Основы литейного производства


А. И. Вальтер, А. А. Протопопов







ОСНОВЫ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Учебник









Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2019

УДК 621.74
ББК34.61
    В16

Рецензенты:
Чудин В. Н., проф., д-р техн. наук, лауреат Государственной премии РФ (Московский государственный университет путей сообщения - МИИТ, г. Москва);
Золотухин В. И., проф., д-р техн. наук, ген. директор НПП «Вулкан-ТМ» (г. Тула)







     Вальтер, А. И., Протопопов, А. А.
В16 Основы литейного производства : учебник / А. И. Вальтер, А. А. Протопопов - Москва; Вологда : Инфра-Инженерия, 2019. - 332 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-0363-4

     Изложены основные положения теории и технологии процессов литейного производства для различных материалов и сплавов. Приведены базовые принципы разработки технологии художественного литья монументов, памятников. Рассмотрены характеристики литейного процесса, необходимые для компьютерного моделирования при выборе оптимального способа литья и определении технологических параметров.
     Для преподавателей, аспирантов и студентов металлургических и машиностроительных специальностей всех уровней обучения.

УДК 621.74
ББК34.61











ISBN 978-5-9729-0363-4     © Вальтер А. И., Протопопов А. А., 2019
                           © Издательство «Инфра-Инженерия», 2019
                           © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2019

            ВВЕДЕНИЕ



     Изложены особенности технологии производства отливок из различных чугунов и сталей; сплавов меди, алюминия и магния, процессы поздней вне-печной обработки металлических расплавов в литейной форме и в процессе ее заливки; приведены конструкции и технологические варианты производства литосварных заготовок и деталей; дана краткая информация о технологических вариантах изготовления художественных отливок.
     Литье является одним из старейших способов, которым еще в древности пользовались для производства металлических изделий - вначале из меди и бронзы, затем из чугуна, а позже из стали и других сплавов.
     Первым литейным заводом в России по производству бронзовых отливок был пушечно-литейный завод (Пушечная изба), построенный в Москве в 1479 г.
     В России были изготовлены самые крупные в мире отливки, такие, как «Царь-колокол» (Иваном Моториным), «Царь-пушка», (Андреем Чоховым), замечательные произведения искусства: памятник Минину и Пожарскому, «Медный всадник» и т.д. Первые чугунные отливки изготовлялись на металлургических заводах непосредственно из жидкого металла, выплавленного в доменных печах. Позже на машиностроительных заводах стали строить самостоятельные чугунолитейные цехи, где в специальных печах переплавляли чушковый доменный чугун с металлическим ломом. Цех такого типа впервые был построен в 1774 г. на Гусевском заводе, где были установлены опрокидывающиеся шахтные печи - прототип современных вагранок. В 1868 г. на Мальцевских заводах впервые были получены стальные фасонные отливки.
     Основными процессами литейного производства являются плавка металла, изготовление форм, заливка металла и охлаждение, выбивка, очистка, обрубка отливок, термическая обработка и контроль качества отливок.
     В зависимости от металлов, из которых изготовляют отливки, различают отливки из черных металлов и сплавов (стали, серого и ковкого чугуна), а также отливки из цветных металлов и сплавов (медных, алюминиевых, магниевых).
     Основным способом изготовления отливок до настоящего времени остается литье в песчаные формы, в которых получают около 80 % отливок от общего количества. Однако точность и шероховатость поверхности отливок, полученных в песчаных формах, во многих случаях не удовлетворяют требованиям современного машиностроения. В связи с этим в последнее время бурно развиваются специальные способы литья: в металлические формы (кокили),

3

Вальтер А. И., Протопопов А. А. Основы литейного производства

под давлением, по выплавляемым моделям, центробежное, в оболочковые формы, позволяющие получить отливки повышенной точности, с минимальной шероховатостью поверхности и незначительным объемом механической обработки.
     Выплавку металла чаще всего производят электроплавкой, причем в ряде цехов собственно плавку ведут в ночное время с использованием наиболее дешевой электроэнергии, с последующим миксированием и раздачей металла в течение дня на разливку. При применении электроплавки шихта хорошо подготавливается, прокаливается, поэтому при загрузке в печь не выделяются дым и газы. Практически во всех цехах производят модифицирование чугуна, как в ковше, так и непосредственно в форме. Широко применяются вибротранспортеры, особенно при перевозке отливок, во время их охлаждения и сортировки. На вибротранспортерах после выбивки форм происходит их разрушение, выбивка стержней и охлаждение отливок. По мнению американских специалистов, вибротранспорт значительно эффективнее других транспортных средств: пластинчатых и ленточных конвейеров.
     Кондиционные исходные материалы, хорошая отделка стержней и форм приводят к заметному снижению трудоемкости финишной обработки отливок. Основным материалом литых деталей и изделий является чугун - сплав на основе железа с содержанием на менее 2,14 % углерода, имеющий в своей структуре эвтектику.
     В машиностроении на долю чугунных отливок приходится в среднем 75 % всей массы литья. В России 20-22 % отливок производят из стали, а в передовых промышленно развитых странах - 10-12 %. Сталь, даже углеродистая, по литейным свойствам хуже чугуна, а широкий сортамент высокопластичных и прочных чугунов конкурентоспособен в отливках со сталями, имеющими прочность на разрыв ав=750 МПа и даже более.
     Конкурентами черным сплавам в производстве отливок становятся и литейные сплавы алюминия, механическая прочность которых в пересчете на удельную массу не уступает им. В ряде производств приходится создавать сложные заготовки и отдельно отлитых фасонных элементов с последующей их сваркой. Существующие способы сварки позволяют это осуществлять в широком диапазоне толщин стенок литых элементов и марок сталей и даже чугунов.
     Расширяется выпуск отливок из сплавов меди, титана, магния, при этом все они имеют специфические присущие им литейные свойства, которые следует учитывать при разработке технологического процесса как для изготовления литейной формы, так и для выплавки надлежащего сплава. Дискуссионные вопросы возникают при выборе материала отливки, его выплавки и внепечной обработки, заливки, термической обработки, а также при отработке конструкции

4

Введение

отливки на технологичность и разработке конструкции литейной формы, обеспечивающей получение качественной отливки.
     По сравнению с другими способами изготовления заготовок для деталей машин (прокатка, ковка, сварка) литейное производство обладает значительными преимуществами. Литьем можно изготовлять заготовки любой конфигурации с минимальными припусками на механическую обработку, хорошими механическими свойствами. Технологический процесс изготовления отливок механизирован и автоматизирован, что снижает стоимость литых заготовок по сравнению с поковками, сварными конструкциями, деталями из проката. Дальнейшее совершенствование технологии, механизация и автоматизация изготовления отливок, повышение их качества осуществляются на базе научных исследований. Достижения современной науки во многих случаях позволяют коренным образом изменить технологический процесс, резко увеличить производительность труда, создать новые высокопроизводительные литейные машины и автоматы.

5

            ГЛАВА 1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ФОРМИРОВАНИЯ ОТЛИВКИ



     Получение изделий из жидкого расплава сопряжено со сложнейшими процессами, которые обусловливают появление в отливках различного рода дефектов.
     Для получения качественных заготовок литейщик должен уметь на научной основе управлять формированием отливок. Оптимальное управление технологией получения отливок основывается на глубоком знании разнообразных процессов, исследование сущности которых составляет предмет дисциплины «Теория литейных процессов».
     В настоящее время теория литейных процессов является базой как для прогнозирования качества изготовляемых отливок, так и для определения оптимальных значений комплекса технологических параметров.

    1.1. Теория жидкого состояния расплавов

     В теории жидкого состояния, как и в теории твердого тела, под структурой понимают пространственное расположение атомов.
     Известно, что в кристалле имеется ближний и дальний порядок, а в жидкости - только ближний. Ближний порядок можно определить как упорядоченное расположение атомов, окружающих произвольно выбранный центральный атом на расстоянии порядка межатомного Rа. Дальний порядок в структуре кристалла - правильное периодическое расположение атомов в узлах трехмерной решетки, образуемой повторяющимися элементами кристалла. Дальний порядок распространяется на расстояния, по крайней мере, в десятки раз превышающие межатомное (для бесконечной идеальной решетки -на бесконечно большое расстояние). При плавлении дальний порядок исчезает. На расстоянии, в 3-4 раза превышающем межатомное, положение атома в любой точке жидкости равновероятно, как в газе, а плотность жидкости равна среднему значению р₀. Упорядоченное расположение атомов в жидкости сохраняется лишь на небольших расстояниях, в области ближнего порядка.
     В начале 20-х годов XX века Я.И. Френкель [23] разработал квазикристал-лическую модель строения жидкости. Согласно этой модели в жидкости сохраняются черты ближнего порядка, характерного для твердого тела вблизи температуры плавления Тпл. Предположение о квазикристаллическом строении жидкости он обосновал близостью ряда структурных и физических характеристик металлов в жидком и твердом состояниях вблизи Тпл - плотности, энтальпии, теплоемкости

6

Глава 1. Основы теории формирования отливки

и др. Квазикристаллическая модель позволила правильно предсказать комплекс свойств жидкости вблизи тел. Методом «размытия» кристаллической решетки удается оценить структурные параметры жидкости - межатомные расстояния и число ближайших соседей.
     Так, у твердого Fe расстояние между ближайшими соседями Ra при Т= 1500 °C - 0,2545 нм, у жидкого Fe при Т= 1500 °C - 0,254 нм. Практически не изменяется величина Rₐ при плавлении Au, Pb, Си, Al и других металлов.
     При плавлении изменяются строение и свойства металлов. На рентгенограммах металлов в различных состояниях видно, что у твердых металлов имеются острые максимумы, в жидком состоянии вблизи температуры плавления имеются максимумы размытые, а близко к температуре кипения - максимумы исчезают (рис. 1.1).








                                Угол отражения sin Q/2

Рис. 1.1. Рентгенограммыметаллов:
1 - при Ткомн; 2 - при Т; 3 - при Тки„


     Таким образом, температура плавления и температура кипения являются пороговыми величинами: при температуре плавления разрушается дальний порядок, характерный для кристаллического состояния, но сохраняется ближний порядок, т.е. порядок в пределах нескольких межатомных расстояний. При температуре кипения нарушается ближний порядок, и металл утрачивает свойства твердого тела.
     При плавлении металлов сохраняется высокое значение координационного числа К. Так, у плотноупакованных металлов в твердом состоянии К=12, а при плавлении А"=8...10, т.е. каждый атом теряет только 2-3 соседа. Следовательно, в жидком состоянии частично сохраняется расположение атомов, характерное для твердого состояния. При этом межатомное расстояние и плотность, изменяются не более чем на 3-6 %.

    1.2. Температура плавления и плотность металлов и сплавов

     От температуры плавления металла зависят способ его плавки, материал футеровки плавильной печи или тигля и линейной формы. Температура плавления и плотность всех основных литейных металлов приведены в табл. 1.1.


7

Вальтер А. И., Протопопов А. А. Основы литейного производства

     Плотность металлов измеряется массой в единице объема. Значение плотности используют в расчетах массы расплава или отливок по геометрическим размерам или их объемы, если известна масса.
     Из приведенных в табл. 1.1 металлов самым легким является цинк, а наиболее тяжелым - вольфрам, имеющий плотность более 19 г/см³. Температура плавления металлов охватывает промежуток от419°Су цинка до 3400 °C у вольфрама.


Таблица 1.1
Температура плавления и плотность металлов

                                Плотность, г/см3     Изменение
                 Температура  Твердого     Жидкого   удельного
 Металл  Атомная плавления,    металла   металла при  объема  
          масса      °C          при     температуре    при   
                              комнатной   плавления  плавлении
                             температуре               AV,%   
  Цинк   65          419        7,10        6,60        4,0   
Магний   24          650        1,70        1,59        3,0   
Алюминий 27          660        2,70        2,37        6,1   
  Медь   64         1083        8,92        8,00        5,3   
Марганец   59       1240        7,40        6,75         -    
Кремний    28       1430        2,35        2,53       10,0   
Никель     59       1455        8,90        7,90        5,3   
Железо   56         1539        7,87        7,00        5,0   
 Титан   48         1670        4,50        4,10        4,0   
Молибден 96         2620        10,20       9,30        4,0   
Вольфрам   184      3400        19,20       17,60       3,0   

     Металлы, имеющие температуру плавления ниже 500-600 °C, называют легкоплавкими. В табл. 1.1 к легкоплавким относится цинк. Принято также выделять тугоплавкие металлы, обладающие более высокой температурой плавления, чем железо, то есть (табл. 1.1) это титан, молибден и вольфрам.
     Из табл. 1.1 видно, что по плотности металлы при комнатной температуре также имеют очень широкий промежуток значений.
     В технике принято выделять группу легких металлов, служащих основой конструкционных металлических материалов. К легким металлам относят те, у которых плотность не превышает 5 г/см³, то есть в эту группу входят титан, алюминий, магний.


8

Глава 1. Основы теории формирования отливки

     Температуру плавления сплава рассчитывают с учетом концентрации, атомной массы и понижения температуры плавления основного металла:
Тт.ст = Т%аТ^. -(%ЬТт.а + %iT^ + ...%ДТт.,),           (1.1)
где   Тпл.ь - температура плавления чистого металла;
       % а, % b, % i - массовые доли отдельных элементов в сплаве;
       STпл.₁ - снижение температуры плавления чистого металла, вызванное одним массовым процентом каждого данного элемента соответственно.
     Например, температура плавления чистого железа снижается в присутствии одного массового %: Си - 1 °C; V, Mo, Мп - 2 °C; А1 - 3,5 °C; Si - 12 °C; Ti - 18 °C; Р -28 °C; S-30°C; С - 73 °C; В -90 °C.
     C повышением температуры от комнатной до температуры плавления плотность большинства металлов уменьшается на 3-5 % вследствие того, что переход металла в жидкое состояние сопровождается увеличением объема. Исключение составляют гелий, висмут, сурьма, германий и кремний, которые при плавлении уменьшаются в объеме при соответствующем повышении плотности расплава.
     Изменение плотности сплава при переходе из жидкого состояния в твердое предопределяет возникновение объемной усадки. В отливках из сплавов с положительным значением Ар усадка проявляется в виде усадочных раковин и мелких пор, а с отрицательным значением Ар - в виде наростов (выдавленных на поверхность отливки).
     Наряду с плотностью р, для описания свойств металлов используется обратная величина - удельный объем V=1/р, [см³/г]. C повышением температуры плотность всех металлов в твердом состоянии уменьшается, удельный объем соответственно увеличивается. Увеличение удельного объема твердого металла, не испытывающего полиморфных превращений, при нагреве на Аt может быть довольно точно описано линейной зависимостью Vmв = Vm²,' (1Р + Д ₘₑt), где Ртв - температурный коэффициент объемного расширения. Как известно из физики, ртв=3а, где а - температурный коэффициент линейного расширения в данном температурном интервале.
     Переход металла в жидкое состояние сопровождается в основном увеличением объема и соответствующим уменьшением плотности. В табл. 1.1 это выражено через изменение удельных объемов ДV = Vₘ -(Vₘ IVж) • 100%, где Vₓ и Vₘв - удельные объемы жидкого и твердого металла при температуре плавления. Можно показать, что

        V„,„- V^           р„,„ — р„,„

Д V = __---™ 100% = Др = р ж р ™ 100%.             (1.2)

        Vж                 р ж


9

Вальтер А. И., Протопопов А. А. Основы литейного производства

     Уменьшение плотности при плавлении выражается несколькими процентами. Кроме того, имеется несколько металлов и неметаллов, у которых наблюдаются обратные изменения плотности и удельного объема при плавлении. Галлий, висмут, сурьма, германий, кремний уменьшаются в объеме при плав

лении, и поэтому у них А V имеет отрицательные значения. Для сравнения мож

но отметить, что плавление льда сопровождается уменьшением объема, т.е. для

воды А V= -11%.

     Незначительное изменение объема металлов при плавлении свидетельствует о том, что расстояние между атомами в жидком металле мало отличается от межатомных расстояний в кристаллической решетке.
     Повышение температуры жидкого металла вызывает постепенное изменение его свойств и приводит к постепенным структурным перестройкам, которые выражаются в понижении координационного числа и постепенном исчезновении ближнего порядка в расположении атомов. Вызываемое повышением температуры увеличение удельного объема расплава может быть приближенно описано линейной зависимостью V*ж = Vж (ip + Д ₓt). Температурный коэффициент объемного расширения жидкого металла рж существенно больше, чем такой же коэффициент твердого металла. Обычно ftж=1,5-3ftтв.
     Сплавы как в твердом, так и в жидком состоянии в общем случае не являются совершенными растворами, и сплавление двух и более металлов всегда сопряжено с изменением объема.
     Как правило, отмечается уменьшение объема сплава в сравнении с суммарным объемом чистых компонентов с учетом их содержания в сплаве. Однако для технических расчетов можно пренебречь уменьшением объема при сплавлении. В этом случае удельный объем сплава может быть определен по правилу аддитивности, то есть по значениям удельных объемов чистых компонентов с учетом их содержания в сплаве. Таким образом, удельный объем сплава, который состоит из компонентов А, В, С,...,Х, содержащихся в процентах по массе в количестве a, b, с,...,х, соответственно составляет

V
с СКЛ

VАа + VвЬ + VсС +... + Vх 100

(1.3)

где   VA, VB, VC,...VX - удельные объемы чистых компонентов при той же тем      пературе, для которой вычисляется удельный объем сплава.
     Важно иметь в виду, что указанное правило аддитивности в том виде, как оно написано выше, справедливо именно для удельного объема сплава. Если заменить удельные объемы плотностями, то получается значительно более сложное выражение, поэтому целесообразнее пользоваться именно удельными объемами.

10