Форма первичных кристаллов и строение слитка.

Первичные кристаллы технических сплавов это кристаллы твердого раствора. Они имеют дендритную (древовидную) форму, обусловленную анизотропией скорости их роста. Зародившийся кристаллик начинает вытягиваться в направлениях с максимальной плотностью упаковки атомов. В результате вырастают ветви первого порядка, от которых ответвляются ветви второго порядка. Последние тоже разветвляются, давая ветви третьего и более высоких порядков. Ветви дендритных кристаллов с кубической структурой располагаются перпендикулярно друг другу.

Дендриты растут до тех пор, пока не соприкоснутся друг с другом или пока жидкая фаза не достигнет эвтектического состава. Затем оставшаяся в междуветвиях жидкость также в виде твердого раствора затвердевает, достраивая разветвленный дендрит до полиэдрического кристаллита (зерна) или междендритная жидкость кристаллизуется в виде эвтектики.

Типичная зеренная структура слитка состоит из трех основных зон: 1- зона мелких (замороженных кристаллов образуется из-за сильного мгновенного переохлаждения залитого в изложницу металла и множественного зарождения центров кристаллизации;

Далее формируется 2 зона столбчатых кристаллов, вытянутых в направлении теплоотвода, т.е. большая ось зерен направлена почти нормально к поверхности изложницы (формы), кристаллы растут к центру или тепловому узлу. Центральную часть слитка занимает 3 зона крупных равноосных кристаллов, которые растут в условиях ненаправленного теплоотвода и при малом переохлаждении.

Охлаждаясь, металл дает усадку, т.е. уменьшается в объёме, поэтому в зоне слитка, затвердевающей в последнюю очередь, образуется усадочная раковина 4. Усадочная полость может быть сосредоточенной или образуется усадочная пористость (усадочная рыхлота).

Некоторые сплавы, например высокомарганцевая сталь, склонна к увеличению зоны столбчатых кристаллов вплоть до стыковки их в центре при полном вытеснении зоны 3. Такая структура слитка называется транскристаллитной. Транскристаллитная структура характеризуется высокой плотностью металла, но в зоне стыка встречных кристаллов собираются нерастворимые примеси, развивается усадочная рыхлота. Отливки (слитки) с транскристаллитной структурой могут растрескиваться в процессе последующей ковке или прокатке.

Формированием зеренной структуры слитка можно управлять, подавляя развитие зоны столбчатых кристаллов, например, снижая температуру разливки сплава, продувкой инертными газами, вибрационной обработкой, модифицированием. В принципе можно добиться получения слитка со структурой, состоящей из равноосных кристаллов.

Чтобы уменьшить поражение металла усадочными дефектами используют направленное затвердевание: в верхней части слитка устраивают прибыль, которая питает отливку жидким металлом. Прибыль затвердевает в последнюю очередь и в ней концентрируется усадочная раковина. Прибыльную часть слитка отрезают и пускают на переплав, а остальную неповрежденную часть металла используют по назначению.

Наиболее радикальной мерой предотвращения усадочных дефектов слитков является непрерывная разливка. При такой технологии жидкий металл из печи непрерывно поступает в специальное устройство – водоохлаждаемый кристаллизатор. Затвердевший металл непрерывно вытягивается с противоположного конца кристаллизатора и отрезается мерными кусками. Затвердевший металл имеет плотную мелкозернистую структуру с высокими механическими свойствами.

Аналогично слитку формируется зеренная структура фасонных отливок. В отливках сложной формы усадочные дефекты могут развиваться в, так называемых тепловых узлах отливки, в местах с резким увеличением сечения. Для предотвращения усадочных дефектов в таких местах устанавливают питающие прибыли.

Основы литейной технологии

Литейная технология является наиболее экономичным и универсальным способом изготовления деталей сложной формы весом от нескольких грамм до сотен тонн. Фасонные отливки изготавливают путем заливки расплавленного металла в специальную литейную форму, внутренняя полость которой имеет конфигурацию изготавливаемой литой детали. Залитый в форму металл, затвердевая, приобретает заданную конфигурацию. В процессе охлаждения в форме и даже при освобождении из неё происходят вначале кристаллизация, а затем и твердофазные превращения металла, которые формируют структуру и свойства отливки

В зависимости от объема производства, геометрической сложности, размерной точности и других факторов применяют различные способы литья: в песчано-глинистые разовые формы, оболочковые формы, по выплавляемым моделям, в кокиль, под давлением, центробежное литье и пр. Однако технологическая схема почти любого из применяемых способов включает следующие основные позиции:

Литейная форма – это система элементов, образующих рабочую полость, которая формирует отливку из залитого в нее расплава. Обычно литейная форма состоит из верхней и нижней полуформ, которые изготавливают по литейным моделям в опоках. Для изготовления литейной формы используют литейную оснастку, состоящую из модельного комплекта и литейных опок. В модельный комплект входят модель отливки, модельные плиты, стержневые ящики, модели литниковой системы и др. приспособления. Литейная модель– имеет форму и размеры, близкие к параметрам получаемой отливки и служит для образования в форме рабочей полости, которую заливают металлом. Модели могут быть неразъёмными, разъёмными или с отъёмными частями. Отверстия, полости и другие сложные контуры в отливке образуют с помощью стержней соответствующей конфигурации. Стержни устанавливают в рабочей полости литейной формы на специальные выступы (стержневые знаки). Для подвода расплавленного металла в рабочую полость в форме устраивают литниковую систему, которая состоит из литниковой чаши, стояка и питателей. Литейная опока представляет собой рамочное приспособление для удерживания формовочной смеси при изготовлении формы и заливке её металлом. Верхнюю и нижнюю опоки ориентируют друг относительно друга с помощью металлических штырей, чтобы точно совместить сформированные в них рабочие полости.

Стержневой ящик – это приспособление для изготовления стержней.

Исходным документом для разработки чертежа отливки с модельно-литейными указаниями служит чертеж детали. На чертеже отливки указаны разъем модели и формы, положение отливки в форме при заливке, припуски на механическую обработку, формовочные уклоны, число стержней, размеры стержневых знаков, границы стержней и т.п.

Модели и стержневые ящики для единичного производства изготавливают из дерева; для массового производства – из чугуна, алюминиевых сплавов или из пластмассы.

Припуски на механическую обработку – это слой металла, удаляемый в процессе механической обработки отливки для обеспечения заданной геометрической точности и качества поверхности детали.

Для свободного извлечения модели из формы без повреждения ее рабочей полости предусматривают формовочные уклоны и скругления внутренних углов (галтели).

Формовочные и стержневые смесисостоят из наполнителя и связующего. В качестве наполнителя используют песок. Связующиеприменяют разные: глину, жидкое стекло, масла, смолы и их композиции. Наибольшее распространение получили песчано-глинистые формовочные смеси.

Для придания формовочным и стержневым смесям необходимой прочностиих уплотняют или отверждают сушкой, воздействием повышенной температуры, продувкой углекислого газа, а также возможно самопроизвольное отверждение в результате химических реакций, протекающих в смеси после её приготовления.

Формовочные смеси должны обладать огнеупорностью, иметь достаточную прочность, обладать минимальной взаимодействием с расплавленным и затвердевающим металлом, а также они должны иметь высокую газопроницаемость, пластичность и податливость.

Расплавление и доведение сплава до заданного химического состава производят в электропечах индукционных, дуговых или печах сопротивления, могут также использоваться печи с газопламенным обогревом. Для выплавки чугуна могут также использовать вагранки – шахтные печи, которые отапливаются теплом горения кокса. Кокс необходим и для науглероживания выплавляемого чугуна.

Для улучшения качества металл после выпуска из печи часто подвергают разного рода внепечной обработке, модифицированию, вакуумной экстракции, обработке синтетическими шлаками и пр., а затем заливают в формы.

Важным технологическим параметром является температура заливки. При высокой температуре заливки возрастает жидкотекучесть металла, обеспечивая хорошую заполняемость даже самых тонких сечений отливки, но сильно перегретый металл более газонасыщен, сильнее окисляется, увеличивается усадка. Оптимальной является температура заливки на 100…150° выше температуры ликвидуса сплава.

После завершения кристаллизации и охлаждения металла до заданной температуры отливки выбивают, разрушая формы на специальных установках, exp.выбивных решетках, а также удаляют стержни.

Затем следует операция обрубки, т.е. удаление с отливки прибылей, литниковой системы, выпоров, облоя по месту сопряжения полуформ. Обрубку производят газовой или механической резкой, давлением на прессах. Литники с чугунных отливок легко отбивают молотками. Места обрубки зачищают шлифовальными кругами, газопламенной обработкой и т.п.

И, наконец, выполняют очистку отливок – удаляют пригар и остатки формовочной смеси с поверхности.

Для повышения геометрической и размерной точности, улучшения качества поверхности отливок и для достижения других качественных и экономических показателей и применяют специальные способы литья.

Литье в оболочковые формы отличается высокой точностью размеров, требует весьма небольших припусков на механическую обработку. Расход формовочных материалов при такой технологии сокращается, что снижает себестоимость литья. Формы при таком способе литья, представляют собой тонкостенные оболочки, которые получают нанесением на подогретую модель формовочной смеси из песка и термореактивной смолы. После отверждения оболочка снимается с модели. Если форма состоит из нескольких частей, то вначале она собирается в целую, а затем дополняется литниковой системой, помещается в опоку, засыпается песком или дробью и наконец заливается металлом. Затвердевшая отливка освобождается путем разрушения формы.

Литье по выплавляемым моделямприменяют для изготовления отливок сложной конфигурации с очень малой толщиной стенки 1-3 мм и весом от нескольких грамм до нескольких десятков килограммов. Эта технология распространена, например, в художественном литье. Разовые модели изготавливают в пресс-формах, запрессовывая в них пастообразный модельный состав на основе парафина, стеарина или церезина. После затвердевания модель извлекают из пресс-формы и наносят на неё суспензию из пылевидного кварца и этилсиликата в несколько слоёв, обсыпая кварцевым песком и просушивая каждый слой. Затем модель удаляют из формы, выплавляя её в горячей воде. Последующие операции аналогичны технологии литья в оболочковые формы.