Файл: Элементы дефектологии. Литьё металла.pdf

Элементы дефектологии.
Литьё металла.
Литье металла – это востребованный технологический процесс, который позволяет изготавливать металлические изделия нужной формы. Проводится отливка из разных сплавов, обладающих той или иной степенью жидкотекучести в расплавленном состоянии.
Такой способ выполнения позволяет выпускать качественную продукцию без применения громоздкого оборудования и огромного количества работников. На современном рынке эта технология пользуется огромным спросом, а также входит в десятку самых эффективных и применяемых в мире.
В процессе производства проводится заливка расплавленного материала в специальные формы. После охлаждения он принимает нужную форму и подвергается последующей обработке. Используются такие изделия в различных отраслях экономики:

автомобилестроение;

авиационная промышленность;

машиностроение;

стоматология;

ортопедия;

ювелирное производство.
Для разных видов сплавов используется определенная технология литья, позволяющая добиться нужных качеств в готовом изделии и избежать брака. Для литейного производства используются разные виды компонентов. Они обладают высоким показателем жидкотекучести. Это свойство сплава определяется:

химическим составом;

структурой металлического сплава;

температурой плавления.
Наиболее востребованными в промышленности являются металлы, имеющие низкую температуру плавления, так как их производство менее затратное. Чем ниже температура плавления материала, тем легче производится его отливка.
Металлы для заливки
В нужную форму специалисты могут отлить любой подготовленный сплав в расплавленном состоянии. Проблема состоит в том, что каждый вид материала имеет свою особенную температуру плавления и разную степень жидкотекучести. Чаще всего в промышленном литье используются металлы с низкой температурой плавления.
Компоненты, пригодные для литья, разделяют на черные, цветные и редкоземельные. На сегодняшний день к редкоземельным металлам относят 17 элементов
Периодической таблицы Менделеева: лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозорий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий, лютеций, скандий, иттрий. Название «редкоземельные элементы» исторически сложилось в конце XVII – начале XIX века, когда ошибочно считали, что минералы, содержащие оксиды металлов встречались в природе нечасто. Оксиды этих металлов раньше называли
«редкими землями» - отсюда и название - редкоземельные металлы. К черным относятся сталь, литейный и ковкий чугун. Все остальные сплавы относят к цветным и редкоземельным.
Для каждого вида сплавов используются специальные методы литья, позволяющие изготавливать изделия из следующих материалов:

стали;


чугуна;

алюминия;

меди;

латуни;

золота;

серебра;

платины;

никеля;

титана;

бронзы;

магния.
За все время существования литейного производства было разработано много разных технологических решений с разными условиями отливки.
При отливке изделий из черных металлов используют 5 видов стали с разным содержанием углерода. Изделия с повышенной прочностью отливают из легированной стали.
Легированная сталь – сплав железа с углеродом, содержащая специальные легирующие добавки: никель, хром, молибден, вольфрам, ванадий и др. Это самый распространённый материал, который используется для промышленной заливки.
Методы литья деталей
Для производства деталей станков и иной продукции высокоточного машиностроения используется обычный ковкий чугун и чугун перлитный, обладающей хорошей пригодностью к обработке.
Литейный чугун, который используется в разных сферах производства, делят на четыре вида:

белый;

серый;

отбеленный;

половинчатый.
Его отливка отличается низкой себестоимостью, сам материал имеет небольшую прочность и обрабатывается при помощи обычного резания.
Более прочным материалом для оливки считается чугун, в состав которого входит шаровидный графит.
Чугун – это сплав железа с углеродом. Где углерода от 2,14% до 6,67%. Чугуны имеют структурные составляющие:

перлит;

ледебурит;

фосфидную эвтектику.
Чугуны по микроструктуре подразделяются на:

перлитный

ферритный
Широко применяются для заливки сплавы цветных металлов, прежде всего медь и алюминий. Они отличаются высокой устойчивостью к коррозии и стоят недорого.
Самой дорогой считается технология производства титанового сплава, требующая соблюдения особенных условий заливки и остывания. Такой редкоземельный сплав

используется для высокотехнологичных отраслей экономики, таких как авиакосмическая индустрия или медицина.
Сплавы драгоценных металлов используются при отливке ювелирных, медицинских изделий или деталей для электроники.
Способы отливки изделий из металлических сплавов
Современное литейное производство кроме традиционной технологии заливки жидкого металла в песчаные формы применяют и другие высокотехнологичные, производительные способы литья:

вакуумный;

центробежный;

под давлением;

центробежный;

оболочковый;

многократный;

ртутный;

по выплавляемым моделям;

электрошлаковый.
Высокотехнологичные виды литья позволили создавать металлические изделия с определенными качествами при высокой производительности труда и минимальном браке.
Чаще всего сегодня в промышленных масштабах используются следующие технологии производства:

в металлические формы (коколь);

статическое литье;

отливка под давлением;

в оболочковые формы;

в выплавляемые модели.
При выполнении статической заливки используются неподвижные формы, в которые разливают жидкий металл. Готовые изделия достают после того, как они остынут в неподвижной модели.
Производство титана
Для изготовления высокопрочных сплавов из титана и стали применяют вакуумную отливку, позволяющую снизить в металле содержание газов. Таким способом создают более плотную структуру металлического сплава с помощью плавления в вакууме. Затем горячий металл разливают в многократные емкости, в которых он остывает.
При введении технологии отливки под давлением применяется специальное оборудование, с помощью которого заполняют пресс-формы жидким металлом. Он подается под высоким давлением в диапазоне 7–700 МПа.
Такой способ производства выполняется машинами горячего или холодного прессования.
Выполняется эта технология для заливки алюминиевых, медных, цинковых и оловянно-свинцовых сплавов. Все эти металлы обладают низкой температурой плавления, что увеличивает технологические характеристики изделий из них.
Холодные и горячие способы литья под давлением позволяют получать изделие с идеально точными размерами и ровной поверхностью, которую не нужно после завершения процесса дополнительно обрабатывать.

Такая технология позволяет повысить производительность труда. А также она сокращает время всего технологического цикла, упрощает изготовление металлического изделия. У нее имеются также недостатки, к которым относится невозможность производить продукцию сложной конфигурации, так как они могут при вынимании из пресс-формы деформироваться. Таким способом производят только металлическую продукцию, имеющую небольшой диаметр.
При центробежном литье применяются специальные вращающиеся в горизонтальной или вертикальной плоскости формы.
Центробежное литьё основано на использовании центробежной силы, которая создаётся при вращении литейной формы вокруг своей оси. Существует две разновидности
– с горизонтальными или вертикальными осями вращения формы. Формы с горизонтальной осью вращения обеспечивают получение отливок с толщиной стенок, одинаковой по всей длине. Они применяются для получения протяжённых деталей: водопроводные трубы, гильзы двигателей и др. Формы с вертикальной осью вращения используются для изготовления отливок типа колец, дисков и втулок подшипников скольжения.
Действие центробежных сил обеспечивает равномерное заполнение всех полостей в отливочной форме. Внедряется такая технология отлива при производстве труб, втулок или металлических дисков. А также ее применяют при отливке ажурных ювелирных изделий.
Издержки процессов
Для уменьшения убыточности процесса обычные способы литья в одноразовые модели были модернизированы с созданием высокопрочных полимерных составов. Для этого стали производить отливку в оболочковые емкости, изготовленные из термореактивного порошкообразного полимера. Он при воздействии температуры превращается в твердую оболочку, формирующую жидкий сплав.
Таким способом отливаются радиаторы водяного и парового отопления, узлы автомобилей, станков, самолетов и других видов высокотехнологичных механизмов. Эта технология позволяет получать детали большого размера и любой сложной модификации.
Традиционной считается отливка в кокиль, когда используется прочная форма.
Кокильным литьём называют процесс получения отливок посредством свободной заливки расплавленного металла в многократно используемые металлические формы – кокили.
Формирование отливки происходит при интенсивном отводе теплоты от расплавленного металла, от затвердевающей и охлаждающейся отливки к массивному металлическому кокилю, что обеспечивает более высокую плотность металла и механические свойства, чем у отливок, полученных в песчаных формах.
Из нее вытаскивается деталь после отвердения металла. Таким способом производят простые стальные изделия небольшого размера. Чаще всего в кокиль отливаются медные и алюминиевые сплавы с невысокой температурой правления.
Модель для них делается из жаропрочной стали или чугуна, имеющих боле высокую температуру плавления чем медь или алюминий.
К преимуществам такой технологии следует отнести:

невысокую себестоимость производственного процесса и возможность его недорогой автоматизации;

простоту исполнения;

сохранность отливочных форм, которые используются неоднократно;

точность параметров изготовленных изделий;


качественную структуру металла, в которой не будет неметаллических частиц;

гладкую поверхность изделия, которая получается при таком способе отливки.
Традиционная технология отливки по выплавляемым моделям сегодня усовершенствовалась благодаря появлению новейших материалов.
Если раньше модель для заливки сплава делали из дерева или иной органики, которая могла быть разрушена высокими температурами при выжигании, то сегодня используются легкоплавкие материалы, такие как парафин и стеарин.
Стеарин – мелкозернистое полупрозрачное твёрдое вещество белого цвета, жирное на ощупь. Получается путём гидролиза говяжьего или бараньего жира. В химическом отношении представляет собой стеариновую кислоту с примесью пальмитиновой, оксистеариновой и изоолеиновой кислот. Плотность – 0,93-0,94 г/см, температура плавления 68-69°С. Растворяется в бензине и хлороформе. В стоматологической практике может использоваться для моделирования зубов. Вводится в состав восковых композиций и оттискных масс с целью понижения их пластичности. Является основной для получения полировочных паст.
Отливка по выплавляемым моделям применяется при отливке художественной продукции со сложной конфигурацией. Это затратная технология отлива, которая используется при создании памятников или иных художественных изделий.
Стальную емкость для такой заливки делают на основе моделей из легкоплавких материалов, она имеет точные размеры, а ее поверхность тщательно полируют.
Виды отливочных форм
Для литья металлов пускают в ход разные емкости, которые разделяют на песочные, применяемые только один раз во время оливки, а также многократные. Многоразовые отливочные емкости делают из разных материалов:

чугуна;

жаропрочной стали;

огнеупорной керамики;

графита.
Широко распространены чугунные кокили и изложницы. При изготовлении продукции из алюминия, меди и других цветных сплавов выполняют металлические формы из чугуна, меди и латуни.
Такое решение было принято давно, оно позволяет легко проводить подготовку материалов к основному процессу. Сам процесс длится недолго, модели выходят высокого качества. При выполнении этой технологии привлечение большого количества рабочих не требуется.
Металлические отливочные емкости бывают открытыми и закрытыми. Открытые – это изложницы, а закрытые – кокили. В закрытых емкостях имеется полость, повторяющая размеры выплавляемой детали. Заливка жидкого металла в них проводится через специальное отверстие.
Оболочковые отливочные емкости используются при заливке сплавов цветных и драгоценных металлов, а также изделий из стали. Для отливки сплавов цветных металлов их делают из порошкообразного диоксида кремния или гипса.
Гипс – это порошкообразный материал белого цвета. Являясь воздушным вяжущим веществом, гипс и изделия на его основе применяют для выполнения декоративного –

художественных элементов внутреннего оформления. Гипс получают в результате термической обработки природного гипс получают в результате термической обработки природного гипсового камня с последующим измельчением продукта обжига (обжиг производят при температуре 150-170°С в специальных мельницах).
При изготовлении продукции из золота, платины и серебра пресс-форму делают из легкоплавкого материала, который заполняется ртутью, парафином или пластмассой, что позволяет создавать продукт сложной конфигурации небольшой толщины.
Настолько щепетильная работа требует от всего персонала высокой точности и квалификации. Каждый этап производства проводится в оптимальных условиях, способствующих выходу только качественной продукции.
Контроль отливок.
Ультразвуковой контроль отливок проводится эхо и зеркально – теневым методами обычно с помощью нормальных преобразователей. Дефекты литья (поры, раковины, шлаковые включения) имеют объёмный характер и могут быть обнаружены при прозвучивании с разных сторон. Поэтому контроль, как правило, в одном направлении по кротчайшему расстоянию от поверхности, удобной для ввода УЗК. Однако имеются опасные зоны, которые должны быть проверены в направлении, перпендикулярном к плоскости наиболее вероятного развития трещин. Кроме того, в отливках встречаются волосовидные дефекты, плохо отражающие ультразвук. О наличии таких дефектов судят по ослаблению донного сигнала.
Ввиду того, что поверхность отливок шероховатая и сложной формы, целесообразно применять специальные преобразователи для контроля грубой поверхности. Вогнутые переходные поверхности удобно контролировать преобразователями с локальной ванной в форме катка.
Ультразвуковому контролю следует подвергать стальные отливки после высокотемпературной термической обработки, измельчающей структуру. Частота ультразвуковых колебаний 1 – 2 МГц. Чувствительность дефектоскопа обычно настраивают по плоскодонным отражателям площадью 7-80 мм
2
. Удовлетворительно контролируются отливки центробежного литья (например, трубы).
Чугун контролируются хуже, чем стальные отливки. Наибольшую чувствительность удаётся получить при контроле отбеленного чугуна и чугуна с шаровидным графитом.
Значительно хуже контролируется серый чугун, особенно при наличии крупных графитных включений.
Эхо метод применяют для обнаружения грубых дефектов в слитках из различных металлов и сплавов, предназначенных для изготовления изделий ответственного назначения. Простая форма слитка благоприятствует контролю. Однако слитки имеют крупнозернистую структуру, что требует снижения частоты и снижения чувствительности метода контроля. Слитки из углеродистой стали могут быть прозвучены на толщину до 1 м при частоте 0,25-1МГц. Слитки из легированной стали прозвучиваются значительно хуже.
Слитки из титановых и алюминиевых сплавов могут быть проконтролированы на глубине более 1 м и при частоте 1 -1,5 МГц. Для обеспечения акустического контакта вдоль боковых поверхностей слитка зачищают полосы шириной 50-70 мм от окалины и других неровностей.
Поковка.