Изготовление отливок литьем по выплавляемым моделям
Сущность метода отливок литьем по выплавляемым моделям и область его применения. Физические свойства титана. Особенности производства отливок по выплавляемым моделям из титана. Горячая объемная штамповка. Схема детонационных устройств, принцип их работы.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 18.07.2011 |
| Размер файла | 986,3 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Изготовление отливок литьем по выплавляемым моделям
Сущность метода и область применения
отливка литье выплавляемая модель титан
Сущность состоит в том, что по неразъемной легкоплавкой модели изготавливают неразъемную разовую форму. Модели из этой формы выплавляют, а образовавшуюся полость заливают жидким металлом. При этом способе получаемые отливки настолько точны, что объем механической обработки, уменьшается на 80... 100% ив 1,5...2 раза сокращается расход жидкого металла. Высокая точность и чистота поверхности отливки обеспечиваются: применением неразъемных моделей (модели выплавляют, и не требуется их расталкивать); отсутствием формовочных уклонов; изготовлением стержней в процессе формовки, а не отдельно в стержневых разъемных ящиках; использованием маршалита (кварцевая мука) в качестве наполнителя в формовочной смеси, что обеспечивает получение гладкой поверхности отливки.
Литье по выплавляемым моделям применяют при производстве отливок очень сложной конфигурации из любых литейных сплавов, в том числе из высоколегированных сталей, имеющих высокую температуру плавления и трудно поддающихся механической обработке и ковке. Этим способом можно получать отливки массой 0,02... 100 кг, с толщиной стенок до 0,5 мм и отверстиями диаметром до 2 мм.
Технология получения отливок литьем по выплавляемым моделям включает следующие этапы: а) изготовление разъемных пресс-форм; б) получение неразъемных легкоплавких моделей в пресс-формах; в) изготовление неразъемной разовой формы по легкоплавким моделям; г) выплавление моделей из формы; д) обжиг формы; е) заливка формы металлом и выбивка готовых отливок.
Разъемные пресс-формы изготовляют из стали или алюминиевых сплавов. Полость пресс-формы точно повторяет конфигурацию и размеры будущей детали с учетом усадки модельного состава.
Неразъемные легкоплавкие модели получают запрессовкой в пресс-форму модельного состава, нагретого до тестообразного состояния. Для его изготовления широко используют легкоплавкие материалы: парафин, стеарин, воск, церезин, канифоль и др. Легкоплавкая модель в отличие от обычной является точной копией изготовляемой детали: она неразъемна, имеет все внутренние полости, отверстия, резьбу и не имеет стержневых знаков.
Рис.1 Литье по выплавляемым моделям
На рис. 1 приведен чертеж отливаемой детали 1 и неразъемной модели, отличающейся от нее наличием питателя 2. Модели питателями «припаивают» к общему легкоплавкому стояку 3, и в результате получают блок моделей. Чтобы изготовить литейную форму, готовый блок моделей окунают в огнеупорную смесь, представляющую собой суспензию маршалита (60...70 %) в гидролизованном этилсиликате (30...40 %). После окунания на моделях, питателях и стояке остается тонкая огнеупорная пленка смеси 4. Эта же смесь заполняет все полости и отверстия в моделях, образуя стержни. Для упрочнения огнеупорной пленки блок моделей посыпают мелким сухим кварцевым песком 5. Прилипая к сырой пленке, песок образует огнеупорный слой, который сушат либо на воздухе, либо помещая блок моделей в аммиачную камеру для ускоренной химической сушки. Когда слой высыхает, операции окунания, посыпания песком и сушки повторяют от 3 до 5 раз. После сушки последнего огнеупорного слоя получают форму в виде многослойной оболочки с заформованными легкоплавкими моделями. Форму помещают в сушильный шкаф и выдерживают при температуре более 100 °С или погружают в горячую воду. Модели и элементы литниковой системы (стояк и питатели) плавятся и вытекают из формы. Для выжигания остатков модельного состава из полости, а также для упрочнения оболочки полученную литейную форму в металлическом ящике 6 засыпают металлической дробью и помещают в термическую печь, где обжигают при температуре 800... 900 °С. Заливку металла производят в горячую форму, что дает возможность получать тонкостенные сложной конфигурации отливки. Выбивку отливок и отделение литников осуществляют на виброустановках.
Кроме выплавляемых моделей в литейном производстве используют выжигаемые модели при изготовлении ответственных отливок массой до 3,5т из чугуна, стали и цветных сплавов в единичном производстве. Для изготовления выжигаемых моделей используют пенополистирол, который в 50... 100 раз легче древесины, легко режется горячей проволокой и легко склеивается.
Рис.2 Литье по выжигаемой моделям
Склеиванием можно получить полистироловые выжигаемые модели самой сложной конфигурации. Этот метод отличается большой точностью и экономией металла из-за отсутствия формовочных уклонов.
На рис. 2 приведен чертеж отливки 1 и выжигаемой пенополистироловой модели 3 с приклеенными к ней пенополистироловыми элементами литниковой системы 2. Модель с литниковой системой заформовывают песчано-глинистой смесью 4 в металлическом ящике 6. Во время заливки модель с литниковой системой остается в форме и жидкий металл 5 выжигает их и одновременно заполняет полость формы.
Титан является переходным элементом подгруппы А IV группы периодической системы. К его аналогам относятся цирконий и гафний.
Титан претерпевает полиморфное превращение при температуре 885° С. Низкотемпературная фаза (а) имеет гексагональную решетку с плотнейшей упаковкой атомов, высокотемпературная фаза (в) -- объемноцентрированную кубическую.
Физические свойства титана, титана Д16 Т и нанотитана
Низкотемпературная а-фаза титана более пластична, чем у некоторых других металлов, имеющих гексагональную решетку, например у магния, кадмия и др., за счет нескольких плоскостей скольжения и образования плоскостей двойникования.
В отношении физических свойств титана наибольший интерес представляет сравнение титана с железом, алюминием и магнием. Температура плавления титана почти в 3 раза выше, чем у алюминия и магния, и на 120--150° выше температуры плавления железа и стали. По удельному весу и модулю упругости титан занимает промежуточное положение между алюминием и железом. Это ставит его в разряд металлов, которые могут служить основой для высокопрочных сплавов с малым удельным весом.
Высокопрочные сплавы титана в ряде случаев обладают существенными преимуществами по сравнению со сталями в связи с экономией веса конструкций и со сплавами алюминия и магния в связи с более высокой прочностью. Теплоемкость титана близка к теплоемкости железа, однако, с увеличением температуры она изменяется менее резко.
Теплопроводность титана наиболее близка к теплопроводности аустенитной хромоникелевой стали 18-8. С повышением температуры от 20 до 1500° она возрастает вдвое.
Коэффициент температуропроводности титана при комнатной температуре в 3 раза ниже, чем у железа, и в 12--13 раз ниже, чем алюминия и магния, и, примерно, такой же, как у хромоникелевых аустенитных сталей. С повышением температуры до 800° коэффициент температуропроводности титана возрастает лишь на 15%. Удельное электросопротивление титана по сравнению с железом, магнием и алюминием выше соответственно, примерно, в 5, 10 и 20 раз. При нагреве до температуры а-в превращения удельное электросопротивление возрастает в 2,5--3 раза. Электросопротивление титана существенно зависит от чистоты металла.
По сравнению с хромоникелевыми аустенитными сталями удельное электросопротивление технического титана при 20° примерно в 1,5 раза ниже, а при 800° в 1,5 раза выше. Вследствие того что удельное электросопротивление титана и удельное электросопротивление хромоникелевых аустенитпных сталей близки как по своим абсолютным величинам, так и по характеру изменения в зависимости от температуры, электрические параметры режимов контактной сварки этих материалов различаются мало.
По своей активности титан уступает натрию, магнию и алюминию, но он более активен, чем цинк, марганец и железо. Наибольший интерес с точки зрения поведения титана при сварке представляет его химическое сродство к кислороду, азоту и водороду. При комнатной температуре титан весьма устойчив и практически этих газов не поглощает. Интенсивное поглощение водорода начинается при 250°, кислорода при 400° и азота при 600°. С дальнейшим повышением температуры активность титана резко возрастает.
Окислению титана при температурах ниже 600° препятствует поверхностная пленка, состоящая из окислов и нитридов титана. С повышением температуры эта пленка начинает растворяться в титане, происходит интенсивная диффузия кислорода в металл. Кинетика взаимодействия титана с кислородом сложна, так как на поверхности титана образуется несколько слоев окислов, между которыми происходят обменные процессы, обусловливающие непрерывное окисление металла. Реакция окисления титана происходит более интенсивно, чем взаимодействие его с другими газами. Так, скорость взаимодействия его с кислородом в 50 раз выше, чем с азотом.
Кислород обладает высокой растворимостью как в а-, так и в в-фазе титана, образуя твердые растворы внедрения. Предельная растворимость кислорода в а-фазе составляет 14,5% в интервале температур 800--1700°, а в в-фазе -- около 1,8% при перитектической температуре 1740°.
Кислород является сильным стабилизатором а-фазы, повышая температуру и расширяя интервал а-в превращения. При содержании в титане кислорода более 14,5% образуется несколько промежуточных фаз.
Несмотря на меньшую активность титана по отношению к азоту, чем к кислороду, он является единственным элементом, способным гореть в азоте. Так же как и кислород, азот образует с а- и в-фазами титана твердые растворы внедрения. Предельная растворимость азота в в-фазе (2%) примерно такая же, как и кислорода, а в а-фазе несколько ниже (7,5%). Азот также является сильным стабилизатором а-фазы. При высоких содержаниях азота в титане образуются промежуточные фазы типа нитридов титана.
Водород стабилизирует в-фазу титана. Водород образует с титаном твердые растворы внедрения и гидрид TiH2. При содержании водорода менее 1,5--2% гидрид титана полностью растворяется при температуре выше 320° и переходит в твердый раствор.
С понижением температуры ниже 300--200° растворимость водорода в а-фазе титана резко падает, составляя при комнатной температуре менее 0,0029%. Особенно велико снижение растворимости при 100--150°. Поэтому в техническом титане при охлаждении ниже этих температур выпадает гидрид (у-фаза). Гидрид титана может выделяться при закалке в форме дисперсных частиц, а при медленном охлаждении -- в виде пластинок или штриховых линий, обнаруживаемых под микроскопом. Образование у-фазы сопровождается увеличением объема и возникновением напряжений второго рода, что в условиях сварки может служить причиной холодных трещин. Следует иметь в виду, что процесс выделения у-фазы может продолжаться при комнатных и пониженных температурах в течение длительного времени. При медленном охлаждении у-фаза выделяется в виде тонких пластинок, а при закалке -- в виде высокодисперсных частиц.
В отличие от кислорода и азота поглощение водорода титаном при повышенных температурах является обратимым процессом. Поэтому для удаления водорода из титана используют метод вакуумного отжига при 750--800° (вакуум 10 в ст.-3 мм рт. ст.), который позволяет снизить содержание водорода до 0,002%.
Чистый, иодидный титан обладает высокой пластичностью. По своим механическим свойствам при растяжении он находится на одном уровне с медными сплавами. Однако твердость его несколько выше. Технический титан обычного состава, содержащий до 0,5% примесей (азота до 0,03; кислорода до 0,15; железа до 0,15; магния до 0,1; кремния до 0,05%) имеет почти в 2 раза большую прочность и меньшую пластичность, чем иодидный титан.
При комнатной температуре технический титан в состоянии после отжига по прочности сравним с аустемитной сталью 18-8. Существенным преимуществом технического титана перед рядом других материалов является его высокий предел пропорциональности (26 кГ/мм2). По сравнению со сталью 18-8 он выше примерно в 1,5 раза.
Возможность применения титана в конструкциях определяется главным образом содержанием в нем газов, которые наиболее сильно влияют на его механические и технологические свойства. Поэтому основной задачей при промышленном производстве титана, а также при ковке, прокатке и сварке является строгое ограничение содержания в нем водорода, азота и кислорода.
Например, для технического титана, применяемого в сварных конструкциях, допустимые верхние пределы содержания этих газов составляют: водорода до 0,01; азота до 0,04; кислорода до 0,15%.
Наиболее резко повышают прочность и снижают пластичность титана азот и кислород. При содержании 0,5% азота титан становится хрупким. Кислород менее резко снижает пластичность. Титан, содержащий 0,5% кислорода, достаточно пластичен. При 0,75% кислорода титан еще подвергается ковке. В малых количествах (до 0,2%) кислород можно вводить в титан специально с целью его упрочнения, тогда как азот при этом содержании приводит к образованию хрупкой а-фазы мартенситного типа.
Водород в титане влияет главным образом на его склонность к хрупкому разрушению. Технический титан с 0,002% водорода имеет при комнатной температуре ударную вязкость выше 15 кГм/см2. С увеличением содержания водорода до 0,01 -- 0,02% ударная вязкость снижается до 8 -- 4 кГм/см2. Для титана с таким содержанием водорода критический температурный интервал хрупкости соответствует 80 -- 120°. На твердость и другие механические свойства титана при статическом растяжении гладких образцов водород (при содержании его до 0,05%) практически не влияет. Однако при испытании надрезанных образцов прочность снижается.
На механические свойства титана существенное влияние оказывает степень пластической деформации при ковке и прокатке. Так, например, увеличение холодной пластической деформации от 0 до 50% повышает предел прочности технического титана в 1,5 раза и снижает пластичность в 2 раза. В противоположность аустенитным нержавеющим сталям наклеп поверхности титана понижает предел усталости. Испытания образцов с полированной поверхностью показали, что предел усталости титана того же порядка, что и для аустенитных сталей, и в 2 -- 2,5 раза больше, чем для алюминиевых сплавов. Чувствительность технического титана к надрезу при испытаниях на усталость не выше, чем у стали.
Большой интерес представляет влияние температуры на механические и специальные свойства титана. С повышением температуры от комнатной до 500° предел прочности технического титана снижается в 3 раза, а удлинение практичности не изменяется.
Как показывают испытания на ползучесть и длительную прочность, температурная область удовлетворительной теплоустойчивости технического титана ограничивается 400°. С повышением температуры выше 540° титан начинает активно поглощать азот и кислород воздуха, что приводит к резкому ухудшению его механических свойств и не позволяет применять титан в качестве жаростойкого материала без специальных покрытий.
Одним из важных свойств титана является его высокое сопротивление коррозии. С этим свойством титана также связаны широкие перспективы его применения в различных областях машиностроения и строительства.
Титан устойчив во многих агрессивных средах. Он абсолютно стоек в морской воде и мало подвержен кавитационной коррозии. Скорость его коррозии не повышается при наличии гальванической пары с другими металлами. При комнатной температуре титан имеет высокую коррозионную стойкость в азотной кислоте любой концентрации. Сопротивление титана коррозии в серной кислоте низкой концентрации при комнатной температуре высокое. Технический титан имеет такую же коррозионную стойкость, как и нержавеющая сталь, во всех органических кислотах любой концентрации. Однако титан реагирует со следующими кислотами: муравьиной (50%-ной); соляной (5%-ной и более при 25°, кипящей 1%-ной и более); плавиковой; азотной (кипящей 65%-ной); фосфорной (10%-ной при 80° и 85%-ной при 25°); серной (5%-ной и более при 25° и 1%-ной и более при 80°).
Высокую коррозионную стойкость титана объясняют наличием поверхностной защитной пленки. Установлено, что титан не подвержен также коррозии под напряжением при растяжении в большинстве стандартных растворов.
Алюминиевый сплав Д16Т широко используется для большинства силовых элементов конструкций. Он пластичен, вследствие чего обладает высокими усталостными характеристиками.
Чтобы получить дюралюминий д16т, сплав Д16 нагреваеют до температуры 500° С и закаливают в воде. Механическая прочность достигается искусственным или естественным старением.
Для защиты сплавов алюминия Д16 и Д16т от коррозии используют анодное оксидирование.
Производство отливок по выплавляемым моделям из титана
Титановые сплавы обладают небольшим удельным весом (до 4,5 г/см 3), высокой прочностью (на растяжение до 150 кГ/мм 2). При высоких температурах сплавы титана обладают большей прочностью, чем легированная сталь.
Плавка титановых сплавов производится в вакуумных печах: дуговых электропечах тигельного типа (тигель изготовляется из меди и охлаждается водой) или высокочастотных печах с графитовым тиглем. Расплавленный сплав заливается в графитовые формы или бронзовые кокили.
На рис. 3 приведена схема высокочастотной печи для плавки титана. Титан плавится в графитовом тигле 10 под действием тока высокой частоты, проходящего через охлаждаемые медные трубки 1. Тигель закрывается графитовой пробкой 5 с трубкой, через которую подается аргон. После расплавления шихты при помощи приспособления 2 и 3 тигель наклоняется, расплавленный металл через трубку 6 заливается в медную форму 9, образуя отливку 7 -- 8.
Рис. 3. Высокочастотная печь для плавки титана: 1 -- высокочастотный индуктор; 2 -- ось вращения; 3 -- опорное плечо; 4 -- огнеупорный цемент, 5 -- графитовая пробка; 6 -- графитовая труба; 7 -- полость формы, 8 -- выпор, 9 -- бронзовый кокиль; 10 -- графитовый тигель; 11 -- графитовый порошок
Трудности литья сплавов титана связаны с сравнительно высокой температурой плавления (1670°) и его высокой химической активностью. При сравнительно невысокой температуре (несколько сот градусов) титан поглощает азот, водород, кислород и становится хрупким.
Технология изготовления отливки
Разработка чертежа отливки производится по чертежу детали, назначаются припуски на механическую обработку, технологические припуски, уклоны, допуски на размеры, литейную усадку.
Технологические операции, включенные в данный процесс, являются обязательными. Сначала изготавливаются модели отливок и литниково-питающих систем (ЛПС). Затем происходит сборка моделей отливок и ЛПС в блоки, путем наклеивания и припаивания. Контроль блоков осуществляется специальными инструментами. Каждый блок сопровождается контрольными листами и картами.
Обсыпка готовых блоков на линии происходит автоматизировано, непрерывно в течение 3-х смен. Подготавливают форму к заливке в автоклаве, где используются высокие давление и температура. После этой операции готовая форма подвергается пропитке пироуглеродом с последующей выдержкой на воздухе.
Перед заливкой все формы проходят контроль. Заливка форм осуществляется в вакуумных дуговых плавильно-заливочных установках ВДЛ-4М. Выбивка отливок из форм осуществляется на выбивных решетках, после чего идет механическая обработка отливок (обрубка, зачистка).
Пресс-формы должны отвечать следующим основным требованиям: обеспечивать получение моделей с заданной точностью и чистотой поверхности; иметь минимальное число разъемов при обеспечении удобного и быстрого извлечения моделей; иметь устройства для удаления воздуха из рабочих полостей; быть технологичными в изготовлении, долговечными и удобными в работе.
Наиболее широко для процессов литья по выплавляемым моделям на основе титана, титана Д16Т и нанотитана, применяют пресс-формы, изготовляемые на металлорежущих станках, так как они точны, надежны в работе и их использование позволяет полностью автоматизировать процессы сборки и разборки с извлечением звеньев моделей. В них смонтированы пневмопривод и внутреннее принудительное охлаждение.
На автоматах обычно устанавливают пресс-формы с вертикальным разъемом. Пресс-формы с горизонтальным и вертикальным разъемами работают по одному принципу, они различаются лишь процесс отливки продолжается штамповкой.
Рис.6. Пресс-форма для литья титана по выплавляемой модели
Так как деталь из титана, и нанотитана не тяжелые, то следует применять горячую штамповку, которая экономически целесообразно применению в крупносерийном и массовом производстве при изготовлении паковок от нескольких грамм до 20 килограмм.
К свойствам модельных составов предъявляют комплекс требований, которые могут иметь существенные различия в зависимости от конфигурации, размеров и назначения отливок, необходимой размерной точности их и качества поверхности, масштабов и характера производства, принятого технологического варианта процесса изготовления оболочек форм, требований к уровню механизации и экономическим показателям производства. Требования во многом определяются также природой и свойствами самого модельного состава. Так, ряд требований к составам группы 3 (например, полная растворяемость в воде) неприменим к составам других групп.
1. Состав должен точно воспроизводить конфигурацию рабочей полости пресс-формы и ее поверхности, не прилипать к пресс-форме. Поверхность модели должна быть чистой, глянцевой.
2. После затвердевания в пресс-форме состав должен иметь твердость и прочность достаточные для того, чтобы модели не деформировались и не повреждались на всех технологических операциях.
3. Усадка состава при охлаждении и расширение его при нагреве должны быть минимальными и стабильными.
4. Состав должен быть несложным в приготовлении, иметь Минимальное число компонентов, желательно недорогих и недефицитных.
Процесс изготовления моделей в пресс-формах включает подготовку пресс-формы, введение в ее полость модельного состава, выдержку модели до затвердевания, разборку пресс-формы и извлечение моделей, а также охлаждение моделей до температуры производственного помещения.
Горячая объемная штамповка
Горячая объемная штамповка - способ обработки металлов давлением, при котором изделию придается необходимая форма при помощи специального инструмента - штампа.
Образуемая в результате объемной штамповки деталь называемая поковкой.
При объемной штамповке металл деформируется одновременно по всему объему, а течение его происходит в полости штампа, очертания и размеры которой соответствуют будущей детали.
По сравнению с ковкой штамповка имеет ряд преимуществ.
1. Имеет более высокую производительность;
2. Обеспечивает меньший расход материала;
3. За счет более высокой точности позволяет значительно сократить объем последующей обработки резанием.
Штампы - это массивные стальные формы, состоящие из двух частей в которых имеются полости. Эти полости называются ручьями. Верхняя часть штампа закрепляется на подвижной части кузнечной машины, нижняя - на неподвижной. При смыкании обеих частей штампов образуется ручей, формы и размеры которого соответствуют изготавливаемому изделию. В зависимости от степени сложности изделия используют штампы одноручьевые или многоручьевые. Штамповка паковок сложной конфигурации производится в многоручьевых штампах, ручьи которого подразделяются на заготовительные и штамповочные (чистовые и черновые).
В заготовительных ручьях происходит предварительное, а в штамповочных - окончательная форма изменения заготовки.
Различают штамповку в открытых и закрытых штампах.
При штамповке в открытых штампах в плоскости их разъема часть металла вытекает в облойную щель - получается заусенец (облой), что служит гарантией полного заполнения полости металлом.
Штамповка в закрытых штампах характеризуется тем, что полость штампа в процессе деформирования остается закрытой. Зазор между подвижной и неподвижной частями штампа при этом постоянный и небольшой. Образование заусенца в нем не предусмотрено.
После штамповки изделий на основе титана производят ряд завершающих операции: обрезку облоя, прошивку отверстий, правку, термическую обработку (отжиг или нормализацию), очитку от окалины, контроль качества паковок.
Для сплава титана Д16Т следует применить холодную штамповку.
Под холодной штамповкой понимают штамповку без предварительного нагрева заготовки. Для металлов и сплавов, применяемых при штамповке такой процесс деформирования соответствует условиям холодной деформации.
При холодном выдавливании заготовку помещают в полость, из которой металл выдавливают в отверстие, имеющееся в рабочем инструменте. Выдавливание обычно выполняют на кривошипных или гидравлических прессах в штамповках. Рабочими частями штампов являются пуансон (подвижен) и матрица (неподвижная часть формы).
Рис. 7. Прямое выдавливание
Различают прямое, обратное, боковое и комбинированное выдавливание. При прямом выдавливании металл вытекает в отверстие, расположенное в данной части матрицы 2, в направлении, совпадающим с направлением движения пуансона, затем следует произвести холодную высадку.
Холодную высадку выполняют на специальных холодновысадочных автоматах. Штампуют от прутка или проволоки. Пруток 1 подается до упора 2, поперечным движением ножа 3 отрезается заготовка требуемой длины и последовательно переносится с помощью специального механизма в позиции штамповки, на которых из заготовки поучают деталь.
Рис. 8. Холодная высадка
После отливки и штамповки могут возникать дефекты, которые следует устранять на начальных стадиях.
Трещины
Трещиноустойчивостъ характеризует способность металлов и сплавов к релаксации напряжений, возникающих в отливке при затвердевании и охлаждении, в результате усадки, фазовых превращений или температурного перепада.
В практике литья обычно различают два вида трещин: горячие и холодные. Это деление весьма условно. Считается, что горячие трещины образуются в области, близкой к температуре солидуса. По внешнему виду такие трещины отличаются окисленной поверхностью. Холодные трещины имеют блестящую поверхность и образуются в области упругих деформаций при температуре значительно ниже температуры кристаллизации.
Горячие трещины
Отличительной особенностью титана и большинства сплавов на его основе является высокая устойчивость против образования горячих трещин.
Большинство двойных сплавов на основе титана при введении до 10% легирующего элемента также не склонно к образованию трещин при затрудненной усадке.
Характерное для литейных сплавов на основе титана сочетание физико-механических свойств - малые значения модуля упругости и коэффициента линейного расширения, склонность к вязкому разрушению и повышенная прочность при высоких температурах - обусловливает их высокую трещиноустойчивость. Это упрощает решение многих технологических вопросов и дает возможность технологам-литейщикам при разработке конструкции отливки и выборе материала для формы руководствоваться главным образом экономическими соображениями и удобствами осуществления технологического процесса.
Холодные трещины
Специфической особенностью титановых отливок является наличие в большинстве из них поверхностного альфированного слоя измененного химического состава, образующегося в результате взаимодействия отливки с формой или с атмосферой при плохой защите мест, подвергающихся сварке. В этом слое, обладающем очень низкими пластическими свойствами и повышенной твердостью, трещины могут возникать при весьма малых нагрузках.
Считается, что границы зерен в сплавах обладают пониженной сопротивляемостью сдвигу по сравнению с телом зерна. Это свойство поликристаллических агрегатов обусловлено несопряженностью кристаллической решетки на поверхностях раздела зерен, вследствие чего там создается высокая концентрация искажений и дефектов кристаллического строения.
Известно, что одним из основных факторов, влияющих на образование холодных трещин, является напряжение, производимое на поверхности. В титановых отливках, полученных в керамических формах, это влияние усугубляется наличием альфированного слоя. С течением времени микротрещина, возникающая в альфированном слое, может увеличиваться в размерах и стать причиной разрушения изделия.
В промышленности для напыления на титановые покрытия оксида алюминия большое распространение получил метод детонационного напыления.
Отличительная особенность детонационного напыления - циклический характер подачи порошка на поверхность обрабатываемой детали со скоростью, превышающей скорость звука. Циклический процесс напыления получают с помощью детонационных установок, принципиальная схема которых представлена на рис. 9.
В общем виде детонационные установки состоят из блока 4 подачи напыляющего порошка, включающего порошковый питатель и дозирующее устройство; блока 2, служащего для образования требуемых газовых смесей и заполнения ими ствола детонационной установки с заданной скоростью; блока под-жига 3 и воспламенителя 2, предназначенных для инициирования взрыва рабочей смеси; ствола 5, представляющего собой трубу диаметром 20 - 50 мм, длиной 1 - 2,5 м и предназначенного для направленного распространения взрывной волны в сторону открытого конца ствола.
Рис. 9 Схема детонационных устройств
Принцип действия установки состоит в следующем. Из блока 1 газовая смесь подается в ствол 5. Одновременно из порошкового питателя через дозирующее устройство (блок 4) заданными порциями вдувают газом -- азотом или воздухом -- мелкодисперсный порошок в газовую смесь непосредственно перед ее зажиганием, затем воспламенителем 2 поджигают газовую смесь. В результате воспламенения и перемещения по каналу горючей смеси происходит ее взрыв с выделением значительного количества теплоты и образованием детонационной волны, которая ускоряет и переносит через ствол на поверхность детали 6 напыляемые частицы 7 со скоростью, определяемой геометрией ствола и составом газа.
Процесс формирования покрытий детонационным напылением сложный и недостаточно изучен. Во многом он сходен с процессом плазменного напыления. Сходство заключается в том, что сцепление частиц с подложкой и между собой может происходить в расплавленном, оплавленном и твердом состояниях. Прочность сцепления обеспечивается главным образом за счет напыления расплавленными и оплавленными частицами, которые растекаются и кристаллизуются на поверхности подложки за счет химического взаимодействия. В то же время детонационный процесс напыления в отличие от непрерывного плазменного является цикличным, сообщающим частицам порошка более высокие скорости, что определяет особенности механизма формирования покрытий.
При детонационном напылении скорость частиц в отличие от плазменного напыления (100 - 200 м/с) достигает 400 - 1000м/с. Поэтому кроме термической активации существенное влияние на механизм и кинетику формирования напыленных слоев оказывает пластическая деформация в зоне соударения частиц и подложки. Однако основной вклад в формирование покрытий при напылении вносит термическая активация. Опыт применения различных способов напыления, в том числе детонационного, показывает, что для получения удовлетворительного сцепления частиц порошка с основой необходимо, чтобы их значительная часть транспортировалась на подложку в расплавленном или оплавленном состоянии. Экспериментальные исследования по процессу формирования покрытий детонационным напылением показывают, что состояние частиц, находящихся в двухфазном потоке, неоднородно. В начале и середине потока они находятся в расплавленном или оплавленном состоянии, и температура в контакте с подложкой достигает температуры их плавления. При этом за счет теплоты, выделяемой при ударе о подложку частиц, имеющих скорость ~ 400 м/с, температура в зоне контакта повышается примерно на 100°С.
При напылении порошковыми материалами с температурой плавления, превышающей температуру плавления основного металла, происходит подплавление последнего. Так, при нанесении покрытий из оксида алюминия АlОз и порошковыми твердыми сплавами типа ВК на титановые покрытия последние подплавляются и перемешиваются с напыляемыми расплавленными частицами порошка, повышая тем самым прочность сцепления. Повышению адгезии, как и при других способах газотермического напыления, способствует предварительная дробеструйная обработка напыляемой поверхности. В этом случае возможно получать прочные связи между напыляемым материалом и подложкой, имеющей твердость выше HRC 60. При напылении первого слоя возможно возникновение пор. При напылении второго слоя частицы порошка деформируют и уплотняют кристаллизующийся первый слой, что способствует устранению или уменьшению пористости. Это явление характерно для детонационного напыления, его называют эффект горячего ударного прессования.
Более крупные частицы из конца (хвоста) менее концентрированного потока обладают меньшей скоростью и наносятся на поверхность подложки чаще всего в нерасплавленном виде. При формировании покрытия такие частицы играют двоякую роль: полезную - удаляют дефектные участки ранее нанесенного покрытия, повышая его плотность и физико-механические свойства; вредную - при значительном повышении кинетической энергии крупных частиц в покрытии могут появиться трещины и даже полное его отслоение. Эти явления можно регулировать, изменяя режим скорострельности установки и грануляцию напыляемого порошка. С точки зрения применяемых материалов и оборудования процесс детонационного напыления весьма простой. Основными факторами, определяющими характер детонационного напыления, являются газовая смесь, порошки, ствол установки.
Однако использование этих факторов в технологическом процессе напыления связано с изменением и управлением ряда характерных для каждого из них параметров. Для газовой смеси это состав газовой смеси; доза газовой смеси за один выстрел; состав газовой смеси в стволе между выстрелами.
Пятно нагрева при напылении соответствует площади поверхности, через которую тепло вводится в изделие. Диаметр пятна нагрева dнг превышает диаметр пятна напыления dнп, их соотношение зависит от сосредоточенности плазменной струи и фокусировки потока частиц (рис. 3).
Количество теплоты, вводимое через элементарную площадку поверхности изделия в единицу времени, является удельным тепловым потоком с двумерным распределением тепла q2. Наибольшей величины он достигает в центре пятна, где больше количество частиц, интенсивнее струя плазмы.
Уменьшение нагрева изделия достигается методом отклонения струи плазмы поперечным потоком газа либо разделением потока плазмы и частиц в сопловой зоне плазмотрона.
Повышение нагрева изделия может обеспечить улучшения свойств покрытия благодаря оптимизации процессов физико-химического взаимодействия поверхности основы и напыляемых частиц. Если же нагрев будет создавать оплавление поверхности, то напыление переходит в наплавку.
Нагрев потока плазмы в пятне нагрева приводит к равномерному повышению температуры поверхности за счет процессов теплообмена. Поток напыляемых частиц нагревает поверхность вследствие большого числа термических воздействий ударяющихся частиц, растекающихся, затвердевающих и охлаждающихся. Нагрев в пятне напыления оценивается как суммарный результат кратковременного воздействия отдельных частиц и характеризуется средней температурой. Но мгновенная контактная температура при ударе частицы о поверхность значительно выше средней температуры и она определяет процессы их физико-химического взаимодействия, прочность сцепления и качество покрытия.
Инструмент для детонационно-газового напыления выглядит как пушка-распылитель, имеющая камеру сгорания и ствол. Канал ствола диаметром 10 - 30 мм и длиной 500 - 2000 мм выполняется цилиндрическим либо конусным в соответствии с требованиями к характеристикам потока напыления. Скорострельность пушки-распылителя определяет производительность напыления и составляет наибольшие значения 14 - 15 циклов в секунду.
Рис.10.Схема детонационно-газовой установки: 1 -блок автоматического управления, 2 -ствол. 3 - питатель, 4 - пульт дистанционного управления Оборудование для напыления отличается режимом работы с образованием взрывных выбросов газопорошковой смеси при высоких значениях температуры, скорости, частоты, уровня шума.
Поэтому согласно требованиям безопасности оно выполняется в виде автоматизированной технологической установки, располагается в изолированном боксе и содержит следующие основные части: источники рабочих газов (C2Hi, Оз, N2), устройство дозирования, смешивания и подачи горючей смеси в камеру, система зажигания смеси, ствол 2 с порошковым питателем 3, система охлаждения ствола, блок автоматического управления 1, пульт дистанционного управления 4, расположенный вне бокса (рис. 10).
Целессобразным способом напыления на титановые покрытия оксида алюминия является вакуумное напыление. Рассмотрим его технологию:
Действие магнетронного распылителя основано на распылении материала мишени-катода при его бомбардировке ионами рабочего газа, образующими в плазме аномально тлеющего разряда. Возникающая при этом вторичная эмиссия поддерживает разряд и обуславливает распыление материала мишени-катода. Магнетронная распылительная система (МРС) является одной из разновидностей схем диодного распыления.
Основные элементы МРС: катод, анод и магнитная система, предназначены для локализации плазмы у поверхности мишени - катода.
Наиболее широко применяют планарные магнетроны. Мишень - катод из распыляемого материала охлаждается проточной водой, поступающей по трубопроводу. На катод подаётся постоянное напряжение (300 … 800 В) через клемму от источника питания; под катодом расположена магнитная система, состоящая из центрального и периферийных постоянных магнитов, расположенных на основании из магнитомягкого материала. Все элементы смонтированы на корпусе, присоединенном к вакуумной камере изолирующими вакуумно-плотными прокладками.
Основные преимущества магнетронного способа распыления - высокая скорость нанесение плёнки и точность воспроизведения состава распыляемого материала. Магнетронное распыление позволяет получать покрытия практически из любых металлов, сплавов и полупроводниковых материалов без нарушения стехиометрического состава. В зависимости от состава рабочей атмосферы (долей кислорода, азота, диоксида углерода, сернистых газообразных соединений) можно получать плёнки оксидов, нитритов, карбидов, сульфитов различных материалов, в том числе и таких, которые невозможно получить методом термического испарения.
Скорость конденсации при магнетронном распылении зависит от силы тока разряда или мощности и от давления рабочего газа, что определяет жесткие требования к источникам питания. Для обеспечения воспроизводимости и стабильности процесса силу тока разряда необходимо поддерживать с точностью 2 %; если же стабилизация процесса осуществляется по мощности разряда, то подводимую мощность следует поддерживать с точностью 20 Вт в диапазоне регулирования от 0 до 10 кВт. В качестве рабочей среды при магнетронном распылении используют смесь инертного и реакционных газов. Подбором парциальных давлений компонентов газовой смеси при постоянном общем давлении, поддерживаемом с точностью 5 %, можно в широких пределах изменять оптические и электрические характеристики покрытия. Это, в свою очередь требует оснащение вакуумных установок насосами, обеспечивающие постоянную скорость откачки в рабочем диапазоне давлений. Состав получаемых соединений (оксидов, карбидов, нитритов) зависит от чистоты применяемых газов и распыляемых материалов, поэтому требуются сложные системы откачки газов и высокочистые материалы для распыления.
Метод магнетронного распыления с постоянной силой тока не позволяет получать плёнки оксидов при высокой скорости распыления из за резкого окисления катода-мишени. В этих случаях целесообразнее применять высокочастотное магнетронное распыление, реализующее возможность распыление диэлектрических материалов в магнитном поле без изменения стехиометрического состава при увеличенной скорости испарения.
На катоде формируются микроскопические участки - катодные пятна с высокими плотностью энергии и температурой. В пределах катодных пятен локализуются все заряженные частицы катодной области разряда. В состав продуктов эрозии катода в зоне пятна входят капли расплавленного металла, ионы и пары металла. Размер капель и их концентрация в общем, потоке частиц, поступающих подложку, определяются свойствами материала катода и плотностью тока дуги разряда
Давление паров металла в области катодного пятна достигает 105 Па, поэтому в зоне пятна не происходит взаимодействия с напускаемым газом. Взаимодействие реализуется в следующих областях: на катоде в зонах, остающихся после перемещения катодного пятна; непосредственно на поверхности подложки, где происходит реакция свеженапыленного слоя с газом; в разрядном промежутке при условии его достаточной протяженности.
Скорость перемещения катодного пятна в значительной степени зависит от состава и давления напускаемого газа. Эти параметры определяют скорость испарения и состав формируемого покрытия.
Для предварительной откачки полости из-под колпака от атмосферного давления до 40-100 Па служит электромагнитный клапан 12, соединенный трубопроводом 13 с насосом 7. В центральной верхней части крышки колпака 1 помещен ввод вращения 14, к которому подвешивается напыляемое изделие 15. Внутри располагаемого изделия 15 размещаются несколько кварцевых галогенных ламп 16 и необходимое количество испарителей 17 в виде спиралей из проволоки из лантанированного или торированного вольфрама, внутрь которых закладываются гранулы испаряемого металла.
Режим запуска и работы установки следующий. После того, как тщательно обезжиренное изделие 15 подвешено внутри колпака 1 и вдоль будущей напыляемой поверхности на расстоянии 50-80 мм установлены испарители 17 с гранулами напыляемого металла, а также закреплены галогенные лампы 16, колпак опускается. После этого включается форвакуумный механический насос 7, затем турбомолекулярный насос 5. Периодически открывая и закрывая поочередно клапаны 6 и 12 можно одновременно проводить разгон насоса 5 и предварительную откачку подколпачного объема.
После достижения под колпаком давления 40-100 Па клапан 12 закрывают, а клапан 6 оставляют все время открытым. Как только насос 5 выйдет на рабочий режим, сосуд ловушки 4 заполняют жидким N2, после чего открывают затвор 3. При достижении под колпаком давления 5.10-3 Па трубку 9 медленно вставляют в сосуд 10, создавая избыточное давление паров Не в этой трубке не более 0,2 атм. После этого натекатель 8 приоткрывают, устанавливая давление Не под колпаком ~1-2 Па, включают лампы 16 и приводят во вращение изделие 15.
Прогрев изделия 15 осуществляют в протоке Не в течение не менее 2-х часов. В результате этого происходит качественное обезгаживание его поверхности, очистка от адсорбированных остатков паров масла, растворителя, паров воды и других газов.
После достижения температуры поверхности изделия 350-4000С включают нагрев испарителей 17 и доводят их температуру в течение 3-5 минут до предплавильного режима вставленных в них гранул, проводя тем самым очистку их от газов и легколетучих примесей. Затем, натекателем 8 повышают давление Не под колпаком до 2-10 Па в зависимости от режима напыления и постепенно увеличивают температуру испарителей до момента расплавления гранул и смачивания расплавом всей поверхности испарителей. Лампы 16 при этом выключают. После этого еще повышают температуру испарителей до того момента, когда начнется медленное испарение металла, причем, постепенно поддерживают ее на таком уровне, чтобы испарение Al длилось в течение не менее 3-5 минут.
После окончания испарения Al, испарители 17 выключают, вращение изделия прекращают, натекатель 8 прикрывают до установления давления Не под колпаком ~1 Па и далее в течение не менее 2-х часов проводят остывание изделия до температуры не более 80-1000С при динамической откачке в протоке Не. После этого затвор 3 закрывают, натекатель 8 открывают полностью и держат его открытым в течение такого времени, чтобы давление Не под колпаком возросло до ~5. 103 Па. После этого в атмосфере Не изделие должно остыть до комнатной температуры.
Для вскрытия изделия из-под колпака следует клапан 11 подсоединить к источнику чистого сухого N2 (лучше его соединить с трубкой, опущенной в сосуд Дьюара с жидким N2). Затем, открывая его, установить умеренный поток, чтобы подколпачный объем в течение не быстрее 10-15 минут заполнялся газообразным N2 до атмосферного давления. После этого колпак можно поднять и вынуть изделие. Пленка Al при контакте с атмосферным воздухом окисляется на глубину ~ 1-2 нм.
При напылении в протоке чистого Не при его давлении 2-10 Па и парциальном давлении остаточных газов под колпаком напылительной установки порядка 10-3 Па на каждые 2000-10000 атомов Не будет приходиться в среднем только 1 молекула остаточных газов (в основном это - пары H2O, N2, O2). При таком соотношении и при длине свободного пробега молекул газа среди атомов Не около нескольких мм - 1 см не возможен их прямой пролет со стороны газвыделяющих поверхностей напылительной установки (внутренняя поверхность колпака, плиты, стоек и пр.) к пространству между испарителем и подложкой. Поток атомов Не, направляемый под колпак напылительной установки через натекатель и постоянно откачиваемый турбомолекулярным насосом, выносит десорбированные газы в зону откачки, осуществляя своего рода непрерывную длительную промывку подколпачного объема, при этом концентрация активных молекул в пространстве между испарителем и подложкой оказывается существенно ниже их концентрации вблизи газвыделяющих поверхностей установки.
Кроме этого, при таком направленном диффузном движении атомов Не в зону откачки практически отсутствует обратный поток паров масла турбомолекулярного и форвакуумного механического насосов, продуктов их разложения и других углеводородов. Это происходит благодаря подавлению этого потока сравнительно плотным противотоком атомов Не, что обеспечивает, во-первых, чистоту поверхности подложки, а в следствие этого, высокую адгезию напыляемой пленки, и, во-вторых, резкое снижение примесей в этой пленке. Известно, что при обычном высоковакуумном напылении при давлении 10-3-10-4 Па, когда длина свободного пробега молекул газа измеряется метрами и десятками метров, обратный поток паров масел из насоса, а также десорбируемые активные газы со стенок колпака, плиты и других узлов напылительной установки беспрепятственно достигают подложки и зоны испарения-конденсации и соударяются с подложкой с частотой в несколько молекулярных слоев в секунду.
Это объясняется теорией фотон-электрон-фононного взаимодействия излучения с поверхностью металлов возбужденный фотоном ИК-излучения поверхностный электрон в скин-слое металла за время своей жизни в возбужденном состоянии (~10-7 с), например, в медной пленке при Т=4,2К успевает пройти путь ~3 мкм, если он на своем пути не встретит какого-либо препятствия в виде дефекта в структуре (границы зерна, микротрещины, постороннего включения, адсорбированную молекулу и прочее). В этом случае (см. рис. 9) через 10-7с электрон обратно переходит в нормальное состояние и при этом излучает фотон. Т.е. происходит как бы зеркальное отражение первоначального фотона. Если же на своем пути во время своего существования в возбужденном состоянии электрон встретит препятствие в виде какого-либо дефекта, то произойдет передача энергии возбужденного электрона кристаллической решетке пленки путем электрон-фононного взаимодействия. Т.е. инфракрасное излучение будет поглощено и передано в виде тепловой энергии пленке и подложке. Очевидно, что если удается получить пленку, состоящую из относительно крупных плотно сросшихся отдельных монокристаллов величиной 3 и более мкм и имеющую очень малое количество дефектов в структуре, то большая часть ИК-излучения будет отражаться, а меньшая - поглощаться.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Структура цеха литья по выплавляемым моделям, его производственная программа. Выбор режима работы цеха и фондов времени. Условия работы детали, требования к ее функциональности. Обоснование и выбор способа изготовления отливки. Описание конструкции печи.
дипломная работа [3,1 M], добавлен 06.04.2015Понятие и отличительные особенности литья по газифицируемым моделям как технологии, позволяющей получить отливки по точности равные литью по выплавляемым моделям при уровне затрат сопоставимом с литьем в землю. Исследование и оценка его преимуществ.
презентация [816,7 K], добавлен 26.05.2015Процесс изготовления керамических оболочек, выплавления моделей и литья в разъемные формы. Технология получения крупногабаритных деталей литьем по выплавляемым моделям и керамических оболочковых форм. Новая концепция мелкосерийного литейного производства.
курсовая работа [999,5 K], добавлен 26.02.2013Способы получения неразъемного соединения контактной сваркой. Технология изготовления отливок литьем по выплавляемым моделям. Механизм пластической деформации, понятие о холодном и горячем деформировании, а также условия протекания горячей деформации.
контрольная работа [519,8 K], добавлен 10.10.2011Описание техники литья зубопротезных деталей по выплавляемым моделям из моделировочного воска в формах из огнеупорного материала по моделям. Борьба с усадкой сплавов и восковых композиций. Технология изготовления форм. Операции по обработке отливок.
презентация [747,6 K], добавлен 16.04.2016Выбор типа литниково-питающей системы. Классификация и свойства модельных составов. Приготовление модельных составов. Сборка моделей в блоки. Плавка металла и заливка форм. Выбивка, очистка и термообработка отливок. Предварительная очистка блоков отливок.
реферат [351,5 K], добавлен 15.10.2013Выбор метода литья по выплавляемым моделям для изготовления лопатки диффузора. Обоснование технологических процессов. Основные операции для изготовления заготовки. Припуски и допуски на заготовку, применение оборудования. Нормирование расхода материала.
курсовая работа [478,4 K], добавлен 06.04.2015Материалы и инструменты, рабочее место ювелира. Инструменты для произведения ювелирных изделий. Литье по выплавляемым моделям в производстве украшений. Использование 3D-моделирования, применение формомассы, елки. Сущность центробежного и вакуумного литья.
дипломная работа [6,2 M], добавлен 29.03.2013Технологические понятия в литейном производстве. Дефекты отливок, их получение в песчано-глинистых формах. Структура литниковой системы. Литье в оболочковые формы, в кокиль, по выплавляемым моделям. Основы центробежного литья. Литейные свойства сплавов.
контрольная работа [813,7 K], добавлен 20.08.2015Сущность технологии литья по выплавляемым моделям. Процесс изготовления разрезных пресс-форм. Суть и назначение обработки конструкционных материалов резанием. Рабочие и вспомогательные движения в металлорежущих станках. Подготовка порошков к формованию.
реферат [76,4 K], добавлен 11.10.2013
