Литье в разовые формы: технология и литейные свойства сплавов

Принципиальная схема процесса литья в разовую разъемную форму детально представлена на Рис. 3.2 а. Расплавленный металл (10) из ковша (11) поступает в литейную форму (3), заполняя ее полость (4) через систему литниковых каналов. После заполнения и последующего затвердевания металла форма извлекается, что приводит к получению готовой отливки (Рис. 3.2 б). Для формирования внутренних полостей и сложных контуров в форме устанавливаются литейные стержни (6), которые извлекаются после процесса кристаллизации.

Рис. 3.2. Схема процесса литья в разовые разъемные формы: а - принципиальная схема; б - отливка после выбивки; 1,2 - нижняя и верхняя опоки; 3 - форма; 4 - полость формы; 5 - выпор; 6 - литейный стержень; 7 - вентиляционный канал; 8 - вертикальный канал (стояк); 9 - литниковая чаша (воронка); 10 - расплавленный металл; 11 - ковш; 12 - шлакоуловитель; 13 -горизонтальные каналы (питатели)

Для успешной реализации любого литейного процесса необходимы три ключевых технологических элемента. К ним относятся литейный материал (металлический сплав), технологическое литейное оборудование (печи, ковши) и технологическая литейная оснастка (модели, формы, стержневые ящики). Каждый элемент играет критически важную роль в обеспечении качества и точности конечной отливки.

Литейные материалы, к которым относятся металлические сплавы, пластмассы и керамика, должны обладать комплексом высоких характеристик. Эти характеристики включают литейные (технологические) свойства, определяющие способность материала к превращению в качественную отливку, а также механические и эксплуатационные свойства, отвечающие требованиям готового изделия. При проектировании литой детали учет литейных свойств сплава является обязательным условием.

Наиболее важными литейными свойствами сплавов являются жидкотекучесть, усадка, склонность к ликвации и поглощению газов. Жидкотекучесть – это способность расплава заполнять литейную форму, точно воспроизводя все ее контуры. Данное свойство напрямую зависит от химического состава сплава, его температуры ликвидус и, что особенно важно, от температуры заливки.

Сплавы, затвердевающие при постоянной температуре или в узком интервале, характеризуются последовательным образованием твердой корки, что способствует высокой жидкотекучести. В отличие от них, сплавы с широким интервалом кристаллизации образуют внутри потока дендриты, быстро теряя подвижность. Повышение температуры перегрева сплава над точкой ликвидус положительно сказывается на его жидкотекучести, улучшая заполняемость формы.

Усадка – это свойство сплавов уменьшаться в объеме и линейных размерах в процессе затвердевания и последующего охлаждения. На величину усадки влияют химический состав сплава, температура заливки и свойства литейной формы. Различают линейную усадку и объемную усадку, которые количественно описываются соответствующими формулами.

Линейная усадка (ε лин) рассчитывается как процентное отношение разности размеров полости формы (lф) и отливки (lот) при 20°C. Ее величина варьируется от 1% для серого чугуна до 1.5-2% для сталей и цветных сплавов. Объемная усадка (ε об) определяется аналогично, но через объемы полости формы (Vф) и отливки (Vот). Именно объемная усадка является причиной возникновения серьезных дефектов.

К основным дефектам, вызванным усадкой, относятся усадочные раковины, усадочная пористость, трещины и коробление. Усадочная раковина – это крупная полость, образующаяся в тех частях отливки, которые затвердевают последними. Она характерна для сплавов с узким интервалом кристаллизации, таких как чистые металлы и эвтектические сплавы.

Усадочная пористость представляет собой рассредоточенные пустоты, возникающие в изолированных областях отливки при их затвердевании без доступа жидкого металла. Для компенсации усадки и питания массивных узлов отливки в форме предусматривают дополнительные резервуары с расплавом – прибыли. Прибыль должна быть массивнее питаемого узла, чтобы затвердевать в последнюю очередь.

Если усадке препятствуют элементы формы или стержни, в отливке возникают внутренние напряжения. Эти напряжения могут привести к образованию трещин или короблению изделия. Различают горячие трещины, формирующиеся в интервале кристаллизации, и холодные трещины, возникающие в уже затвердевшей отливке из-за неравномерного охлаждения.

Для снятия усадочных напряжений отливки подвергают отжигу. Этот процесс включает в себя нагрев до температур ниже температуры солидус с последующим медленным охлаждением вместе с печью. Такая термическая обработка позволяет выровнять напряжения по всему объему отливки. Иногда для снятия напряжений используется длительная вылежка отливок после черновой механической обработки.

Ликвация – это неоднородность химического состава в различных частях отливки. Она возникает из-за разной растворимости компонентов сплава в жидкой и твердой фазах. Выделяют два основных вида: внутрикристаллическую (дендритную) ликвацию и зональную ликвацию. Зональная ликвация часто вызвана разницей в плотностях компонентов сплава.

В процессе затвердевания из расплава выделяются растворенные газы, что приводит к образованию газовой пористости или газовых раковин. Эти дефекты значительно ухудшают механические свойства отливки. Источником газов может быть как сам расплав, так и литейная форма с недостаточной газопроницаемостью. Газовые раковины типично образуются у горизонтальных стенок отливки и в зонах с затрудненным газоотводом.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Башнин Ю.А., Ушаков Б.К., Секей А.Г., Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г., Третьякова Н.В., и др.

Источник: Основы производства металлов.

Данные публикации будут полезны студентам технических специальностей, начинающим специалистам в области металлургии и машиностроения, а также всем, кто интересуется основами промышленного производства.