Производство чугунных отливок
Министерство образования и науки Российской Федерации
ФГБОУ
ВПО «Московский
Чебоксарский политехнический институт (филиал)
Кафедра технологии конструкционных материалов и литейного производства
Реферат
по дисциплине металлургия
на тему «Производство чугунных отливок»
Выполнил:
студент_1_ курса
специальности металлургия
заочного отделения
Шулаев Роман Сергеевич
учебный шифр 313509
Проверил:
преподаватель (доцент, профессор)
Илларионов Илья Егорович
Чебоксары 2013
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 3
1. Литейное производство 4
2. Ручная и машинная формовка 5
3. Специальные способы производства отливок 12
3.1 Кокиль. Литье в кокиль 12
3.2 Литье под давлением 13
3.3 Литье в оболочковые формы 13
3.4 Литье по выплавляемым моделям 15
4. Центробежное литье 17
5. Применение низкочастотной виброобработки для повышения качества чугунных отливок 20
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 27
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 28
ВВЕДЕНИЕ
Русское слово чугун происходит от китайских терминов - "чу" (или "чжу"), соответствующего русскому слову "лить", а также "гун" - "дело", "ремесло". Постепенно короткий термин "чугун" заменил в русском языке слова "литое железо".
Чугун - самый распространенный литейный материал.
Как конструкционный железо–
Вместе с тем, недостаточно высокий уровень механических свойств ведет к увеличению материалоемкости изделий и сдерживает применение чугуна. Низкая прочность при растяжении обусловлена, прежде всего, неблагоприятной формой графита, а также повышенным, по сравнению со сталью, содержанием вредных примесей. На практике разработаны различные технологии воздействия на процесс кристаллизации чугуна и обработки в твердом состоянии, которые позволяют приблизить свойства чугуна к свойствам стали при сохранении всех его преимуществ.
1. Литейное производство
Литье – один из древнейших способов обработки металлов с целью придания изделию определенной геометрической формы. Функционально метод литья заключается в заливке расплава в специально приготовленные формы, внутренняя полость которых соответствует подлежащей изготовлению отливки. Литье является наиболее предпочтительным способом получения точных заготовок, особенно сложной конфигурации, при минимальной последующей механической обработке. Для современного состояния литейного производства характерны комплексная механизация и автоматизация технологических операций, а также использование разнообразнейших процессов литья и материалов, их обеспечивающих.
Значительная часть
Рассмотрим основные понятия литейного производства.
Отливкой называют заготовку или деталь, получаемую заливкой расплавленного металла в специально приготовленную литейную форму.
Литейная форма представляет собой систему элементов, образующих рабочую полость, при заливке которой расплавом формируется отливка. Литейные формы изготавливают как из керамических материалов (песчано-глинистая смесь, гипс и пр.), так и из металлических сплавов. Можно выделить следующие разновидности металлических литейных форм.
Рисунок 1 – Разновидности литейных форм
Для подвода расплава в
рабочую полость формы
Разработку чертежа отливки начинают с анализа технологичности конструкции литой заготовки. К числу общих требований, определяющих технологичность проектируемой отливки, обычно относят следующие положения:
- при определении положения отливки в литейной форме необходимо обеспечить свободное извлечение модели, с помощью которой может быть получена рабочая полость в форме;
- при разработке геометрической формы отливки необходимо избегать острых углов и резких переходов по толщине стенок, т.к. в этих местах появляются внутренние напряжения, приводящие к образованию трещин;
- отливка должна представлять собой сочетание простых геометрических тел с преобладанием прямых линий и плоских поверхностей, что упрощает и удешевляет изготовление модельного комплекта;
- конструкция отливки должна предусматривать удобство и простоту сборки литейной формы;
- отливка должна иметь удобное расположение базовых мест для обработки резанием;
- конструкция отливки должна предусматривать минимальный расход металла на изготовление из нее детали.
2.Ручная и машинная формовка
Ручная формовка является старейшим способом производства отливок. Она широко применяется в условиях мелкосерийного или индивидуального производства, при создании уникальных отливок. Использование для форм современных материалов позволяет получать высококачественные отливки практически любой степени сложности. Необходимо учитывать, что создание модели и подготовка к ручной формовке – дорогостоящая операция. В стоимости отливки при ручной формовке заметную часть составляет стоимость модели. Для сокращения расходов, улучшения качества подготовки модели в настоящее время широко применяют специализированные системы автоматизированного проектирования.
Под модельным комплектом понимают набор приспособлений, предназначенных для изготовления рабочих полостей в литейной форме и стержней. Он обычно включает литейную модель, стержневые ящики, модели элементов литниково-питающей системы, формовочные и стержневые шаблоны, а также подмодельные или модельные плиты. Материал для модельного комплекта выбирают в зависимости от типа производства и серийности заказа на изготовление отливок.
Литейная модель (рис.2) служит для образования в литейной форме отпечатка, соответствующего конфигурации и размерам отливки. В большинстве моделей предусматриваются дополнительные (по отношению к конфигурации отливки) части, называемые знаками, которые образуют в литейной форме базы (гнезда) для установки стержней. Стержень – это элемент литейной формы для образования отверстия, полости или иного сложного контура в отливке.
Рисунок 2 – Типы литейных моделей: а – неразъемные; б – разъемные; в – с отъемными частями; 1 – шипы; 2 – знаки; 3 – отъемные части; 4 – гвозди.
По конструкции, которая
обуславливается удобством
Стержневые ящики (рис.3) служат для изготовления стержней ручной и машинной формовкой на встряхивающих, пескодувных и пескострельных машинах. По конструктивным особенностям их подразделяют на три типа: цельные, разъемные и вытряхные. Цельные применяют для изготовления стержней простой конфигурации с большими уклонами на боковых стенках, что обеспечивает их легкое извлечение из ящика. Разъемные ящики наиболее распространены, так как их применяют для изготовления стержней самой разнообразной конфигурации и размеров. Вытряхные деревянные ящики имеют корпус коробчатого типа, в который вставляют четыре специальных вкладыша, оформляющих рабочую поверхность получаемых стержней. При этом тыловые стенки вкладышей исполняются с большими уклонами, что обеспечивает легкость их извлечения из корпуса при его подъеме.
Рисунок 3 – Стержневые ящики а – цельный; б – разъемный деревянный; в – разъемный металлический; 1 – шипы; 2 – стержни; 3 – скоба; 4 – гайка; 5 – стальная накладка.
Большинство деталей, получаемых методом литья, имеют внутренние полости или отверстия, для получения которых в литейную форму вставляют специальные элементы, называемые стержнями. Использование стержней значительно расширяет возможности приближения геометрической формы отливки к конструкции детали, что, соответственно, снижает ее себестоимость за счет повышения выхода годного. С другой стороны, стержни могут значительно усложнить изготовление и особенно сборку литейной формы. Следовательно, для упрощения сборки литейных форм и повышения точности отливки желательно, чтобы количество стержней, вставляемых в одну форму, было возможно меньшим: один-два. Чем проще очертания стержня, тем проще и легче его изготовить. Поэтому сложные по очертаниям стержни расчленяют на несколько простых, которые затем склеивают между собой.
Режим заполнения литейных
форм расплавом надлежит регулировать
таким образом, чтобы происходило
заполнение рабочей полости формы,
и в нее не проникали пена, шлаки
и другие неметаллические включения,
вызывающие загрязнение отливок. Регулируя
режим заполнения, необходимо иметь
в виду, что от него зависит образование
многих дефектов, связанных с тепловыми
условиями затвердевания
Режим заполнения форм расплавом регулируют посредством назначения конструкции литниковой системы и места подвода металла в форму. Размеры основных элементов литниковой системы обычно рассчитывают в соответствии с заданной скоростью движения потока расплава, выбираемой из условий достижения максимального качества отливки по вышеперечисленным дефектам.
При изготовлении фасонных отливок используют литниковые системы следующих основных типов: верхнюю, нижнюю, боковую и комбинированную. Верхняя литниковая система наиболее проста в изготовлении и обеспечивает хорошую заполняемость при кратчайшем пути металла до полости формы, создает наиболее благоприятные условия для направленного затвердевания отливки снизу и пр. Основной недостаток – каскадный сброс расплава в форму, приводящий к интенсивному захвату воздуха, окислению и перемешиванию металла с образовавшейся пеной. При этом в такой литниковой системе ухудшаются условия задержания шлака и повышается вероятность размыва формы и стержней падающей струей. Поэтому верхние литниковые системы рекомендуется назначать для отливок небольшой высоты (до 100 мм).
Нижняя литниковая система в наибольшей степени обеспечивает спокойное заполнение формы, исключающее вспенивание, разбрызгивание и окисление расплава, хорошо задерживает неметаллические включения и способствует удовлетворительной заполняемости и последовательному вытеснению воздуха и газа из формы. Вместе с тем, нижняя литниковая система плохо обеспечивает заполняемость высоких тонкостенных отливок с развитой поверхностью. Поэтому при отношении высоты отливки к толщине стенки (средней) более 50 для обеспечения заполняемости рекомендуют применять комбинированную систему.
Боковая литниковая система обеспечивает заполнение нижней части отливки сверху, а верхней части отливки – снизу. Ее широкое применение обусловлено удобствами выполнения в форме.
Модели литниковых систем (рис.4) включают в себя все необходимые для подвода металла элементы: питатели, шлакоуловители, стояки, выпоры, литниковую чашу, а также специальные элементы питания отливок (прибыли, питающие бобышки и т.п.).
Формовочные литейные шаблоны используют при безмодельном изготовлении форм для получения крупных единичных отливок, имеющих форму тел вращения. Их выполняют в виде плоских скребков с прямолинейной или фасонной режущей кромкой.
Подмодельные (подопочные) плиты служат для образования в форме плоскости разъема. При ручной формовке применяют деревянные подмодельные плиты. При машинной формовке используются металлические плиты, на которых жестко закреплены элементы модели и литниковой системы. Эти плиты называются модельными.
Контрольные сборочные шаблоны используют для контроля взаимного расположения стержней, а также конфигурации внутренней полости литейной формы. Обычно используются для качественных отливок сложной геометрической формы.
Рисунок 4 – Модели литниковых систем с подводом металла в среднюю часть отливки (а) и с верхней литниковой системой и боковым выпором (б): 1 – литниковая чаша; 2 – стояк; 3 – металлоприемник; 4 – лит-никовый ход (коллектор); 5 – питатели; 6 – выпоры.
Совокупность технологических операций по изготовлению литейных форм и стержней, способных выдержать воздействие расплавленного металла и сообщить ему свои очертания, называется формовкой. Основными операциями ручной формовки являются наполнение опоки формовочной смесью, уплотнение ее, извлечение модели и сборка формы. Формовка в опоках отличается большим разнообразием приемов, позволяющих обеспечить минимальные затраты труда и расходы при заданной серийности отливок. Формовку рабочей полости литейной формы выполняют с помощью модельного комплекта.
Неразъемные модели просты и дешевы в изготовлении и поэтому достаточно широко используются на практике. При использовании неразъемных моделей обеспечивается более высокая производительность, улучшаются условия труда, повышается размерная точность форм и т.п. Процесс изготовления литейной формы при этом объединяет определенную совокупность операций, которая рассмотрена ниже.
- Для формовки нижней полуформы модель отливки 1 и опоку 3 устанавливают на подмодельную (подопочную) плиту 2 (рис.5, а) так, чтобы расстояние между стенкой опоки и моделью было не менее 25-30 мм.
- Модель припыливают ликоподием или серебристым графитом, чтобы предотвратить прилипание к ней формовочной смеси.
- Модель покрывают слоем просеиваемой через сито облицовочной смеси толщиной 15-20 мм для мелких отливок и 30-40 мм для крупных отливок (рис.5, б).
- Оставшийся объем опоки заполняют наполнительной смесью в несколько приемов слоями толщиной 50-70 мм (рис.5, в).
- Уплотнение засыпанной формовочной смеси ручной набойкой 4 (рис.5, г), а верхний слой - башмаком трамбовки 5 (рис.5, д).
- Излишек смеси очищают линейкой 6 вровень с кромками опок, образуя поверхность, называемую контрландом, и накалывают на ней вентиляционные каналы, не доходящие до поверхности модели на 10-15 мм (рис.5, е).
Рисунок 5 - Технологический процесс формовки по неразъемной модели
- Готовую нижнюю полуформу вместе с заформованной в ней моделью поворачивают на 180 градусов (рис.5, ж).
- На нижнюю полуформу по центрирующим штырям 8 устанавливают верхнюю опоку 9 (рис.5, з).
- Плоскость разъема присыпают мелким разъединительным песком с целью предотвращения слипания формовочной смеси нижней и верхней полуформ.
- В верхней опоке устанавливают модели элементов литниковой системы (коллектора 10, стояка 11 и выпора 11).
- В верхнюю опоку засыпают слой просеянной облицовочной смеси с таким расчетом, чтобы он закрыл поверхность модели (рис.5, и).
- Весь объем верхней опоки заполняют наполнительной формовочной смесью.
- Уплотнение засыпанной формовочной смеси ручной набойкой 4, а верхний слой - башмаком трамбовки 5.
- Излишек смеси очищают линейкой 6 вровень с кромками опок и накалывают на ней вентиляционные каналы, не доходящие до поверхности модели на 10-15 мм.
- Прорезают литниковую чашу и извлекают модель стояка и выпора.
- Готовую верхнюю полуформу 13 снимают (рис.5, к), поворачивают плоскостью разъема вверх и осматривают.
- Специальным подъемником 14 извлекают модель из нижней полуформы, предварительно слегка расталкивая ее для облегчения процесса извлечения (рис.5, л).
- Специальным инструментом прорезают каналы питателей литниковой системы, соединяющей стояк и полость литейной формы.
- Производят контрольный осмотр поверхности формы 15 и плоскости разъема, исправление поврежденных мест специальным инструментом (гладилками, ланцетами и т.п.) и очистку полости формы от остатков смеси (рис.5, м).
- Производят сборку полуформ по центрирующим штырям и устанавливают груз 16 (рис.5, н).
Полученная в результате выполнения технологических операций отливка с литниковой системой показана на рис.5, о.
Формовка по разъемной модели является наиболее распространенной для изготовления различных по конфигурации отливок. Наиболее часто применяют модели с горизонтальной плоскостью разъема формы. Последовательность выполнения основных технологических операций формовки в этом случае достаточно близка к формовке по неразъемной модели, рассмотренной в предыдущем разделе. Исключение составляют дополнительные операции, связанные с установкой и извлечением верхней полумодели, а также установкой стержня в форму (при его наличии).
Схема процесса и последовательность выполнения основных технологических операций формовки в двух опоках по разъемной модели показаны на рис.6.
Рисунок 6 – Технологический процесс формовки по разъемной модели: а, б – нижняя и верхняя полуформы; в – собранная под заливку форма; г - отливка с литниковой системой; 1 и 2 – верхняя и нижняя опоки; 3 – вентилляционные каналы; 4 – литниковая чаша; 5 – стержень; 6 – стояк; 7 – груз; 8 – штыри.
Машинная формовка является в настоящее время основным способом изготовления литейных форм. При машинной формовке механизируются наиболее трудоемкие операции уплотнения формовочной смеси и извлечения модели из формы, а также ряд вспомогательных операций. В результате этого резко повышается производительность труда по сравнению с ручной формовкой, возрастает точность отливок по размерам и массе, облегчается труд, и улучшаются санитарно-гигиенические условия работы, сокращается производственный цикл изготовления отливки.
Процесс изготовления форм в парных опоках может быть практически полностью механизирован за счет механического дозирования подачи формовочной смеси, уплотнения с использованием специальных машин, и т.п. Наиболее распространенным методом машинной формовки является уплотнение прессованием. Этот метод заключается в придании смеси определенной плотности посредством приложения регламентированного усилия, передаваемого через прессовую колодку. На практике используют как верхнее, так и нижнее прессование (рис. 7). Выбор метода прессования определяется в зависимости от целого ряда технологических факторов. В ряде случаев прессование осуществляют одновременно с вибрационным воздействием. В результате этого смесь уплотняется равномернее, а процесс прессования происходит более эффективно и качественно.
Кроме метода прессования в литейном производстве используются пескометные, пескодувные и пескострельные агрегаты, а также импульсные и вакуумные технологии уплотнения. Характерной особенностью такого рода технологических агрегатов является высокая степень их автоматизации, универсальность, маневренность, а также высокая производительность.
При нарушении технологической дисциплины в отливке возможно образование дефектов. В ГОСТ 19200-92 дефекты разделяют на следующие группы:
- дефекты по несоответствию размеров (недолив, разностенность, перекос, коробление);
- несплошность металла отливки (горячие трещины, холодные трещины, газовая пористость, усадочная раковина, усадочная пористость и др.);
- несоответствие металла отливок требованиям (состав, ликвация, отбел);
- наличие включений (металлических, неметаллических и др.).
Рисунок 7 – Методы верхнего (а) и нижнего (б) прессования при машинной формовке: 1 – неподвижная траверса; 2 – подмодельная плита; 3 – модель; 4 – опока; 5 – наполнительная рамка; 6 – прессовая колодка; 7 – прессовый стол.
Дефекты в общем случае делят на две группы - неисправимые и исправимые. Отливка с неисправимыми (обычно крупными) дефектами идет на переплавку. Исправимые (обычно мелкие) дефекты устраняют.
Наиболее распространенными дефектами являются раковины и трещины. Газовые раковины – пузыри воздуха или газов, которые остались в теле отливки после ее затвердевания в форме. Газовые раковины образуются из-за недостаточной газопроницаемости и повышенной влажности формовочных смесей, плотной набивки смеси в форме, низкой температуры заливаемого металла, неправильной конструкции литниковой системы. Песчаные раковины образуются из-за разрушения или обвала отдельных частей формы при заливке металла.
Усадочные раковины – открытые или закрытые полости в теле отливки, имеющие неровную внутреннюю поверхность. Они могут образовываться при неправильном подводе металла расплава в полость формы или слишком высокой температуре расплава.
Усадочные трещины – разрывы тела отливки в местах небольшой толщины и значительной длины, в местах значительного перепада толщин. Холодные трещины образуются вследствие внутренних напряжений, возникающих из-за различий в скорости охлаждения тонких и толстых мест отливки.
Горячие трещины образуются в процессе формирования отливки при высокой температуре металла и потому имеют темную окисленную поверхность. Причины – плохое раскисление расплава, низкая податливость стержней, а также ранняя выбивка отливок из формы.
3. Специальные способы производства отливок
3.1 Кокиль. Литье в кокиль
К специальным способам производства
отливок обычно относятся такие
способы, которые отличаются от литья
в разовые песчаные формы по одному
или нескольким следующим признакам:
конструкция литейной формы; материал,
из которого выполнена литейная форма;
использование внешних
Кокилем называют металлическую литейную форму (из чугуна, стали и пр.), полость которой заполняется расплавом под действием силы тяжести или регулируемого давления. К достоинствам кокильного литья относят:
- возможность многократного использования кокилей (до нескольких десятков тысяч раз при литье алюминиевых сплавов и нескольких сотен заливок при литье чугуна и стали);
- повышенная точность размеров, следствием чего является снижение объема обработки резанием и повышение коэффициента использования металла по сравнению с литьем в песчано-глинистые формы;
- улучшение механических свойств металла отливок, особенно в поверхностном слое;
- высокая производительность труда и снижение стоимости изготовления отливок;
- сокращение потребности в производственных площадях и улучшение условий труда (уменьшение пыле- и газовыделений);
- сокращение трудоемких и энергоемких операций очистки отливок, подготовки формовочных материалов и приготовления смесей, их транспортирования и пр.;
- широкие возможности комплексной механизации и полной автоматизации процесса литья.
К недостаткам кокильного литья обычно относят:
- трудоемкость и сравнительно высокую стоимость изготовления кокилей;
- быстрое (и не всегда желательное) охлаждение расплава при заполнении им металлической формы;
- резкое снижение стойкости кокилей по мере увеличения массы отливок.
3.2 Литье под давлением
При литье под давлением металлическая форма, называемая пресс-формой, заполняется расплавом под действием внешней силы, превосходящей силу тяжести, а затвердевание в ней отливки происходит под избыточным давлением. Последнее создают с помощью поршня в камере прессования, которая соединена с полостью пресс-формы.
Наиболее широко литье под давлением используют при изготовлении тонкостенных, в том числе сложных по конфигурации отливок из алюминиевых сплавов массой от нескольких граммов до 8-10 кг.
К преимуществам этого метода литья можно отнести все позиции, перечисленные в предыдущем разделе, а также улучшение условий заполнения литейной формы металлом и снижение усадочной пористости отливок.
К недостаткам метода помимо ограничений в выборе литейных сплавов, сложности изготовления и высокой стоимости пресс-форм, а также машин, обычно относят:
- возможность замешивания воздуха в расплав из-за высоких скоростей его движения и затрудненностью отвода воздуха из формы;
- неравномерность затвердевания различных зон отливки, вследствие их разного удаления от источника воздействия;
- ограниченность в выборе конфигурации отливок в связи с применением извлекаемых металлических стержней.
3.3 Литье в оболочковые формы
Способ литья в оболочковые формы основан на получении разовых полуформ и стержней в виде оболочек толщиной 6-10 мм. Их изготавливают путем отверждения на металлической оснастке слоя смеси, в которой связующее вещество при нагреве вначале расплавляется, а затем затвердевает (необратимо), придавая оболочке высокую прочность.
Технология литья в
оболочковые формы включает ряд
операций, выполнение которых при
литье данным способом имеет ярко
выраженные особенности. К ним относятся:
приготовление специальной
Предварительное формирование оболочки наиболее часто производят, используя поворотный бункер 1, в который засыпают песчано-смоляную смесь 2 (рис. 8, а). На верхнюю часть бункера, снабженную кольцевым каналом 3 для подачи охлаждающей воды, устанавливают моделями вниз и закрепляют нагретую до 200-240 oС металлическую модельную плиту 4. На ней закреплена с помощью четырех направляющих колонок 5 плита 6 толкателей 7.
Толкатели, равномерно распределенные по всей плите, выходят на рабочую поверхность, как модели, так и модельной плиты. Их фиксируют специальными хвостовиками в гнездах плиты 6 и закрепляют в ней прижимной плитой 8. Модельная плита с выталкивающим устройством помещена в корпус 9. Для фиксации плиты толкателей в исходном положении на направляющих колоннах 5 установлены пружины 10.
Рисунок 8 – Технология литья в оболочковые формы
Для предварительного формирования оболочки бункер 1, снабженный цапфами 11 и поворотным механизмом, поворачивают на 1800, и формовочный материал падает на горячую модельную плиту (рис.8, б), уплотняясь под действием гравитационных сил. В прилегающем к плите слое смеси смола плавится (при температуре 95-115 oС), смачивая зерна песка, а затем начинает полимеризоваться, загустевая и отверждаясь по мере прогрева до более высокой температуры. За 30-40 с выдержки смола успевает оплавиться в слое толщиной около 10 мм.

- Производство шампанского
- Производство шины на заводе СКГШ ОАО «Белшина»
- Производство шоколада
- Производство шоколада, какао и шоколадных конфет
- Производство штукатурных работ с использованием сухой штукатурки
- Производство штучных отделочных материалов и их применение в строительстве
- Производство экономических благ и производственные возможности
- Производство чугуна
- Производство чугуна
- Производство чугуна
- Производство чугуна
- Производство чугуна
- Производство чугуна и стали
- Производство чугуна и стали