Техническо-экономическая характеристика различных методов литья

Размещено на http://www.allbest.ru/

Белорусский государственный университет

Факультет международных отношений

Кафедра «Мировая экономика»

Реферат

По теме

«Техническо-экономическая характеристика различных методов литья»

Подготовил

Петров Дмитрий,1курс

Проверил

Бакун Илья Афанасьевич

Минск 2008г.

Введение

Литейное производство -- отрасль машиностроения, занимающаяся изготовлением фасонных деталей и заготовок путём заливки расплавленного металла в форму, полость которой имеет конфигурацию требуемой детали. Способ получения изделий путём литья их из металла известен более пяти тысяч лет. Первыми отливками были несложные предметы домашнего обихода и украшения, отливаемые из меди и бронзы: котлы, рукомойники, серьги, кресты, кольца и т. д.

В процессе литья, при охлаждении металл в форме затвердевает и получается отливка -- готовая деталь или заготовка, которая при необходимости (повышение точности размеров и снижения шероховатости поверхности) подвергается последующей механической обработке. В связи с этим перед литейным производством стоит задача получения отливок, размеры и форма которых максимально приближена к размерам и форме готовой детали. В машинах и промышленном оборудовании от 50%-ти до 95%-ти всех деталей изготовляют литьём.

Изготовление литых изделий осуществляется из литейных сплавов, к которым относятся: чугуны -- серый литейный, ковкий и высокопрочный, медные сплавы -- латуни и бронзы, алюминиевые сплавы, стали -- углеродистые и легированные, магниевые сплавы. В настоящее время примерно 75 % литья осуществляется из серого литейного чугуна, 20 % -- из стали, 3 % -- из ковкого чугуна и 2 % из цветных сплавов.

Литьё -- технологический процесс изготовления заготовок (реже -- готовых деталей), заключающийся в заполнении предварительно изготовленной литейной формы жидким материалом (металлом, сплавом, пластмассой и т.п.) с последующим его затвердеванием. Литьём называют также продукцию литейного производства, художественные изделия и изделия народных промыслов, полученные с помощью литья.

Известно множество разновидностей литья:

· в песчаные формы (ручная или машинная формовка);

· в стержневые формы;

· в многократные (цементные, графитовые, асбестовые формы);

· в оболочковые формы;

· по выплавляемым моделям;

· по замораживаемым ртутным моделям;

· центробежное литье;

· в кокиль;

· литьё под давлением;

· по газифицируемым моделям;

· по выжигаемым моделям;

· вакуумное литьё;

· электрошлаковое литьё;

· литьё с утеплением.

Литьё в песчаные формы

Литьё в песчаные формы -- дешёвый, самый грубый, но самый массовый (до 75-80 % по массе получаемых в мире отливок) вид литья. Вначале изготовляется литейная модель (ранее -- деревянная, в настоящее время часто используются пластиковые модели, полученные методами быстрого прототипирования), копирующая будущую деталь. Модель засыпается песком или формовочной смесью (обычно песок и связующее), заполняющей пространство между ею и двумя открытыми ящиками (опоками). Отверстия в детали образуются с помощью размещённых в форме литейных песчаных стержней, копирующих форму будущего отверстия. Насыпанная в опоки смесь уплотняется встряхиванием, прессованием или же затвердевает в термическом шкафу (сушильной печи). Образовавшиеся полости заливаются расплавом металла через специальные отверстия -- литники. После остывания форму разбивают и извлекают отливку. После чего отделяют литниковую систему (обычно это обрубка), удаляют облой и проводят термообработку.

Новым направлением технологии литья в песчаные формы является применение вакуумируемых форм из сухого песка без связующего. Для получения отливки данным методом могут применяться различные формовочные материалы, например песчано-глинистая смесь или песок в смеси со смолой и т.д. Для формирования формы используют опоку (металлический короб без дна и крышки). Опока имеет две полуформы, то есть состоит из двух коробов. Плоскость соприкосновения двух полуформ -- поверхность разъёма. В полуформу засыпают формовочную смесь и утрамбовывают её. На поверхности разъёма делают отпечаток промодели (промодель соответствует форме отливки). Также выполняют вторую полуформу. Соединяют две полуформы по поверхности разъёма и производят заливку металла.

Литьё в кокиль

Литьё металлов в кокиль -- более качественный способ. Изготавливается кокиль -- разборная форма (чаще всего металлическая), в которую производится литьё. После застывания и охлаждения, кокиль раскрывается и из него извлекается изделие. Затем кокиль можно повторно использовать для отливки такой же детали.

Литьё в кокиль, кокильное литьё, способ получения фасонных отливок в металлических формах -- кокилях. В отличие от других способов литья в металлические формы (литьё под давлением, центробежное литьё и др.), при литьё в кокиль заполнение формы жидким сплавом и его затвердевание происходят без какого-либо внешнего воздействия на жидкий металл, а лишь под действием силы тяжести. Основные операции и процессы: очистка кокиля от старой облицовки, прогрев его до 200--300°С, покрытие рабочей полости новым слоем облицовки, простановка стержней, закрывание частей кокиля, заливка металла, охлаждение и удаление полученной отливки. Процесс кристаллизации сплава при литье в кокиль ускоряется, что способствует получению отливок с плотным и мелкозернистым строением, а следовательно, с хорошей герметичностью и высокими физико-механическими свойствами. Однако отливки из чугуна из-за образующихся на поверхности карбидов требуют последующего отжига. При многократном использовании кокиль коробится и размеры отливок в направлениях, перпендикулярных плоскости разъёма, увеличиваются.

В кокилях получают отливки из чугуна, стали, алюминиевых, магниевых и др. сплавов. Особенно эффективно применение кокильного литья при изготовлении отливок из алюминиевых и магниевых сплавов. Эти сплавы имеют относительно невысокую температуру плавления, поэтому один кокиль можно использовать до 10000 раз (с простановкой металлических стержней). До 45 % всех отливок из этих сплавов получают в кокилях. При литье в кокиль расширяется диапазон скоростей охлаждения сплавов и образования различных структур. Сталь имеет относительно высокую температуру плавления, стойкость кокилей при получении стальных отливок резко снижается, большинство поверхностей образуют стержни, поэтому метод кокильного литья для стали находит меньшее применение, чем для цветных сплавов. Данный метод широко применяется при серийном и крупносерийном производстве.

Литьё под давлением

ЛПД занимает одно из ведущих мест в литейном производстве. Производство отливок из алюминиевых сплавов в различных странах составляет 30--50 % общего выпуска (по массе) продукции ЛПД. Следующую по количеству и разнообразию номенклатуры группу отливок представляют отливки из цинковых сплавов. Магниевые сплавы для литья под давлением применяют реже, что объясняется их склонностью к образованию горячих трещин и более сложными технологическими условиями изготовления отливок. Получение отливок из медных сплавов ограничено низкой стойкостью пресс-форм.

Номенклатура выпускаемых отечественной промышленностью отливок очень разнообразна. Этим способом изготовляют литые заготовки самой различной конфигурации массой от нескольких граммов до нескольких десятков килограммов. Выделяются следующие положительные стороны процесса ЛПД:

Высокая производительность и автоматизация производства, наряду с низкой трудоёмкостью на изготовление одной отливки, делает процесс ЛПД наиболее оптимальным в условия массового и крупносерийного производств.

Минимальные припуски на мехобработку или не требующие оной, минимальная шероховатость необрабатываемых поверхностей и точность размеров, позволяющая добиваться допусков до ±0,075 мм на сторону.

Чёткость получаемого рельефа, позволяющая получать отливки с минимальной толщиной стенки до 0,6 мм, а также литые резьбовые профили.

Чистота поверхности на необрабатываемых поверхностях, позволяет придать отливке товарный эстетический вид.

Также выделяют следующие негативное влияние особенностей ЛПД, приводящие к потере герметичности отливок и невозможности их дальнейшей термообработки:

Воздушная пористость, причиной образования которой являются воздух и газы от выгорающей смазки, захваченные потоком металла при заполнении формы. Что вызвано неоптимальными режимами заполнения, а также низкой газопроницаемостью формы.

Усадочные пороки, проявляющиеся из-за высокой теплопроводности форм наряду с затрудненными условиями питания в процессе затвердевания.

Неметаллические и газовые включения, появляющиеся из-за нетщательной очистки сплава в раздаточной печи, а также выделяющиеся из твёрдого раствора.

Задавшись целью получения отливки заданной конфигурации, необходимо чётко определить её назначение: будут ли к ней предъявляться высокие требования по прочности, герметичности или же её использование ограничится декоративной областью. От правильного сочетания технологических режимов ЛПД, зависит качество изделий, а также затраты на их производство. Соблюдение условий технологичности литых деталей, подразумевает такое их конструктивное оформление, которое, не снижая основных требований к конструкции, способствует получению заданных физико-механических свойств, размерной точности и шероховатости поверхности при минимальной трудоёмкости изготовления и ограниченном использовании дефицитных материалов. Всегда необходимо учитывать, что качество отливок, получаемых ЛПД, зависит от большого числа переменных технологических факторов, связь между которыми установить чрезвычайно сложно из-за быстроты заполнения формы.

Основные параметры, влияющие на процесс заполнения и формирования отливки, следующие:

· давление на металл во время заполнения и подпрессовки;

· скорость прессования;

· конструкция литниково-вентиляционной системы;

· температура заливаемого сплава и формы;

· режимы смазки и вакуумирования.

Сочетанием и варьированием этих основных параметров, добиваются снижения негативных влияний особенностей процесса ЛПД. Исторически выделяются следующие традиционные конструкторско-технологические решения по снижению брака:

регулирование температуры заливаемого сплава и формы;

повышение давление на металл во время заполнения и подпрессовки;

рафинирование и очистка сплава;

вакуумирование;

конструирование литниково-вентиляционной системы;

Также, существует ряд нетрадиционных решений, направленных на устранение негативного влияние особенностей ЛПД:

заполнение формы и камеры активными газами;

использование двойного хода запирающего механизма;

использование двойного поршня особой конструкции;

установка заменяемой диафрагмы;

проточка для отвода воздуха в камере прессования;

Литьё по выплавляемой модели

Ещё один способ литья металлов -- по выплавляемой модели -- применяется в случаях изготовления деталей высокой точности (например лопатки турбин и т. п.) Из легкоплавкого материала: парафин, стеарин и др., (в простейшем случае -- из воска) изготавливается точная модель изделия и литниковая система. Наиболее широкое применение нашёл модельный состав П50С50 состоящий из 50 % стеарина и 50 % парафина, для крупногобаритных изделий применяются солевые составы менее склонные к короблению. Затем модель окунается в жидкую суспензию на основе связующего и огнеупорного наполнителя. В качестве связующего применяют гидролизованный этилсиликат марок ЭТС 32 и ЭТС 40, гидролиз ведут в растворе кислоты, воды и растворителя (спирт, ацетон). В настоящее время в ЛВМ нашли применения кремнезоли не нуждающиеся в гидролизе в цеховых условиях и являющиеся экологически безопасными. В качестве огнеупорного наполнителя применяют: электрокорунд, дистенсилиманит, кварц и т. д. На модельный блок (модель и ЛПС) наносят суспензию и производят обсыпку, так наносят от 6 до 10 слоёв. С каждым последующим слоем фракция зерна обсыпки меняются для формирования плотной поверхности оболочковой формы. Сушка каждого слоя занимает не менее получаса, для ускорения процесса используют специальные сушильные шкафы, в которые закачивается аммиачный газ. Из сформировавшейся оболочки выплавляют модельный состав: в воде, в модельном составе, выжиганием, паром высокого давления. После сушки и вытопки блок прокаливают при температуре примерно 1000 для удаления из оболочковой формы веществ способных к газообразованию. После чего оболочки поступают на заливку. Перед заливкой блоки нагревают в печах до 1000. Нагретый блок устанавливают в печь и разогретый металл заливают в оболочку. Залитый блок охлаждают в термостате или на воздухе. Когда блок полностью охладится его отправляют на выбивку. Ударами молота по литниковой чаше производится отбивка керамики, далее отрезка ЛПС. Таким образом получаем отливку.

В силу большого расхода металла и дороговизны процесса ЛВМ применяют только для ответственных деталей.

Процесс литья по выплавляемым моделям базируется на следующем основном принципе:

* Копия или модель конечного изделия изготавливаются из легкоплавкого материала.

* Эта модель окружается керамической массой, которая затвердевает и образует форму.

* При последующем нагревании (прокалке) формы модель отливки расплавляется и удаляется.

* Затем в оставшуюся на месте удалённого воска полость заливается металл, который точно воспроизводит исходную модель отливки.

Литьё по газифицируемым (выжигаемым) моделям

Литьё по газифицируемым моделям (ЛГМ) из пенопласта по качеству фасонных отливок, экономичности, экологичности и высокой культуре производства наиболее выгодно. Мировая практика свидетельствует о постоянном росте производства отливок этим способом, которое в 2007 году превысило 1,5 млн т/год, особенно популярна она в США и Китае (в одной КНР работает более 1,5 тыс. таких участков), где всё больше льют отливок без ограничений по форме и размерам. В песчаной форме модель из пенопласта при заливке замещается расплавленным металлом, так получается высокоточная отливка. Чаще всего форма из сухого песка вакуумируется на уровне 50 кПа, но также применяют формовку в наливные и легкоуплотняемые песчаные смеси со связующим. Область применения -- отливки массой 0,1--2000 кг и более, тенденция расширения применения в серийном и массовом производстве отливок с габаритными размерами 40--1000 мм, в частности, в двигателестроении для литья блоков и головок блоков цилиндров и др.

На 1 тонну годного литья расходуется 4 вида модельно-формовочных (неметаллических) материалов:

· кварцевого песка -- 50 кг,

· противопригарного покрытия -- 25 кг,

· пенополистирола -- 6 кг,

· плёнки полиэтиленовой -- 10 кв.м.

Отсутствие традиционных форм и стержней исключает применение формовочных и стержневых смесей, формовка состоит из засыпки модели песком с повторным его использованием на 95-97 %.

отливка сплав металл

Центробежное литье и центробежный метод литья

Центробежный метод литья (центробежное литьё) используется при получении отливок, имеющих форму тел вращения. Подобные отливки отливаются из чугуна, стали, бронзы и алюминия. При этом расплав заливают в металлическую форму, вращающуюся со скоростью 3000 об/мин.

Под действием центробежной силы расплав распределяется по внутренней поверхности формы и, кристаллизуясь, образует отливку. Центробежным способом можно получить двухслойные заготовки, что достигается поочерёдной заливкой в форму различных сплавов. Кристаллизация расплава в металлической форме под действием центробежной силы обеспечивает получение плотных отливок.

При этом, как правило, в отливках не бывает газовых раковин и шлаковых включений. Особыми преимуществами центробежного литья является получение внутренних полостей без применения стержней и большая экономия сплава в виду отсутствия литниковой системы. Выход годных отливок повышается до 95 %.

В нашем производстве используют машины с горизонтальными осями вращения. Широким спросом пользуются отливки втулок, гильз и других заготовок, имеющих форму тела вращения, произведенные с помощью метода центробежного литья. Что такое центробежное литьё?

Центробежное литье -- это способ получения отливок в металлических формах. При центробежном литье расплавленный металл, подвергаясь действию центробежных сил, отбрасывается к стенкам формы и затвердевает. Таким образом получается отливка. Этот способ литья широко используется в промышленности, особенно для получения пустотелых отливок (со свободной поверхностью).

Технология центробежного литья обеспечивает целый ряд преимуществ, зачастую недостижимых при других способах, к примеру:

Высокая износостойкость.

Высокая плотность металла.

Отсутствие раковин.

В продукции центробежного литья отсутствуют неметаллические включения и шлак.

Центробежным литьём получают литые заготовки, имеющие форму тел вращения:

· втулки;

· венцы червячных колёс;

· барабаны для бумагоделательных машин;

· роторы электродвигателей.

Наибольшее применение центробежное литьё находит при изготовлении втулок из медных сплавов, преимущественно оловянных бронз.

По сравнению с литьём в неподвижные формы центробежное литьё имеет ряд преимуществ: повышаются заполняемость форм, плотность и механические свойства отливок, выход годного. Однако для его организации необходимо специальное оборудование; недостатки, присущие этому способу литья: неточность размеров свободных поверхностей отливок, повышенная склонность к ликвации компонентов сплава, повышенные требования к прочности литейных форм.

Литьё в оболочковые формы

Литьё в оболочковые формы -- способ получения фасонных отливок из металлических сплавов в формах, состоящих из смеси песчаных зёрен (обычно кварцевых) и синтетического порошка (обычно фенолоформальдегидной смолы и пульвер-бакелита). Предпочтительно применение плакированных песчаных зёрен (покрытых слоем синтетической смолы).

Оболочковую форму получают одним из двух методов. Смесь насыпают на металлическую модель, нагретую до 300°С, выдерживают в течение нескольких десятков секунд до образования тонкого упрочнённого слоя, избыток смеси удаляют. При использовании плакированной смеси её вдувают в зазор между нагретой моделью и наружной контурной плитой. В обоих случаях необходимо доупрочнение оболочки в печи (при температуре до 400°С) на модели. Полученные оболочковые полуформы скрепляют, и в них заливают жидкий сплав. Во избежание деформации форм под действием заливаемого сплава перед заливкой их помещают в металлический кожух, а пространство между его стенками и формой заполняют металлической дробью, наличие которой воздействует также на температурный режим охлаждающейся отливки.

Этим способом изготавливают различные отливки массой до 25 кг. Преимуществами способа являются значительные повышение производительности по сравнению с изготовлением отливок литьём в песчаные формы, управление тепловым режимом охлаждения отливки и возможность механизировать процесс.

Элетрошлаковое литьё

Элетрошлаковое литьё (ЭШЛ) -- вид электрошлакового процесса (ЭШП), литейная технология с защитой металлической ванны от взаимодействия с воздухом находящейся сверху шлаковой ванной, подогреваемой проходящим через неё электрическим током. Используется, например, при изготовлении биметаллических прокатных валков.

Рабочая поверхность валков холодной прокатки должна быть износостойкой, а для этого -- твёрдой. Иначе она быстро сомнётся.

Дешёвый, но достаточно твёрдый материал -- серый чугун. Но он не достаточно прочен. Весь же валок должен быть прочным, иначе он не выдержит нагрузки и сразу лопнет. Достаточно прочный материал -- конструкционная сталь. Но она слишком мягкая. Можно сделать весь валок из инструментальной стали. Но инструментальная сталь дороже, а валок -- не резец. У него значительно больше объём и масса, из-за чего такое изделие окажется много дороже большинства инструментов, а служит он всёравно недолго. Выход: сделать поверхность твёрдой, а основное тело валка -- прочным. Для этого применяют плазменную наплавку инструментальной стали на конструкционную. Но во-первых, это лишь частично решает проблему дороговизны материала (инструментальной стали), а во-вторых достаточно дорога сама технология. Одна из альтернатив -- наворачивание цельно чугунного бандажа на цельно стальное основное тело валка (обе детали должны иметь резьбу). Но при эксплуатации таких валков бандаж сворачивается с основного тела валка. Кроме того, недостаточная прочность чугуна обуславливает формы разрушения бандажа в процессе эксплуатации, отличные от мгновенного хрупкого разрушения, в первую очередь по поверхности контакта бандажа с основным телом валка. Значит нужен прочный белый чугун. Но белый чугун дороже серого. Электрошлаковое же литьё позволяет дешево отбелить серый чугун за счёт экономного легирования серого чугуна хромом. Эта же технология позволяет соединить сплавлением (сварить по всей поверхности контакта) бандаж и основное тело валка. При обычном литье аналогичных изделий диспергирование струи ведёт к избыточному окислению металла, а из-за слишком быстрой кристаллизации чугун шва будет иметь повышенную хрупкость (а не прочность) и не произойдёт сплавление достаточных объёмов стали и чугуна, из-за чего шов будет тонким и в нём не сформируется область плавного перехода по составу от чугуна к стали. Электрошлаковая же технология позволяет решить все эти проблемы. Поверхности кокиля (литейной формы, если она используется) и заготовок(ки) обмазываются фторидами и хлоридами щелочных и щёлочноземельных металлов, термическое разложение этих солей создаёт защитную атмосферу. Струя металла также диспергируется, но теперь это ведёт не к окислению, а к рафинированию металла. Рафинирование металла более интенсивно продолжается также и в шлаке. Остальные проблемы решаются подогревом зоны кристаллизации. Кроме того, элетрошлаковая технология позволяет создать переходный слой (шов) с рельефом двух встречных псевдорезьб. Этот рельеф и работает аналогично двум встречным резьбам (как у талрепа -- резьбового приспособления для натяжения тросов), дополнительно скрепляя части изделия, но при этом, не допуская сворачивания бандажа.

Поддерживается также раздельное легирование зон отливки. При ЭШЛ в шлаковой ванне существует магнитное поле и в ней же протекает электрический ток. Силовые линии магнитного поля ориентированы вертикально, а вектор плотности электрического тока в любой точке имеет горизонтальные проекции. В результате взаимодействия электрического тока с магнитным полем возликает горизонтальная сила Лоренца. Радиальная компонента плотности тока обуславливает азимутальную составляющую этой силы, причём, во внешней и внтуренней, относительно электрода, зонах знак радиальной проекции плотности тока противоположен, а направление магнитного поля совпадает. В результате направление азимутальной составляющей силы Лоренца в этих областях противоположно. А это ведёт к возбуждению двух встречных тороидальных потоков шлака. Причём, характер течения ламинарный. Поэтому оба потока не смешиваются. Материал электрода делится между ними ровно пополам, но даже его концентрация в различных зонах шлаковой ванны может быть не одинакова. Если эти зоны имеют различный объём, то в них концентрация материала электрода обратно пропорциональна объёмам зон. В металлической ванне (которая находится под шлаковой) имеет место диффузия, но состав до конца всё равно не выравнивается. Таким образом, электрод из порошковой проволоки можно использовать для раздельного легирования зон отливки. Кроме того, подача легирующих сверху непосредственно во внутреннюю, или во внешнюю зону шлаковой ванны позволяет добиться раздельного легирования, независимого от соотношения объёмов зон, так как присадки в одну зону вообще не попадают в другую.

Варианты ЭШЛ

· Литьё переходного слоя. На запорную плиту ставят две заготовки основного тела и бандажа валка и льют переходный слой между ними

· Литьё основного тела валка. На запорную приту ставят заготовку бандажа и внутрь льют основное тело валка

· Литьё бандажа в Кокиль. Внутри литейной формы (кокиля) ставят заготовку основного тела валка и льют бандаж между кокилем и заготовкой

Используемый метал может переплавляться электрошлаковым способом и сразу заливаться в форму, так и подогреваться в промежуточном ковше, после быстрого слива в него готового расплава, полученного любым другим способом. Общей является электрошлаковая защита металла в ковше как от взаимодействия с воздухом, так и от преждевременной кристаллизации в процессе литья.

Литература

Баринов Н. А."Водоохлаждаемые вагранки и их металлургические возможности", Москва, «Машиностроение» 1964

Размещено на Allbest.ru