чрезмерного увеличения одно­го размера в сравнении с двумя другими.

Стенки отливки следует предусматривать возможно одинаковой толщины в целях
устранения термических узлов, в которых образуются воздушная, усадочная пористость или раковины. Оптимальная толщина стенки — 4—5 мм; у отливок с толщиной стенок более 6—8мм появляются усадочная рыхлость, газовые раковины и пористость из-за попадания газов и воздуха в металл при заливке. Тонкостенные же отливки имеют по всему сечению мелкозернистую структуру и более высокую прочность. Стенки в деталях следует предусматривать минимальной толщины, а в случаях недостатка жесткости или прочности – укреплять стенки ребрами жесткости. Толщина ребер жесткости должка составлять 0, 8 — 0, 9 толщины стенки.

Литье под низким давлением. Основной недостаток литья под поршневым давлением —низкая стойкость материала пресс-формы и пуансона. От этого недостатка свободен метод литья под низким давлением, или, как часто его называют, метод литья под регулируемым давлением.

Метод литья под низким давлением используют при производстве массового чугунного литья, например, железнодорожных колес. Метод имеет ряд достоинств:

- автоматизируется весьма трудоемкая и материалоемкая операция заливки (или разливки в случае производства слитков);

- скорость потока металла в полости формы можно регулировать измене­нием давления и тем самым отливать крупные детали с тонкими стенками;

- можно создавать избыточное давление, что способствует улучшению качества поверхности и устранению газовой пористости;

- высокая скорость кристаллизации исключает ликвацию;

- при литье под низким давлением уменьшается расход металла на литниковую систему;

-в отдельных случаях, меняя состав атмосферы, создающей давление, можно воздействовать и на свойства отливки.

Фактически литье под регулируемым давлением имеет лишь один серьезный недостаток — низкую стойкость металлопровода. Впервые метод был применен в массовом про­изводстве чугунных железнодорожных колес.

При данном способе литья отсутствует контакт атмосферы с распла­вом, что исключает вторичное окисление; большая скорость заливки; можно с высокой производительностью изготовлять полые детали, трубную заготовку и другие изделия высотой до 8—10 м, весом до 30 т, гарантируя точность рельефа иразмеров; быстрая кристаллизация отливок исключает развитие физической и химической неоднородности; поверхность деталей не требует, как правило, дальнейшей механической обработки.

Наибольшие по объему производства установки литья под регулируемым давлением используются в черной металлургии.

При изготовлении отливок из сложнолегированных сталей, содержащих хром, титан, алюминий и другие легкоокисляющиеся элементы, практически не меняется состав металла при заполнении формы.

 

2.10.8.Литье выжиманием.

Литье вакуумным всасыванием.

 

Метод можно рассматривать как одну из разновидностей литья под давлением и используется для изготовления панельных деталей значительных размеров до 2—2, 5 м, с толщиной стенки 2, 5—5 мм.

Сущность способа литья выжиманием: жидкий сплав (алюми­ниевый) заливается в нижнюю часть металлической формы (матрицу) и, при опускании верхней части формы (пуансона), выжимается, заполняя пространство между нижней и верхней частями формы.

Несмотря на сложность установок для выжимания расплава метод экономичен, так как позволяет снизить металлоемкость, а в некоторых случаях и трудоемкость изготовления сложных особенно клепаных узлов конструкций в 20— 30 раз.

Серьезный недостаток метода — образование горячих трещин при усадке. Дня борьбы с горячими трещинами применяют различные приемы, в частности, предельно снижают температуру заливки.

Отливки, полученные выжиманием, высокоплотны, с мелкозернистой структурой, с хорошими механическими свойствами.

Литье вакуумным всасыванием также можно рас­сматривать как разновидность литья под давлением. Этим методом можно получать отливки значительных габаритов, но простой формы, например втулки, трубные заготовки и т. п.

Наиболее специфическая черта отливок, полученных вакуумным всасыванием, — крупнозернистостъ структуры.

Литье способом вакуумного всасывания, или литье под разрежением, стало приме­няться сравнительно недавно. Сущность процесса заключается в следующем. Жидкий сплав засасывается в охлаждаемую водой форму — кристаллизатор, а незатвердевший остаток сливается.

Вакуумным всасыванием можно изготовлять втулки или трубы. По истечении определеного времени, необходимого для затвердевания расплава на стенке кри­сталлизатора до определенной толщины, снимают разряжение и выливают не успевший затвердеть сплав в ванну. Затем поднимают кристаллизатор с затвердевшей в виде втулки ча­стью сплава. Качество внешней поверхности такой отливки хорошее (точность ±1 мм), внутрен­няя же поверхность отливки имеет развитую волнистость, и ее удаление возможно только меха­нической обработкой.

К преимуществам вакуумного всасывания относятся: спокойное заполнение сплавом полости кристаллизатора; исключается расход сплава на литниковые системы; из сплава частич­но удаляются растворенные в нем газы.

 

Центробежное литье

 

Центробежное литье - это способ изготовления отливок, при котором заливаемый в форму металл подвергается действию центробежных сил, возникающих в жидком металле при заливке во вращающуюся форму или, в отдельных случаях, в результате вращения уже запол­ненной металлом формы. Центробежное литье является типичным видом литья, при котором используются формы как разовые, так и постоянные. Это дает возможность комбинировать центробежное литье с другими видами литья, например с литьем по выплавляемым моделям.

Центробежное литье получило большое распространение как для изготовления отли­вок имеющих форму тел вращения, так и для фасонных отливок сложной конфигурации. Этот способ успешно применяется для отливки деталей из чугуна, стали и разных сплавов цветных металлов.

Механические свойства отливок из стали, отлитых центробежным способом, не усту­пают прочности поковок из той же стали.

Наибольший технико-экономический эффект дает применение центробежного литья при крупносерийном и массовом производствах отливок типа тел вращения. К числу таких изделий относятся трубы (различного назначения) из чугуна, стали, цветных металлов, жаро­стойких, коррозионно-стойких и твердых сплавов, втулки, цилиндрические гильэы, тракторные и автомобильные детали, кольца подшипников скольжения, железнодорожные и трамвайные бандажи ж т.п. Большое распространение получил способ центробежного литья биметалличе­ских изделий. Наибольших масштабов достигло применение центробежного литья в производ­стве чугунных труб.

Центробежное литье фасонных деталей следует применять только в тех случаях, ко­гда обычным литьем в неподвижные формы эти изделия либо невозможно получить, либо получают с низкими технико-экономическими показателями. Особенно эффективно при нзготовлении отливок: тонкостенных деталей с извилистыми очертаниями, с тонким и острым рельефом, малыми радиусами закруглений.

Качество поверхности отливок и точность их изготовления определяют видом применяемой формы постоянной металлической или разовой. Материал металлических форм – чугун и сталь. Разовые формы бывают песчано-глинистые (сырые или сухие), керамические или собранные из стержней.

К основным преимуществам этого способа литья можно отнести:

-высокую плотность отливок вследствие малого количеств внутрикристаллических пустот усадочного или газового происхождения; в ряде случаев центробежные отливки по своим свойствам оказываются на уровне поковок, а по экономии металла и снижению трудозатрат превос­ходят их;

-меньший расход металла, из-за отсутствия литниковой системы или снижения массы литников;

-исключение затрат на изготовление стержней для получения полостей в цилиндрических отливках;

-улучшение заполняемости формы металлом; получение отливок из сплавов, обладающих низкой жидкотекучестью

-возможность получение многослойных изделий.

Центробежному способу литья свойственны и недостатки:

-трудность получения качественных отливок из ликвирующих сплавов;

-загрязнение свободной поверхности отливок ликвидами и неметаллическими включениями, а у толстостенных отливок эта поверхность может иметь пористость, что вынуждает увеличивать припуск на механическую обработку свободных поверхностей на 2 5 %;

-для получения отливок требуются специальные машины;

-литейные формы дорогостоящие, они должны иметь высокие прочность и герметич­ность ввиду повышенного давления металла.

 

Штамповка жидкого металла.

Объем стального литья под давлением сравнительно невелик и ограничен небольши­ми деталями, что объясняется главным образом трудностями подбора достаточно стойких мате­риалов пресс-форм.

Сущность метода заключается в том, что жидкий металл подается непосредственно в металлическую форму, под давлением прессующего пуансона происходит уплотнение залито­го металла. Сопряжение пуансона и матрицы образует закрытую фасонную полость. Наружные контуры отливки получают разъемной формой, если деталь имеет наружные выступы, или неразъемной формой — при отсутствии выступов; внутренние полости образуются внедрением пуансона в жидкий металл.

Технологический процесс штамповки заготовок из жидкого металла объединяет в се­бе процессы литья, горячей объемной штамповки и выдавливания.

Использование давления при формообразовании обеспечивает возможность получе­ния острых и четких граней, высокой чистоты поверхности, плотности металла и повышение механических свойств. При штамповке из жидкого металла устраняется основной недостаток литья под давлением — газовые и усадочные раковины. Кристаллизация отливок происходит в условиях напряженного состояния всестороннего сжатия — схемы, при которой значительно повышается пластичность материалов, что позволяет обрабатывать хрупкие материалы, напри­мер оловянные бронзы. Основное оборудование для штамповки из жидкого металла — фрикционные или гидравлические прессы.

Штамповку из жидкого металла применяют при серийном и крупносерийном произ­водствах; в некоторых случаях процесс рентабелен при сериях в 50 — 100 деталей. Этот способ позволяет получать весьма сложные тонкостенные детали, имеющие фасонную образующую снаружи и внутри, детали с центральной полостью глубиной 0, 4 —1, 0 диаметра детали, сплош­ные и толстостенные заготовки типа фланцев, тройников, корпусов и т.п. Заготовки из цветных сплавов могут быть получены массой до 300 кг, из черных металлов несколько меньше. По меха­ническим свойствам заготовки не уступают ковано-штампованным, структура — мелкозерни­стая, полностью отсутствуют литейные дефекты.

Штамповку из жидкого металла осуществляют в двух вариантах: с кристаллизацией под поршневым давлением и выдавливанием из жидкого металла.

Литье с кристаллизацией под поршневым давлением нашло применение при изго­товлении уплотненных сплошных заготовок типа компактных толстостенных фасонных загото­вок с толщиной стенок от 7 мм и выше. Залитый в металлическую форму жидкий металл под­вергают давлению со стороны пуансона для уплотнения. Пуансон перекрывает матрицу и воз­действует на металл, избыток которого вытекает через систему выпоров, прорезанных в вершине матрицы. Металл подвергают давлению в течение всего периода времени, необходимого для затвердевания отливки.

При данном технологическом процессе наблюдается следующее:

практически полное устранение усадочных раковин и усадочной пористости, поэто­му отпадает необходимость применения прибылей;

внешнее давление на металл заставляет газы, находящиеся в жидком металле, оста­ваться в растворе, благодаря чему отсутствуют газовые раковины и пористость, устраняется ликвация составляющих сплава, различных по плотности;

увеличение скорости затвердевания отливок, что способствует измельчению структу­ры, повышению механических свойств отливок.

Штамповку выдавливанием жидкого металла применяют для получения фасонных деталей с полостями толщиной стенок 2 —100 мм. Наиболее целесообразно выдавливанием изготавливать детали с центральными отверстиями диаметром до 90 и толщиной стенок до 7 мм.

Залитый в матрицу жидкий металл под давлением пуансона, поперечное сечение ко­торого меньше поперечного сечения матрицы, устремляется вверх, заполняя полость формы, образованную внутренней поверхностью матрицы и наружной поверхностью пуансона. После окончания формообразования давление прессующего пуансона передают на верхние торцы заготовки и на ее внутреннюю поверхность для уплотнения в процессе затвердевания. Выдержку металла под давлением продолжают до полного затвердевания заготовки, что обеспечивает получение четких граней и высокой точности заготовок. Формообразование выдавливанием осуществляется одновременно с кристаллизацией металла под давлением и в зависимости от конфигурации детали сопровождается также пластическим деформированием; что позволяет получать детали более сложной формы, чем при обработке дав­лением.

Способом выдавливания жидкого металла можно получать сложные заготовки с раз­личными фасонными приливами на наружной поверхности, значительно выходящими за пределы габаритных размеров детали; в заготовках могут быть получены отверстия, рас­положенные не только в направлении движения пуансона, но и в перпендикулярном направ­лении. Однако получение сквозных отверстий этим способом формообразования весьма затруд­нительно из-за значительного усложнения оснастки.

Штамповка из жидкого металла занимает промежуточное положение между литьем и обработкой давлением. Поэтому при выборе этого способа формообразования заготовки необ­ходимо учитывать его преимущества по сравнению с литьем и горячей объемной штамповкой.

Преимущества перед литьем под давлением:

-более высокое давление, действующее на металл заготовки во время ее кристаллиза­ции, уплотняет металл, устраняет литейные пороки (газовые и усадочные раковины), присущие литью под давлением;

-отпадает необходимость в литниковой системе, так как металл вводят непосредствен­но в рабочую полость формы;

-увеличивается скорость кристаллизации, в результате чего структура металла получа­ется более равномерной, мелкозернистой;

-значительно повышаются механические свойства заго­товок;

-более высокая стойкость форм, чем при литье под давлением;

-способ более универсален: позволяет получать заготовки как тонкостенные, так тол­стостенные из всех стандартных литейных сплавов.

Преимущества перед горячей объемной штамповкой:

-возможность изготовления заготовок как из деформируемых, так и из литейных, мало пластичных и хрупких сплавов,

-незначительные затраты на формообразование, примерно в шесть-восемь раз мень­ше, чем при горячей объемной штамповке;

-возможность выполнения глубоких полостей, тонких сечений, сложных приливов с большими линейными размерами и малой толщиной;

-возможность получения ответственных деталей при незначительной или же полно­стью исключенной механической обработке;

-более высокая точность заготовки, обусловленная меньшим износом инструмента;

-значительное сокращение цикла изготовления заготовки, так как отсутствует необходимость получения исходных заготовок в виде слитка или прутка;

-снижение расхода материалов и трудоемкости изготовления деталей из заготовок, полученных жидкой штамповкой.

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. Литье по выплавляемым моделям