Технологичность и особенности конструкции литых деталей из тугоплавких сплавов

Тугоплавкие сплавы в машиностроении. Температурный порог эксплуатации сплавов напрямую зависит от температуры плавления их основы. Для изделий, работающих в условиях экстремально высоких температур, применяются сплавы тугоплавких металлов, такие как молибден, вольфрам и титан. Для повышения жаропрочности литых сплавов широко используется механизм дисперсионного твердения. Все тугоплавкие металлы склонны к активному поглощению газов при нагреве, что приводит к охрупчиванию готовых изделий. Именно поэтому процессы плавки и заливки проводятся в вакууме или в контролируемой среде инертных газов.

Литье титановых сплавов. В современном машиностроении широко применяются сплавы на основе титана. Благодаря низкой плотности титана эти сплавы характеризуются высокой удельной прочностью и исключительной коррозионной стойкостью. Узкий интервал кристаллизации титановых литейных сплавов обеспечивает им превосходные литейные свойства, включая высокую жидкотекучесть и малую линейную усадку, составляющую примерно 1%. Литые заготовки из титана обычно получают в разовых графитовых или керамических оболочковых формах. Для дальнейшего улучшения механических свойств часто применяются термоводородная обработка и горячее изостатическое прессование.

Принципы технологичности литых деталей. Конструкция литой детали должна гарантировать высокие механические и служебные характеристики. Разработка такой конструкции часто допускает несколько вариантов, равноценных по работоспособности. Однако эти варианты могут кардинально различаться по сложности изготовления, что обусловлено спецификой литейного производства. Нерациональная конструкция приводит к росту трудоемкости создания моделей, перерасходу формовочных и стержневых смесей, а также к образованию дефектов. Особое влияние на процесс формовки оказывает конфигурация внешней поверхности отливки.

Влияние конфигурации на технологичность. Конфигурация внешней поверхности отливки напрямую влияет на сложность процесса. Зачастую незначительные изменения внешних очертаний, не сказывающиеся на функциональности, упрощают технологический процесс и снижают себестоимость. Например, бобышки рекомендуется располагать на одной высоте (рис.3.20, а), что позволяет обработать их за один проход. Криволинейные очертания кронштейнов (рис.3.20,б) неоправданно усложняют изготовление модели. Выступающие бобышки выше плоскости разъема (рис.3.20, в) требуют применения формовки с отъемными частями или дополнительных стержней. Следует избегать конструкций с консольными стержнями (рис.3.20, г).

Проектирование внутренних полостей и ребер. В корпусных деталях предпочтительнее проектировать открытые полости (рис.3.20, д). При создании внутренних полостей необходимо избегать многоступенчатости, так как усадка отливки в таких местах может провоцировать горячие или холодные трещины. Ребра жесткости целесообразно располагать во взаимно-перпендикулярных направлениях относительно плоскости разъема (рис.3.20, е). В конструкциях с внутренней полостью существует высокий риск пригара из-за перегрева стержня (рис.3.20, ж). На отливках, подлежащих механической обработке, обязательно присутствуют базовые поверхности для крепления на станке.

Равномерность толщины стенок и усадочные дефекты. При конструировании литой детали крайне важно предусмотреть равномерную толщину стенок. Различные по толщине участки охлаждаются с разной скоростью, что приводит к возникновению внутренних напряжений, короблению и образованию трещин. Для крупных отливок из сплавов с значительной объемной усадкой в форме предусматривают прибыли. Прибыль, представляющая собой массивный элемент, располагается на самых толстых частях отливки и затвердевает последней. Для небольших отливок устранение усадочных дефектов достигается созданием конструкции с равномерной толщиной стенок без локальных скоплений металла.

Примеры конструктивных решений для маховиков. Возникновение внутренних напряжений в отливке маховика с тонкими спицами и массивным ободом (рис.3.21, а) объясняется разной скоростью их охлаждения. Для минимизации этих напряжений спицы выполняют изогнутыми (рис.3.21, б). При усадке обода изогнутые спицы испытывают незначительные изгибающие напряжения по сравнению со сжимающими в прямых спицах. Снижению напряжений также способствуют наклонные спицы в шкивах и маховиках (рис.3.21, в). Конструкция детали существенно влияет на образование усадочных пустот и пористости, особенно в местах скопления металла.

Особенности литья по выплавляемым моделям. Специальные виды литья предъявляют дополнительные требования к технологичности. Литьем по выплавляемым моделям получают отливки с толщиной стенки от 1 мм. Прочность повышают за счет ребер жесткости, а не увеличения толщины стенок, так как в массивных сечениях вероятно появление газовой и усадочной пористости. Следует избегать узких полостей и глубоких пазов, а внутренние полости нежелательно проектировать с уширениями. Отверстия под крепеж выполняют с посадочными поверхностями на выступах для упрощения пресс-форм.

Литье в оболочковые формы и кокиль. Литьем в оболочковые формы производят отливки с толщиной стенки 2–12 мм. Конфигурация наружной поверхности должна быть максимально простой для использования формы с одной плоскостью разъема. Литье в кокиль характеризуется применением металлической формы и высокой скоростью охлаждения. Конфигурация детали должна обеспечивать минимальное количество разъемов кокиля. Минимальная толщина стенок ограничена жидкотекучестью сплава и составляет, например, 3 мм для магниевых сплавов и 8 мм для стали. Необходимо избегать острых углов и резких переходов.

Литье под давлением и центробежное литье. При литье под давлением решаются проблемы создания тонкостенных отливок (0,5–5 мм). Прочность и жесткость достигаются использованием ребер жесткости и армированием. Сложность внутренней поверхности необходимо минимизировать, так как применение песчаных стержней недопустимо. При центробежном литье внутренняя поверхность отливки часто имеет дефекты и невысокую точность размеров. Из-за ускорения ликвационных процессов под действием центробежных сил для таких отливок рекомендуется выбирать малоликвирующие сплавы.

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.