Производство отливок из цветных металлов

Обновлено: 18.05.2024

1. Производство отливок из сплавов цветных металлов: Учебник для вузов.

/ Курдюмов А.В., Пикунов М.В., Чурсин В.М., Бибиков Е.Л. 2-е издание, дополненное и переработанное-М.: » МИСиС», 1996.

2. Цветное литьё: Справочник/ Н.М.Галдин, Д.Ф. Чернега, Д.Ф.Иванчук и др.;

Под общ.ред. Н.М. Галдина.—М.:Машиностроение,1989.—528с.

3. Систематизация технологических процессов получения отливок. Ж. Литейщик России. № 2. 2003г.

4. МАШИНОСТРОЕНИЕ. Энциклопедия. Раздел 111. Технология производства машин. Том 111-2. Технология заготовительных производств. М.: «Машиностроение», 1996.

5. ГОСТ 15467-79. Показатели качества отливок.

6. Иванов В.Н. Технология специальных способов литья. Журнал «Библиотечка литейщика»

7. Ефимов В.А., Анисович Г.А. и др. Специальные способы литья: Справочник. Под общей редакцией В.А. Ефимова. – М.: «Машиностроение», 1991.

8. Ищенко В.В. Компьютеризованный анализ технологичности литых деталей: Методические рекомендации в 2-х частях. Ч.11. М., 1990.44с.

9. Ищенко В.В. Автоматизированный выбор способа формообразования отливок: Методические рекомендации в 2-х частях. Часть 1. М. 1990г. 34 с.

10. Юдкин В.С. Производство и литьё сплавов цветных металлов. Т.1, 2. М.: «МЕТАЛЛУРГИЯ». 1971.

11. Гини Э.Ч. Систематизация технологических процессов получения отливок. Журнал

«Библиотечка литейщика». №2 2003г.

12. Гини Э.Ч. Технология литейного производства: Специальные виды литья: учебник для

высш. учеб. заведений / Э.Ч. Гини, А.М.Зарубин, В.А.Рыбкин; под ред. В.А.Рыбкина. – 2-е

изд. стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2007.

Выбор оптимального способа литья осуществляется с учётом вида сплава, назначения и конструкции литой детали, требований к механическим и эксплуатационным свойствам отливок, серийности производства, а также производственных возможностей цеха. При этом анализируют возможности получения данным способом отливок требуемой группы сложности, обеспечения необходимой размерной точности и шероховатости поверхности. Первоочередное значение имеет экономическая целесообразность применения того или иного способа литья. Выбранный способ литья должен соответствовать программе выпуска отливок. Это связано с тем, что долговечность и стоимость технологической оснастки определяет возможность её окупаемости при выпуске данной партии отливок. При выборе способа литья учитываются также тенденции развития технологических процессов, обеспечивающих получение качественных литых заготовок, минимизацию металлоёмкости отливок, снижение затрат дефицитных материалов, максимальную гибкость технологических процессов, механизацию и автоматизацию процессов, получение заготовок с высокой надёжностью.

Таким образом, выбор способа литья регламентируется следующими основными условиями:

- возможностью получения отливок данной группы сложности из предлагаемых сплавов;

- выполнением требований, предъявляемых к отливкам, а именно:

- размеры отливок должны соответствовать требованиям чертежа;

- механические свойства, допустимое наличие дефектов должны соответствовать техническим требованиям на деталь;

- припуски на механическую обработку должны соответствовать стандарту;

- шероховатость необрабатываемой поверхности отливки должна соответствовать техническим условиям;

- выбранный способ литья должен обеспечить необходимую производительность и экономическую эффективность;

- способ должен обеспечить возможность изготовления требуемой технологической оснастки и использования имеющегося оборудования.

Для простых и типовых деталей не представляет большого труда произвести оптимальный выбор способа литья. Однако во многих случаях для решения этой задачи приходится использовать большой объём информации, анализ которой требует значительного времени. Сократить трудоёмкость этой работы позволяет компьютер. Автоматизированный выбор способа изготовления отливок может производиться с помощью специальных программ, составленных путём обобщения опыта экспертов-специалистов, существующих нормативов и технологических рекомендаций.

В МГТУ им. Н.Э. Баумана разработан пакет программ «Системный морфологический анализ литейной технологии» (СМАЛТ) ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ВЫБОРА СПОСОБА ЛИТЬЯ». При этом производится сравнительная оценка ряда способов литья с выбором наиболее эффективного. Необходимая для анализа информация выбирается из базы данных, входящих в состав пакета программ [9].

Приводим краткие характеристики и технологические возможности основных способов получения отливок из сплавов цветных металлов, КОТОРЫЕ НЕОБХОДИМО ЗНАТЬ ДЛЯ ОБОСНОВАННОГО ВЫБОРА соответствующего способа.

Предварительно рассмотрим классификацию существующих способов изготовления отливок, приведенную в работе [11].

В таблице 11-1 приведены основные способы получения отливок, области применения и краткая характеристика.

Таблица 11-1. Основные способы получения отливок из сплавов цветных металлов. Краткая характеристика.

Глава VI. Производство отливок из цветных металлов и сплавов

Производство отливок из цветных металлов и сплавов.

§ 1. Цветные сплавы применяемые для литья.

Для производства отливок применяют тяжёлые сплавы на медной основе и легкие на алюминиевой и магниевой основах.

Медные сплавы применяют для отливок, которые должны обладать некоторыми специальными свойствами: износоустойчивостью, стойкостью в атмосфере, кислотах, щелочах, пресной или морской воде при достаточно высоких механических показателях.

Чистая медь имеет плохие литейные свойства, поэтому чаще применяют её сплавы: латуни и бронзы.

Латуни – это сплавы меди с цинком. Они бывают простые и специальные. В простых латунях до 45% цинка и для отливок они применяются редко. Наиболее широко применяются специальные латуни, которые получаются добавкой к простым латуням Sn, Al, Ni, Mn, Fe, Pb, что придаёт латуням повышенную прочность, твёрдость, обрабатываемость резанием и хорошие литейные свойства.

Кроме латуней, применяются также бронзы. Они разделяются на две группы: оловянистые и специальные или безоловянистые. Т. к. олово является дефицитным и дорогостоящим металлом на практике применяют много марок бронз, в которых олово частично или полностью заменено другими элементами: Zn, Pb, Fe, Ni, Si и др.

Оловянистые бронзы обладают повышенной износоустойчивостью и коррозионной стойкостью, из них изготавливают корпуса насосов, подшипники, зубчатые колёса, втулки.

Из безоловянистых бронз наибольшее применение находят алюминиевые и кремнистые бронзы.

Алюминиевая бронза по сравнению с оловянистой, имеет большую прочность, сопротивление износу и стойкость против коррозии, достаточно хорошую жидкотекучесть. Однако ей свойственны повышенная усадка (до 3%) и склонность к поглощению газов в жидком состоянии.

Из алюминиевой бронзы отливают детали для химической промышленности, судостроения, ручных насосов.

Кремнистая бронза содержащая до 3% Si обладает хорошими литейными свойствами и высокой пластичностью. Добавка Mn повышает коррозионную стойкость, а Pb – антифрикционные свойства.

Маркировка медных сплавов.

Сплавы обозначают начальной буквой: Л – латунь, Бр – бронза. После чего следуют первые буквы основных элементов, образующих сплав.

О – олово, Ц – цинк, Мц – марганец, Ж – железо, Ф – фосфор, Б – бериллий, Х – хром, С – свинец, А – алюминий, К – кремний, Н – никель. Цифры , следующие после букв, показывают количество легирующих элементов в %.

Простые латуни маркируют: Л60; Л63; Л70; Л80; Л90; Л96, где цифра указывает количество меди, а остальное цинк.

Оловянистые бронзы: БрОФ6,5-0,4 – 6,5 олова и 0,4 фосфора, остальное медь, БрОЦС6-6-3 – 6% олова, 6% цинка, 3% свинца остальное медь.

Безоловянистые бронзы: БрАЖС-7-1,5-1,5 – 7% алюминия, 1,5% железа, 1,5%свинца остальное медь.

К литейным оловянистыим бронзам относят: БрО10; БрОФ10-1; БрОЦ10-2; БрОСЦ5-5-5; БрОСЦ6-6-3; БрОЖ10-3-1,5.

Кремнистая бронза БрКМц3-1.

Чистый алюминий также очень редко применяется для литья, т. к. имеет низкие литейные свойства. На практике чаще используют лёгкие сплавы на основе Al и Mg (силумины). Сплавы Al с Si с содержанием 6…13% Si отличаются высокими литейными свойствами, хорошей жидкотекучестью. Из них отливают тонкостенные изделия очень сложной конфигурации. Усадка силуминов около 1%.

В авиационной промышленности широко применяют сплавы магния. Из этих сплавов делают детали самолётов, радиоаппаратуры. Их литейная усадка 1,2…1,4%.

§ 2. Особенности изготовления форм для цветных сплавов.

Медные сплавы отличаются значительной усадкой, сравнительно легко окисляются с образованием на поверхности плёнки окислов при высоких температурах, а бронзы имеют большую склонность к ликвации. Поэтому должно быть обеспечено плавное заполнение формы. При литье деталей из медных сплавов, часто в форме располагают большое количество отливок, соединенных питателями с одним стояком. Для алюминиевой бронзы подводят металл в нижнюю часть отливки с учётом сильной окисляемости и увеличенной усадки этого сплава.

Для улучшения питания на отливке устанавливают массивные прибыли и питающие выпоры, подвод металла осуществляют в массивную часть отливки.

Из алюминиевых сплавов получают отливки простой и сложной формы со стенками толщиной от 2,5 мм и выше.

Применяют литниковые системы с сифонным подводом металла, а также через вертикальные щелевидные литники и сверху через коллектор. Внизу стояка обычно устанавливают фильтровальные сетки, которые задерживают шлак и пленки Al₂O₃ . Питатели соединяются с полостью формы. Выпоры устанавливают массивные, чтобы не только способствовали удалению газов, но и служили прибылью для отливки. Суммарный вес выпоров нередко составляет 50% и более веса детали, а вместе с литниковой системой более 100%.

При литье магниевых сплавов металл подводят к отливке одновременно в большом количестве мест, что обеспечивает равномерность заполнения формы и охлаждения отливки.

Для предотвращения магниевого сплава от загорания во время заливки форм струю металла опыливают серным порошком. Сера образует пары и сернистый газ, которые предохраняют металл от соприкосновения с воздухом.

§ 3. Плавка цветных металлов.

В качестве шихтовых материалов для изготовления фасонного литья из цветных сплавов применяют не только чистые металлы, но и вторичные. Cu, Ni, Zn, Al, Mg, Pb поступают в литейные цехи в виде слитков различной формы.

Вторичные металлы представляют собой отходы литейных цехов и др. производств. Во вторичных металлах не допускается наличие вредных примесей – Sb, As, Si а также окислов Fe, Al.

В качестве флюсов используют хлористые и фтористые соли, которые не только ошлаковывают примеси неметаллических включений, но и предохраняют сплав в процессе плавки от насыщения газами и окисления.

Плавильными агрегатами для плавки цветных сплавов являются тигельные и пламенные печи, стационарные и поворотные электрические и газовые тигли, электропечи сопротивления, электрические дуговые и индукционные печи.

Современное литейное производство

Являясь одной из наиболее древних технологий переработки материалов, литьё и ныне не теряет своей актуальности. Проектируются новые процессы и оборудование, совершенствуются приёмы повышения их экологической чистоты и точности.

Сущность и основы

На литейных предприятиях продукция получается в результате плавления исходного материала, последующей его заливки в форму, а затем затвердевания. Литейные цеха производят изделия широкого ассортимента: от компонентов двигателей до разнообразной тары пищевой промышленности. Литьём получают всю продукцию из чугуна, до половины алюминиевых деталей, до 20 % стальных изделий и т.д.

В основе всех литейных технологий лежит понятие жидкотекучести, когда материал, нагретый до температуры, превышающей температуру его плавления, превращается в высоковязкую жидкость. При этом должен соблюдаться эффект неразрывности её течения в необходимом направлении. Это даёт возможность формовать, в процессе затвердевания расплава, нужные заготовки.

Все литейные металлы обладают сложной структурой, поэтому на жидкотекучесть, оказывают влияние:

Вязкость.
Поверхностное натяжение.
Характер поверхностной оксидной пленки.
Наличие, содержание и состав включений.
Способ затвердевания.
Химический состав основного материала.
Физико-механические характеристики, прежде всего, удельный вес и температура плавления.

Жидкотекучесть устанавливается по результатам химических анализов и технологических проб применительно к конкретному материалу отливки.

Если ранее процесс течения жидкого металла был плохо управляемым, что приводило к различным дефектам литья – неравномерности структуры конечной продукции и пористости, то теперь ситуация изменилась. Чтобы производить отливки с оптимальным качеством и минимизировать издержки производства, освоены процессы компьютерного моделирования, в результате которых можно прогнозировать скорость потока и наличие различных охлаждающих эффектов. Именно они становятся причиной пористости литого продукта.

3-D моделирование позволяет регулировать:

Вязкость расплава;
Интенсивность охлаждения;
Степень пористости.

Разрабатываемая технологом с учётом перечисленных факторов пространственная модель отливки позволяет ещё на стадии проектирования технологии оптимизировать дизайн детали (обеспечивая её оптимальную конфигурацию), конструировать литейную оснастку, а также создавать наилучшую последовательность выполняемых операций.

Технология литейного производства чёрных и цветных металлов

Литейные свойства материалов учитывают не только жидкотекучесть, но и уменьшение объёма, которое происходит в процессе охлаждения отливки. Такое явление называют усадкой; она составляет 1…3 % от первоначальных размеров. Поскольку все металлы анизотропны*, то различают линейную и объёмную усадку, которые определяют итоговый баланс металла. Первый параметр важен для отливок с увеличенным соотношением длины к ширине, а второй – для отливок сложной формы.

В процессе охлаждения металла в его структуре наблюдается ликвация – неоднородность зёрен, что обуславливается различными свойствами составляющих. Формируются также примеси и неметаллические включения. Ликвация негативно влияет на свойства конечной продукции, поэтому неоднородность структуры стараются уменьшать всеми приемлемыми способами. В частности, действующий ГОСТ 26645-85 «Отливки из металлов и сплавов» ограничивает содержание фосфора, серы (а также их соединений – сульфидов и фосфидов), ряд газов – водород, кислород, а также количество шлаков, не выведенных из металла.

В зависимости от литейных свойств металлов принимается решение о выборе целесообразной технологии получения отливок. Различают свободное литьё в формы (песчаные или металлические), литьё под давлением, литьё выжиманием, центробежное литьё, а также комбинированные способы, например, жидкую штамповку.

Литьё под давлением

Литье под давлением используется для производства отливок ответственного назначения. Процесс требует использования специального оборудования, где металл плавится, а затем поступает в форму, где охлаждается и затвердевает.

Литье под давлением используется для изготовления тонкостенных деталей с большим количеством рёбер и поднутрений. Такие отливки применяют в бытовой технике, электроинструментах, деталях автомобилей и пр. Формы для литья под давлением не ограничиваются по сечению.

Возможность получения деталей со сложными формами и небольших размеров.
Высокое качество поверхности.
Повышенная (в сравнении с обычными литейными технологиями) точность.
Стабильность характеристик металла отливки.
Высокая производительность.

Высокая стоимость оборудования и оснастки.
Сравнительно небольшая стойкость инструмента.
Повышенный уровень первоначальных финансовых затрат.

Литьё под давлением оправдывает себя при значительных программах выпуска продукции, либо при повышенных требованиях к качеству готовых отливок (в частности, для исключения последующей механической доработки).

Технологический цикл для литья под давлением очень короткий, обычно от 2 секунд до 2 минут, он состоит из следующих четырех этапов:

Зажима частей пресс-формы, при этом одна половина закрепляется на оборудовании, а вторая получает возможность скольжения по направляющим;
Подачи расплава в закрытый объём пресс-формы. Объём впрыска определяется объёмом металла (с учётом его усадки), давлением и мощностью подачи;
Охлаждения расплава в процессе контакта металла со стенками пресс-формы. В некоторых случаях усадку учитывают поджатием подвижной половины пресс-формы к поверхности затвердевающей детали;
Удаление сформированной отливки из оснастки, время которого рассчитывается, исходя из термодинамических свойств материала и максимальной толщины стенки детали.

После цикла литья под давлением обычно требуется некоторая пост-обработка. Так, при охлаждении часть материала, находящегося в каналах формы, затвердевает. Этот избыточный металл должен быть обрезан с помощью резаков. При необходимости его можно добавлять в расплав, используя для литья следующей партии продукции.

Литьё выжиманием

Технология используется в случае, когда требуется постоянная компенсация усадки материала, и применяется для литья крупных отливок с тонкими стенками. Для этого подвижная полуформа получает принудительное перемещение по направлению к поверхности расплава – вращением, винтовым или плоско-параллельным движением. Последовательность переходов такова. Металл заливают в нижнюю часть формы, далее перемещают подвижную её часть до контакта с расплавом, при этом излишек сливается в приёмный ковш установки. Поскольку между ним и основным металлом поддерживается постоянный тепловой контакт, то потери тепла минимальны, и физико-механические параметры материала равномерны во всех сечениях. Возрастает и коэффициент заполнения формы. После затвердевания подвижная полуформа перемещается в исходное положение, а готовая отливка выталкивается из полости.

Повышенная структурная однородность отливки.
Высокая равномерность физико-механических характеристик материала.
Высокая производительность процесса.

В основном литьё выжиманием используется для получения продукции из алюминиевых литейных сплавов.

Оборудование и формы

В качестве плавильного оборудования в литейных производствах предусматриваются дуговые или индукционные электропечи. Вид оборудования определяется металлами, с которыми работает литейный цех/участок: электродуговые печи идеально подходят для работы со сталью или чугуном, в то время как литейный цех, специализирующийся на меди, с большей вероятностью использует индукционную печь. Печи могут варьироваться в размерах: от небольшого настольного оборудования до тех, что весят несколько тонн.

Современные литейные производства механизированы. Механизации подвергаются практически все операции цикла: от производства стержней до собственно литья. Формовочные машины применяют при серийном производстве отливок. Ручная формовка распространена лишь в малых ремонтных производствах.

В состав основного оборудования включают:

Плавильные печи;
Заливочные ковши;
Загрузочно-транспортное оборудование - погрузчики, краны, конвейеры и пр.
Средства управления и автоматики.

Электродуговая печь работает по принципу периодического плавления. Металл расплавляется путем подачи электрической энергии внутрь печи через графитовые электроды. Дополнительная химическая энергия подается кислородно-топливными горелками. Кислород вводят для удаления примесей и другого растворённого газа. Когда металл расплавляется, шлак образуется и плавает к верхней части расплава; шлак, который часто содержит нежелательные примеси, удаляется перед выводом.

Индукционная печь передает электрическую энергию методом индукции, когда высоковольтный электрический источник индуцирует низкое напряжение при большом токе во вторичной катушке. Индукционные печи способны работать при минимальной потере сырья, однако больше используются при производстве отливок из цветных металлов и сплавов.

Все литейное оборудование специально разрабатывается для надежной работы при повышенных температурах. Доминирующими тенденциями при производстве данной техники являются масштабность, автоматизация, оперативная отделка отливок, повышенные безопасность и эффективность.

Какие смазочные материалы применяются? Выбор зависит от марки материала и метода литья. Исходный концентрат в жидком виде должен быть водорастворимым, а в твёрдом виде используются термостойкие пасты.

Основной инструмент в литейном производстве

Литейная оснастка – это модели (шаблоны), опоки и формы. Что такое опока? Это полость, куда заливается расплавленный металл. Шаблон представляет собой реплику объекта, подлежащего литью, и используется для формирования отливки. Модели могут быть изготовлены из древесины, металла или пластмассы. Основными этапами получения оснастки являются:

Получение полости;
Размерная обработка элементов;
Разработка и установка механизмов зажима.

Формы разрабатывают с учётом усадки металла, для чего предусматривают компенсаторы. Стенки форм имеют конические участки для облегчения выталкивания из них готового изделия. Полые отливки создаются с использованием стержня - дополнительного объёма песка или металла, который образует внутренние отверстия и проходы в отливке. Каждый стержень помещают в форму до заливки. Для облегчения выемки застывшей отливки из формы используют противопригарные покрытия.

Существует два различных типа литейных форм: одно- и многоразовые.

Изготовление модельной оснастки многоразового применения обычно производится из металла, одноразового – из песка. Для облегчения складирования и применения всегда выполняется маркировка кокилей.

После того, как подготовка формовочных песков завершена, песок размещается вокруг модели. Затем образец удаляют, стержни устанавливают на место, после чего производят заливку расплава. Конструктивные особенности инструментов для литья оптимизируются для различных металлов и уровней сложности полости.

Стоимость некоторых видов литейного оборудования и оснастки представлена в таблице:

9.11 Производство отливок из цветных металлов

Кроме чугуна и стали, в машиностроении широко используются для получения отливок сплавы цветных металлов, особенно на основе меди, алюминия и магния.

Чистая медь отличается плохими литейными свойствами. Из числа медных сплавов для получения отливок применяют бронзы и латуни. Литейными оловянистыми бронзами служат сплавы меди с содержанием олова до 10%, а также бронзы, содержащие, кроме олова, еще цинк, свинец, фосфор и другие элементы. Из безоловянных6poнз пользуются алюминиевыми бронзами, т. е. сплавами меди с 10—12% алюминия.

Латуни как сплавы меди и цинка для литья применяются редко. Полноценными заменителями оловянистых бронз являются кремнистая латунь ЛК80-3 с 2,5—4,5% кремния, используемая для отливок арматуры, зубчатых колес и др. и марганцовистая латунь ЛМЖ с содержанием 3—4% марганца и 0,5—1,5% железа. Последняя служит для изготовления арматуры, работающей под давлением до 100 am [0,1 Мн/м 2 ]и при температуре до 300 9 С.

Из числа алюминиевых сплавов для отливок, особенно в авиастроении, пользуются силуминами (сплавами алюминия и кремния).

Высокими литейными свойствами обладают также сплавы на основе: алюминий — медь; алюминий — медь — кремний; алюминий — магний.

Магний в чистом виде не имеет удовлетворительных литейных и механических свойств. Из числа сплавов магния с другими элементами применяют для литья сплавы системы магний — алюминий — цинк и магний — алюминий. Данные сплавы, отличаясь сравнительно высокими механическими свойствами, имеют плотность в 4 раза меньше, чем сталь.

9.11 Производство отливок из чугуна

Серые чугуны обладают хорошими литейными свойствами: высокой жидкотекучестью, небольшой усадкой (до 1 %), незначительным влиянием газосодержания на механические свойства, достаточно высоким сопротивлением образованию горячих трещин, малой склонностью к образованию усадочных раковин и пористости. Литейные свойства чугуна существенно зависят от его химического состава. С увеличением содержания углерода жидкотекучесть доэвтектических чугунов повышается, а заэтектических уменьшается. При увеличении содержания кремния и фосфора жидкотекучесть чугуна повышается, влияние марганца и серы на жидкотекучесть металла несущественно.

Линейная усадка чугунов зависит от химического состава и скорости охлаждения: перлито-ферритные чугуны со структурой (П+Ф+Гр) имеют усадку 0,7 – 0,9, перлитные – 1,1 – 1,15, белые – 1,65 –1,75%.

Трещиноустойчивость чугунов возрастает с повышением содержания углерода и кремния; увеличение содержания серы снижает трещиноустойчивость чугунов; увеличение содержания марганца до 0,9% повышает трещиноустойчивость, а при дальнейшем увеличении его содержания вероятность появления трещин возрастает. Опасность появления трещин резко возрастает при наличии в чугуне более 0,2% фосфора.

Чугунные отливки, полученные в кокилях, меньше поражены газовыми раковинами, чем отливки, полученные в песчаных формах, так как вследствие высокой скорости охлаждения металла в кокилях газы не успевают выделяться из расплава. Однако неправильная конструкция вентиляционной и литниковой систем, нарушения при окраске кокилей и подготовке расплава повышают вероятность образования газовых дефектов в отливке.

Чугун в большей степени, чем другие сплавы, способен изменять структуру в зависимости от скорости охлаждения и затвердевания отливки. Поэтому, управляя скоростью охлаждения чугуна, можно получать отливки с любой структурой. Большое влияние на структуру чугуна оказывает также его химический состав. В свою очередь, от структуры чугуна зависят механические свойства, износостойкость, герметичность, обрабатываемость отливки. Повышение скорости охлаждения отливки при литье в кокиль приводит к уменьшению количества и размеров графитных включений, к увеличению содержания перлита и уменьшению его зерна, что повышает механические и другие служебные свойства отливок.

Читайте также: