Технология производства отливок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Литьё является одним из наиболее распространённых способов производства заготовок для деталей машин. Широкое распространение литейного производства объясняется большими его преимуществами по сравнению с другими способами производства заготовок (ковка, штамповка). Литьём можно получить заготовки практически любой сложности, с минимальной толщиной стенки и минимальными припусками на механическую обработку [1].

В существующих государственных стандартах регламентируется качество более 200 литейных сплавов. Отливки из 400 литейных сплавов изготовляются по техническим условиям, принятым изготовителем и, естественно, потребителем. Поэтому ограничений по сплавам, а также по отливкам, которые принимают форму под действием силы тяжести, практически нет. Основными критериями могут быть экономический фактор и возможность выполнения технических требований на предприятии.

Фасонные литые изделия используются во всех без исключения областях промышленности, строительства и быта.

В повседневной жизни человека повсеместно окружают отливки: металлические украшения, детали квартирных замков, сковородки, чугунки, ванны, краны, радиаторы, литые детали механизмов и машин. В среднем на долю литых деталей приходится около 70% массы машин и механизмов, а в некоторых отраслях машиностроения (станкостроение) это число доходит до 90%, при этом их стоимость достигает 20…25% (до 50…60%) стоимости машины.

Технология получения отливок известна человечеству с древнейших времен. Её история начиналась на заре земных цивилизаций ранее 4 тысяч лет до нашей эры.

В зависимости от метода переработки в заготовки металлические сплавы разделяют на литейные (используемые при изготовлении фасонных отливок) и деформируемые, получаемые вначале в виде слитков, а затем перерабатываемые ковкой, прокаткой, волочением, штамповкой. Различия в методах переработки оказывают существенное влияние на требования к свойствам, а следовательно, и на требования к составам литейных и деформируемых сплавов.

Литейные сплавы классифицируются в зависимости от их состава, свойств, назначения. Сплавы на основе железа называют черными. К ним относят все разновидности чугунов и сталей. Остальные литейные сплавы на основе алюминия, магния, цинка, олова, свинца, меди, титана, молибдена, никеля, кобальта, бериллия и других металлов, в том числе и благородных (серебра, золота, платины), называют цветными.

Для обеспечения требуемых эксплуатационных свойств литых деталей, например прочности, твердости, износостойкости, в сплавы в определенном количестве вводят специальные добавки, так называемые легирующие компоненты. По содержанию их сплавы делят на низколегированные (менее 2,5% легирующих компонентов по массе), среднелегированные (от 2,5 до 10%) и высоколегированные (свыше 10%).

Помимо специально вводимых в литейные сплавы компонентов в них обычно присутствуют постоянные примеси, наличие которых связано с особенностями металлургических процессов приготовления сплава и составом исходных металлургических материалов (руд, топлива, флюсов). Часто эти примеси (например, сера и фосфор в сталях) являются вредными и содержание их ограничивают.

До открытия способа производства литого высокопрочного чугуна с шаровидным графитом ВЧШГ (или просто ВЧ), датируемого 7 мая 1948 года, в распоряжении конструкторов были только два типа чугуна: серый с пластинчатым графитом и практически нулевой пластичностью и ковкий с графитом хлопьевидной формы, образующейся посредством длительного и энергоёмкого высокотемпературного отжига, так называемого "белого чугуна", очень хрупкого и твёрдого химического соединения железа и углерода. Поэтому вплоть до начала 50-х годов единственным конструкционным материалом для средних и крупных литых деталей, от которых требуются высокие характеристики пластичности и вязкости, была литая сталь.

ВЧ, обладая высокими технологическими и служебными свойствами, а также экономичностью, вытеснил за последние четыре десятилетия значительный тоннаж отливок из стали, ковкого и серого чугунов, стальных паковок и сварных конструкций.

В обывательском понимании чугун - это нечто хрупкое и непрочное. И это справедливо можно отнести только к изделиям из серого чугуна. Высокопрочный чугун по эксплуатационным параметрам не уступает стали, а практически по всем технологическим значительно превосходит литую сталь. Основное отличие серого чугуна от высокопрочного чугуна в форме графита. Если в первом в процессе кристаллизации он формируется в виде пластин и фактически надрезов в металлической основе, то в ВЧ графит посредством специальных модифицирующих воздействий формируется в виде изолированных шаровидных включений. Т.е. в процессе эксплуатации изделия из ВЧ работает непосредственно металлическая матрица и отрицательного воздействия графитовых включений или фактически пустот нет.

Благодаря уникальным свойствам изделий из ВЧ рост производства в мире этого материала впечатляющий, и на рубеже 2000 года общее производство его перевалило за 20 миллионов тонн в год. В качестве примера можно привести номенклатуру изделий из ВЧ для автомобиля. Это детали трансмиссии (шестерни, зубчатки, картера), ступицы колёс, суппорта и детали рулевого управления. Классический пример: использование вместо кованой стали ВЧ. Это коленвалы для легковых и грузовых автомобилей.

Широкое применение ВЧ нашёл и в строительстве, в том числе и для систем поверхностного водоотвода. За последние 15 лет практически все ведущие фирмы, работающие в этой области, стали изготавливать решётки только из этого материала, что позволило значительно облегчить каналы, увеличить нагрузку и снизить цену.

Разумеется, как и всякий высокотехнологичный материал, производство отливок из ВЧ требует применения специальных технологий, оборудования, качественных материалов, обученного персонала и наличия специальных средств контроля. В России есть ряд литейных заводов, которые могут делать надёжно отливки из высокопрочного чугуна, как и в Европе, США и Японии.



1. Литейный сплав и его характеристика

1.1 Химический состав, структура в литом состоянии, основные свойства и способы их контроля

Высокопрочный чугун (ВЧ) - чугун с шаровидным (компактным) графитом, получаемый путём модификации магнием белого чугуна определённого химического состава. Высокопрочный чугун, как и серый, состоит из сталистой основы и содержит углерод в виде графита, однако графитовые включения в высокопрочном чугуне иные, чем в обычном сером чугуне. Разница в том, что включения графита в высокопрочном чугуне расположены в форме сферических включений, которые получаются при модифицировании, и изолированы друг от друга, в результате чего металлическая основа менее разобщена, и чугун обладает некоторой вязкостью и пластичностью.

В основу стандартизации высокопрочного чугуна по ГОСТ 7293-85 положен принцип регламентирования минимально допустимых значений временного сопротивления разрыву при растяжении у_В, относительного удлинения д и твердости HB. В зарубежных стандартах регламентируется также минимально допустимое значение предела текучести у_0,2 .

В зависимости от состава микроструктуры металлической основы ВЧ 42-12 относят к ферритному классу, характеризующегося ферритной или ферритно-перлитной микроструктурой металлической основы.

Условное обозначение включает буквы ВЧ - высокопрочный чугун и две двузначные цифры. Первые две цифры показывают минимальное значение временного сопротивления при растяжении в (МПа ?10), вторые две - минимальное значение относительного удлинения в процентах.

Основные преимущества ВЧ заключаются в однородности его свойств по сечению, практическом отсутствии напряжений в отливках, высоких механических свойствах и очень хорошей обрабатываемости. ВЧ применяется преимущественно для отливок с толщинами стенок 3-50 мм, что связано со стремлением обеспечить безусловное получение структуры белого чугуна (БЧ) в литье и однородность строения и свойств во всех сечениях отливки как до, так и после отжига. При этом требования рационального конструирования отливок из ВЧ (равномерность толщин стенок, плавность переходов, устранение тепловых узлов и т.д.) являются обязательными условиями обеспечения высокого качества, надёжности и экономичности производства изделий [2].

1.1.2 Технические требования

Деталь «Станина» работает в условиях постоянных динамических нагрузок. Для её оптимальной работы необходимы достаточная вязкость при сохранении достаточной прочности. [3].

Отливки из высокопрочного чугуна должны изготавливаться в соответствии с требованиями ГОСТ 7293-85, ГОСТ 26358-84, нормативно-технической документации (НТД) на конкретные отливки по чертежам, утвержденным в устанавливаемом порядке.

На поверхности отливок из ВЧ допускается перлитная кайма и обезуглероженный слой суммарной толщиной до 1,2 мм.

Размеры и вид допускаемых к исправлению дефектов, а также условия допускаемых отклонений должны быть установлены в НТД на конкретные отливки.



1.1.3 Химический состав

Таблица 1-Химический состав чугуна марки ВЧ 42-12 по ГОСТ 7293-85

Марка чугуна	Способ выплавки	C	Si	Mn	P	S	Cr
ВЧ 42-12	Вагранка- электропечь	2,7…3,7	0,8…2,9	0,3…0,7	0,10	0,020	0,15

Химический состав для отливок из высокопрочного чугуна ферритного класса ВЧ 42-12 приведён в таблице 1.

Влияние химического состава на механические свойства ВЧ сказывается вследствие изменения структуры металла и легированности феррита и перлита.

Углерод является основным регулятором механических свойств ВЧ. Он понижает предел прочности у_В, коэффициент объемной усадки б_Н, относительное удлинение д , Е как в ферритном ВЧ (ФеВЧ), так и в перлитном ВЧ (ПВЧ). Чем выше марка ВЧ, тем ниже должно быть содержание С, так как при этом не только уменьшается количество графита и его размеры, но и улучшается его форма [3].

Кремний выбирают в таких пределах, что при данном содержании С и толщине стенки не было выделений графита в сырой отливке, иначе свойства ВЧ будут резко понижены. Повышение содержания Si в допускаемых пределах увеличивает у_В и НВ и понижает б_Н вследствие легирования Fe; но если при отжиге в чугуне остается перлит (П), то Si повышает пластичность и вязкость чугуна.

Марганец сверх количества, необходимого для связывания серы [Mn>1,7S+(0,2-0,4)], оказывает тормозящее влияние на графитизацию и легируя Fе, снижает б_Н и д ковкого чугуна и повышает его у_В и НВ.

Сера сверх количества, связанного марганцем, перлитизируя структуру, повышает у_В и твердость ВЧ и соответственно понижает его б_Н и д, причем это влияние сказывается сильнее, чем влияние избытка Mn. При очень высоком содержании S(~0,4%) перлит сохраняется независимо от длительности II стадии графитизации, причем получается шаровидный графит (ШГ), что повышает свойства перлитного ковкого чугуна.

Фосфор понижает б_Н и д. Допустимое содержание его ограничивается 0,12%. Понижение содержания P вызывает смещение порога хрупкости ВЧ в сторону отрицательных температур, так что при P<0,1% порог хрупкости ФеВЧ смещается до - 100?С.

Хром допускается в количестве до 0,06%. При более высоком его содержании может произойти полный распад карбида и пластические свойства ВЧ понижаются.

Газосодержание исходного белого чугуна (БЧ), зависящее от технологического процесса плавки и выбора плавильного оборудования, оказывает значительное влияние на свойства ВЧ. Отрицательное влияние азота наблюдается при его содержании в металле 110•10^-4%; аналогичное влияние кислорода - при содержании 40•10^-4%.

1.1.4 Механические свойства

Влияние температуры на механические свойства ВЧ проявляется, главным образом, при нагреве выше 400?С и выражается в понижении у_в и у_0,2 и повышении д. При этом ФеВЧ характеризуется более низким порогом хрупкости, чем ПВЧ (обычно около -80?С ). С повышением твёрдости ПВЧ порог хрупкости ещё повышается [3].

Таблица 2-Механические свойства чугуна ВЧ 42-12 по ГОСТ 7293-85

Марка чугуна	Размер пробы, мм	НВ, МПа	уВ, МПа	уТ, МПа	д, %
ВЧ 42-12	16	100…163	333	-	10

Механические свойства ВЧ 42-12 по ГОСТ 7293-85 даны в таблице 2.

В ВЧ, как и в сером чугуне (СЧ) НВ зависит главным образом от матрицы, объемное расширение Е- от графита, причём наибольшее влияние оказывает его форма; у_В, б_н, д зависят и от матрицы, и от графита; в связи с этим наибольшую прочность можно получить при дисперсном перлите и малом количестве наиболее компактного графита, а наибольшую пластичность- при феррите и таком же графите. Дисперсность графита почти не оказывает влияния на механические свойства ВЧ, в том числе и на порог хрупкости и поведение при динамических и циклических нагрузках. При этом между значениями б_н и д существует хорошая корреляция (таблица 3).

Таблица 3-Корреляция между значениями б_н и д

д, %	2	3	6	8	10	12
бн , МПа•10	0,5-0,8	0,8-1,2	1,2-1,6	1,3-1,8	1,4-2,0	1,6-2,2

Однако при ПВЧ можно отметить также корреляцию между б_н и структурой матрицы: с измельчением структуры матрицы б_н увеличивается. Такая же явная связь существует между значениями у_В и у_-1(отношение около 0,45); однако при значениях у_В>70 МПа•10? соотношение это остаётся постоянным. Весьма важна чувствительность к надрезам, которая тесно связана с циклической вязкостью или демпфирующей способностью, так что значение у_-1 понижается при надрезе у ФеВЧ на 40%, а у ПВЧ на 25%, и тем больше, чем меньше перлита в структуре.

По механическим и технологическим свойствам ВЧ занимает промежуточное положение между серым чугуном и сталью.

Отливки из ВЧ применяют для деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках. Из ферритных чугунов изготавливают картеры редукторов, ступицы, крюки, скобы, хомутики, муфты, фланцы.

Таблица 4-Механические свойства ВЧ, не вошедшие в ГОСТ

Тип чугуна	При растяжении	При сжатии	При изгибе
	Е	у0,2	ур	мп	ус, 107 Па	ш, %	уи, 107 Па	f600, мм
Ферритный	107 Па
	15500-17000	20-25	8-10,5	0,28-0,29	90-120	10-18	60-75	>30
Тип чугуна	При изгибе	При кручении	При срезе	При вибраци
	у р, 107 Па	бн, 107 Па	фв	ф-1	фв,ср	G	ц при нагрузке равной ? у0,2, %
		Без надреза	С надрезом	107 Па
Ферритный
	10-16	6-20	1,3-2,5	32-40	11-13	27-34	6300-7000	13-15

1.1.5 Теплофизические свойства

Теплофизические свойства ВЧ, так же как и механические, изменяются в процессе отжига вследствие изменения структуры матрицы. Плотность ВЧ при отжиге уменьшается, значение б несколько увеличивается, значительно повышается л, что способствует уменьшению напряжений, повышается м_max, что особенно ценно для якорей, полюсных наконечников и других деталей электрических машин, в которых стремятся достигнуть наименьших потерь на гистерезис. Вместе с тем вследствие понижения плотности с несколько уменьшаются потери на токи Фуко [3].

Теплофизические свойства ВЧ представлены в таблице 5.

Таблица 5-Теплофизические свойства

Марка чугуна	Плотность с, кг/м3	Линей-ная усадка е,%	Модуль упругости при растяже-нии E·10-2, МПа	Удельная теплоем-кость при темпера-туре от 20 до 200°С с, Дж/(кг·К)	Коэффи-циент линейного расшире-ния при температу-ре от 20 до 200°С б, 1/°С	Теплоп-ровод-ность при 20°С л, Вт/(м·К)
ВЧ42-12	7,2·103	1,1	700- 1100	460	9,0·10-6	59

1.1.6 Технологические свойства

Износостойкость является одним из важнейших эксплуатационных свойств деталей, работающих на износ, и определяется главным образом твердостью, вследствие чего в этих условиях применяют только перлитно-ферритный ковкий чугун (ПФеВЧ) и ПВЧ. При трении чугунного образца по закаленному стальному наилучшие результаты обеспечивает ПВЧ с 90-100% П и с НВ 220-260 при работе как на повышенных скоростях, так и при повышенных давлениях. ПФеВЧ имеет сравнительно низкие антифрикционные свойства в условиях работы со смазкой и весьма хорошие при сухом трении. Для повышения антифрикционных свойств в условиях сухого трения возможно, как показали исследования, использовать ВЧ с повышенным содержанием серы (0,25-0,4%) [4].

Герметичность отливок из ВЧ обеспечивается высокой плотностью и благоприятным расположением и формой графита. Оба эти условия обеспечиваются в ВЧ, если питание производится правильно и в достаточной мере. Тогда ВЧ выдерживает испытание при давлении более 200 МПа•10?, что позволяет его использовать для производства большого ассортимента деталей гидро-, газо- и паро- проводных установок.

Коррозионная стойкость ВЧ в условиях атмосферного воздействия, особенно при наличии на деталях литейной корки, покрывающейся защитными окислами, весьма высока и по некоторым данным превосходит в этом отношении сталь и СЧ. Эта стойкость может быть еще повышена при добавке 0,25-0,75% Cu, а при 2% Cu высокая стойкость достигается даже в загрязненной дымом и отходящими газами атмосфере.

Обрабатываемость ВЧ является его особо благоприятным технологическим свойством, которое в ряде случаев определяет выгодность его применения. Хорошая обрабатываемость ВЧ достигается благодаря наличию в его структуру шаровидного графита ШГ, облегчающего излом стружки и играющего роль смазки инструмента, а улучшению обрабатываемости ФеВЧ способствует также низкая НВ. Уменьшение трения в зоне контактирования при обработке ФеВЧ позволяет снизить усилие резания на 40% по сравнению с усилием резания, необходимым для обработки стали, а при обработке ПВЧ с НВ 190- 240 - на 10-30%.



1.1.7 Литейные свойства

В общем, можно отметить, что вследствие низкой эвтектичности и отбеленного состояния этот чугун характеризуется и пониженными литейными свойствами [4].

Жидкотекучесть л_ж имеет для ВЧ большое значение, так как большинство отливок имеет сложную конфигурацию и тонкие стенки. Однако она определяется углеродным эквивалентом жидкотекучести С_э.ж=(С+1/4Si+1/2P), который для ВЧ имеет малое значение, вследствие чего низка и л_ж. Особенно резко понижается л_ж при высоком содержании S и Mn вследствие образования сульфидов (Mn, Fe)S, повышающих вязкость металла. Остальные элементы так же оказывают влияние на С_э.ж, но в общем оно незначительно из-за малого содержания, хотя все же можно отметить положительное влияние Cu. Влияние модифицирования сказывается следующим образом: Bi или Te несколько повышают, а Al и B несколько снижают л_ж вследствие образования тугоплавких неметаллических включений (Al₂O₃, AlNi, BNi).

Объемная и линейная усадка БЧ, применяемого при производстве ВЧ, велики как при кристаллизации, так и в твердом доперлитном состоянии при сравнительно небольшом предусадочном расширении.

С повышением содержания С и Si все этапы линейной усадки сокращаются, и только предусадочное расширение е_рас несколько увеличивается при повышении содержания С. Вместе с тем следует отметить, что модифицирование (например Bi и Te) так же оказывает влияние, уменьшая несколько е_рас и увеличивая литейную усадку е_лит. Что касается усадки в жидком состоянии, то она возрастает с повышением температуры; в процессе же затвердевания объемная усадка уменьшается с повышением содержания С, вследствие чего уменьшается и объем усадочных дефектов. Борьба с усадочными дефектами ведется на основании общих для всех типов чугуна положений, причем как правило применяются боковые прибыли. Последствия е_лит выражаются, главным образом, в образовании напряжений и трещин в отливках. В этом отношении ВЧ является очень неблагоприятным материалом вследствие высокого Е, низких значений д и у_в до отжига, повышенной е_лит и низкой л. Вследствие этого в отливках из ВЧ легко образуются горячие и холодные трещины, для борьбы с которыми следует понижать содержание Р, исключать возможность образования избытка S, по возможности снижать содержание N и O в чугуне, заливку металла осуществлять в интервале 1440-1470?С. Указанные рекомендации необходимо особенно строго выполнять при крупных отливках сложной конфигурации со значительным перепадом толщин стенок (10-40 мм), имеющих повышенную склонность к образованию горячих трещин.

Кроме состава металла, на образование усадочных раковин и горячих трещин влияют и свойства формы. Особо следует отметить, что развитие горячих трещин усиливается под влиянием увеличения влажности формы, а так же добавок каменного угля и смолы. Последнее, очевидно, связано с тем, что продукты разложения добавок образуют жидкую теплоизолирующую пленку, замедляющую затвердевание отливки.

Развитие горячих трещин уменьшается при увеличении содержания бентонита в формовочной смеси, под влиянием сушки форм или обработки углекислотой, при увеличении размеров зерен песка (чем крупнее песок, тем более шероховата поверхность формы, т.е. тем больше поверхность охлаждения отливки и тем быстрее происходит ее затвердевание). В других случаях сильная шероховатость может способствовать развитию горячих трещин, усиливая механическое торможение усадки. Что касается мер предохранения против холодных трещин, то они являются общими для всех чугунов. В отношении состава металла же может быть рекомендовано то же, что было указано для предотвращения образования горячих трещин.



1.2 Выбор плавильного агрегата

В практике литейного производства известны примеры получения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом с использованием практически любого плавильного агрегата. К ним относятся:

- вагранка холодного дутья при последующих ковшовой десульфурации металла и модифицировании;

- индукционная чугуноплавильная тигельная печь (ИЧТ) с кислой футеровкой и десульфурацией карбидом кальция или цианамидом кальция;

- ИЧТ с футеровкой на основе электрокорунда и дистенсиллиманита с основным шлаком;

- газовые вагранки и т.д.

Однако стабильное высокое качество высокопрочного чугуна с шаровидным графитом при минимальном расходе модификатора обеспечивается применением дуговых печей с основной футеровкой для десульфурации металла. На КамАЗе для плавки и выдержки металла используют дуговые печи с основной футеровкой емкостью 50 и 75 т соответственно. Содержание серы в металле не превышает 0,012%.

На ВАЗе плавку ведут в ЭДП с основной футеровкой емкостью 40 т. Выплавленный металл переливают в два индукционных тигельных миксера емкостью по 20 т. Содержание серы также не превышает 0,012%.

На ГАЗе для производства высокопрочного чугуна с шаровидным графитом используется дуплекс-процесс, осуществляемый в ИЧТ-12 с кислой футеровкой и дуговой печи ЭДП-10 с основной футеровкой. Содержание серы выдерживается на уровне 0,002%

Перспективным представляется использование в качестве агрегата для десульфурации ЭДППТ [5].

Основными типами индукционных печей (ИП) являются тигельные (ИЧТ -- для плавки, ИЧТМ -- для миксерования), канальные (ИЧКМ -- для миксерования) и специальные печи (для особых случаев, например, печи для непрерывной плавки с горизонтальным расположением индуктора).

Основными преимуществами индукционной тигельной печи является возможность более строгого выдерживания химического состава металла, а так же небольшой угар металла и удобство условий труда. В связи с этим плавку будем производить в индукционной тигельной печи.

При плавке в ИЧТ садка шихты в огнеупорном тигле помещается в индуктор; протекающий в индукторе переменный ток возбуждает в садке вихревые токи, разогревающие и плавящие металл. Для плавки чугуна применяются ИЧТ промышленной частоты (50--60 Гц) реже всего частоты с частотными преобразователями (150--450 Гц) или с машинным генератором (1000--2000 Гц). При повышении частоты движение жидкого металла в тигле печи становится менее интенсивным, что позволяет увеличить удельную подводимую мощность и ускорить плавку; но это приводит к значительному усложнению и удорожанию электрооборудования печи и в то же время менее эффективно при выдержке и перегреве.

ИП промышленной частоты конструкции ВНИИЭТО выпускаются типов ИЧТ и ИЧТМ; различие между ними заключается в мощностях трансформаторов.

Электрическая схема печей (рисунок 1) состоит из питающего трансформатора со ступенчатой вторичной обмоткой для понижения напряжения до требуемого уровня, систем контроля и управления элементами электросхемы, батареи конденсаторов, компенсирующих реактивную мощность индуктора. Расход электроэнергии как на плавку (620--485 кВт ч/т), так и на перегрев на 100? (60--50 кВт ч/т) понижается с увеличением емкости печи.



Рисунок 1 - Электрическая схема тигельной печи

1, 2 -- блоки контроля и управления высоковольтной и низковольтной частей печи; 3 -- питающий трансформатор; 4 -- постоянно включенная емкость; 5, 7 -- регулируемая емкость с блоком контроля и управления; 6 -- индуктор печи

В процессе при переключении ступеней, изменении количества состояния металла в тигле, разгаре футеровки и т. п. происходит изменение индуктивности плавильного контура, что меняет электрический к. п. д. печи. В целях максимального повышения к. п. д. рекомендуется поддерживать cosц плавильной установки близким к 1, что практически достигается включением или выключением дополнительных емкостей конденсаторов (вручную или автоматически). Слив металла и скачивание шлака из печей производится при их наклоне в сторону сливного носка; для этой цели печи оборудованы гидравлическими домкратами.

Кислые электропечи футеруют огнеупорными материалами на основе кремнезема. Эти печи имеют более глубокие ванны и в связи с этим меньший диаметр кожуха, меньшие тепловые потери и расход электроэнергии. Стойкость футеровки свода и стен кислой печи значительно выше, чем у основной. Это объясняется малой продолжительностью плавки. Печи с кислой футеровкой вместимостью 1-3 т применяются в литейных цехах для производства стального литья и отливок из ковкого чугуна. Они допускают периодичность в работе, т.е. работу с перерывами. Известно, что основная футеровка быстро изнашивается при частом охлаждении. Кислые огнеупоры дешевле, чем основные. В кислых печах быстрее разогревают металл до высокой температуры, что необходимо для литья. В связи с этим для плавки высокопрочного чугуна выбираем кислую футеровку.

1.3 Расчёт шихты

Используемые шихтовые материалы должны быть такими по составу, чтобы обеспечивать получение готового сплава с количеством примесей, не превышающем допустимые пределы.

Таблица 6 - Среднее содержание элементов в сплаве

Элемент	Химический состав, %	Среднее содержание, %	Угар, %
C	2,7-3,7	3,2	-8% (пригар)
Si	0,8-2,9	1,85	10%
Mn	0,3-0,7	0,50	30%
P	не более 0,04	0,04	-
S	не более 0,045	0,45	-25%(пригар)
Cr	не более 0,15	0,15	-

Рассчитываем содержание каждого элемента в шихте с учетом угара:

, (1)

где - содержание компонента в шихте, %;

- содержание компонента в сплаве, %;

- угар компонента, %.

,

1. S?0,045

2. P?0,04

3. 0,14?Cr?0,16

Ниже приведён файл отчёта программы для расчёта шихты.

Отчет по программе: Расчет шихты симплекс-методом

Шихта рассчитана для сплава Вч42-12

Расчет произвел Горьков А.В.

Цех/Участок 06ЛП-2

Вид отчета: Исчерпывающий Лист: 1

Компонентов: 11 Ограничений: 16

Таблица 1. Постановка задачи и исходные данные

========================================================================================================================================

!Х.эл.!Знак!Огр-ие!Угар ! Возврат ! Чуг.пер ! FeSi_45 ! FeMn_70 ! FeCr___ ! Отх.ст1 ! Отх.ст2 ! FeSi_75 ! Кокс___ ! Мг_90__ ! РЗМ____ !

========================================================================================================================================

!C___ !>= ! 3.65! .! 3.75 ! 4.25 ! .0 ! 7 ! 8 ! .1 ! .4 ! .0 ! 90 ! .0 ! 40 !

!C___ !<= ! 3.85! .! 3.75 ! 4.25 ! .0 ! 7 ! 8 ! .1 ! .4 ! .0 ! 90 ! .0 ! 40 !

!Si__ !>= ! 2.! .! 2.13 ! .7 ! 44 ! .0 ! .0 ! .3 ! .1 ! 75 ! .0 ! .0 ! .0 !

!Si__ !<= ! 2.25! .! 2.13 ! .7 ! 44 ! .0 ! .0 ! .3 ! .1 ! 75 ! .0 ! .0 ! .0 !

!Mn__ !>= ! 1.15! .! 1.23 ! .1 ! .0 ! 70 ! .0 ! .3 ! .7 ! .4 ! .0 ! .0 ! .0 !

!Mn__ !<= ! 1.3! .! 1.23 ! .1 ! .0 ! 70 ! .0 ! .3 ! .7 ! .4 ! .0 ! .0 ! .0 !

!S___ !<= ! .02! .! .01 ! .02 ! .02 ! .02 ! .04 ! .01 ! .02 ! .0 ! .45 ! .0 ! .0 !

!P___ !<= ! .1! .! .1 ! .08 ! .06 ! .6 ! .03 ! .03 ! .04 ! .04 ! .0 ! .0 ! .0 !

!Cr__ !>= ! .15! .! .2 ! .04 ! .0 ! .0 ! 65 ! .06 ! .3 ! .3 ! .0 ! .0 ! .0 !

!Cr__ !<= ! .25! .! .2 ! .04 ! .0 ! .0 ! 65 ! .06 ! .3 ! .3 ! .0 ! .0 ! .0 !

!Mg__ !>= ! .01! .! .038 ! .0 ! .0 ! .0 ! .0 ! .0 ! .0 ! .0 ! .0 ! 99.9 ! .0 !

!Mg__ !<= ! .06! .! .038 ! .0 ! .0 ! .0 ! .0 ! .0 ! .0 ! .0 ! .0 ! 99.9 ! .0 !

!Доп1 !>= ! .386! .! 1.0 ! .0 ! .0 ! .0 ! .0 ! .0 ! .0 ! .0 ! .0 ! .0 ! .0 !

!Доп2 !<= ! .3861! .! 1.0 ! .0 ! .0 ! .0 ! .0 ! .0 ! .0 ! .0 ! .0 ! .0 ! .0 !

!Полн !>= ! 1.! .! 1 ! 1 ! 1 ! 1 ! 1 ! 1 ! 1 ! 1 ! 1 ! 1 ! 1 !

!Полн !<= ! 1.001! .! 1 ! 1 ! 1 ! 1 ! 1 ! 1 ! 1 ! 1 ! 1 ! 1 ! 1 !

========================================================================================================================================

!Целевая функция/цены ! 2200! 3550! 13000! 20000! 26890! 560! 580! 20200! 750! 60500! 46000!

========================================================================================================================================

3

Лист: 2

Компонентов: 11 Ограничений: 16

Таблица 2. Расширенные результаты расчета

===========================================================================================================================================

!Х.эл.!Знак!Огр-ие !Угар ! Возврат ! Чуг.пер ! FeSi_45 ! FeMn_70 ! FeCr___ ! Отх.ст1 ! Отх.ст2 ! FeSi_75 ! Кокс___ ! Мг_90__ ! РЗМ____ !

===========================================================================================================================================

!C___ !>= ! 3.65! .! 1.44788! 0! 0!0.0498996!0.00425923!0.0569105! 0! 0! 2.05682! 0!0.0342382!

!C___ !<= ! 3.65! .! 1.44788! 0! 0!0.0498996!0.00425923!0.0569105! 0! 0! 2.05682! 0!0.0342382!

!Si__ !>= ! 2! .! 0.822393! 0! 0! 0! 0! 0.170731! 0! 1.00688! 0! 0! 0!

!Si__ !<= ! 2! .! 0.822393! 0! 0! 0! 0! 0.170731! 0! 1.00688! 0! 0! 0!

!Mn__ !>= ! 1.15! .! 0.474903! 0! 0! 0.498996! 0! 0.170731! 0! 0.00537! 0! 0! 0!

!Mn__ !<= ! 1.15! .! 0.474903! 0! 0! 0.498996! 0! 0.170731! 0! 0.00537! 0! 0! 0!

!S___ !<= ! 0.02! .! 0.003861! 0! 0!0.00014257!2.12961e-05!0.00569105! 0! 0!0.0102841! 0! 0!

!P___ !<= !0.0605132! .! 0.03861! 0! 0!0.00427711!1.59721e-05!0.0170731! 0! 0.000537! 0! 0! 0!

!Cr__ !>= ! 0.15! .! 0.07722! 0! 0! 0!0.0346062!0.0341463! 0!0.0040275! 0! 0! 0!

!Cr__ !<= ! 0.15! .! 0.07722! 0! 0! 0!0.0346062!0.0341463! 0!0.0040275! 0! 0! 0!

!Mg__ !>= !0.0146718! .!0.0146718! 0! 0! 0! 0! 0! 0! 0! 0! 0! 0!

!Mg__ !<= !0.0146718! .!0.0146718! 0! 0! 0! 0! 0! 0! 0! 0! 0! 0!

!Доп1 !>= ! 0.3861! .! 0.3861! 0! 0! 0! 0! 0! 0! 0! 0! 0! 0!

!Доп2 !<= ! 0.3861! .! 0.3861! 0! 0! 0! 0! 0! 0! 0! 0! 0! 0!

!Полн !>= ! 1! .! 0.3861! 0! 0!0.00712851!0.000532403! 0.569105! 0! 0.013425!0.0228535! 0!0.000855955!

!Полн !<= ! 1! .! 0.3861! 0! 0!0.00712851!0.000532403! 0.569105! 0! 0.013425!0.0228535! 0!0.000855955!

===========================================================================================================================================

!Цена р/т 1652.7 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !

!Содержание 100% ! 38.61! 0! 0! 0.712851!0.0532403! 56.9105! 0! 1.3425! 2.28535! 0!0.0855955!

!Вклад руб/т 1652.7 ! 849.42! 0! 0! 142.57! 14.3163! 318.699! 0! 271.185! 17.1401! 0! 39.3739!

===========================================================================================================================================

Отчет по расчету шихты Лист 3

Компонентов: 11 Ограничений: 16

Таблица 3. Краткие результаты расчета

================================= ====================================

!Компонент !Доля в составе шихты! !Хим элемент !Расчетное значение !

================================= ====================================

! Возврат ! 0.386 ! ! C___ ! 3.65 !

! Чуг.пер ! 0 ! ! C___ ! 3.65 !

! FeSi_45 ! 0 ! ! Si__ ! 2 !

! FeMn_70 ! 0.00713 ! ! Si__ ! 2 !

! FeCr___ ! 0.000532 ! ! Mn__ ! 1.15 !

! Отх.ст1 ! 0.569 ! ! Mn__ ! 1.15 !

! Отх.ст2 ! 0 ! ! S___ ! 0.02 !

! FeSi_75 ! 0.0134 ! ! P___ ! 0.0605 !

! Кокс___ ! 0.0229 ! ! Cr__ ! 0.15 !

! Мг_90__ ! 0 ! ! Cr__ ! 0.15 !

! РЗМ____ ! 0.000856 ! ! Mg__ ! 0.0147 !

! ! ! ! Mg__ ! 0.0147 !

! ! ! ! Доп1 ! 0.386 !

! ! ! ! Доп2 ! 0.386 !

! ! ! ! Полн ! 1 !

! ! ! ! Полн ! 1 !

================================= ====================================

Стоимость тонны шихты данного состава: 1652.7

Просчитан состав шихты на 100 процентов.

Всего листов: 3 х 0

1.4 Технология плавки

Загрузку печей можно производить различными способами; целесообразнее всего с помощью специализированных бадей, кюбелей с раскрывающимся днищем и т. п. При небольших количествах выплавляемого металла транспортировка и загрузка шихты может производиться мостовыми кранами; при увеличенных количествах выплавляемого металла, когда встречные потоки недопустимы, загрузку печей лучше планировать независимой с помощью монорельсового или напольного транспорта. При этом мостовые краны плавильного участка должны быть рассчитаны на транспортировку печи в сборе с полным объемом металла в тигле [5].

Емкость печей, сменность, величина «болота» и продолжительность работы в течение дня, т. е. основные факторы организации производства, зависят от конкретных условий и существенно влияют на производительность и стоимость расплавления. Однако при плавке синтетического чугуна производительность даже при оптимальных условиях составляет 0,7--0,8 от паспортной и соответственно больше расход электроэнергии.

В качестве металлошихты для индукционной плавки можно применять чушковые чугуны, стальной и чугунный лом, возврат собственного производства, стружку, ферросплавы. Особенностью индукционной плавки является возможность полноценного использования отходов металлообработки: тонколистовой высечки углеродистой, динамной и трансформаторной стали, чугунной и стальной стружки; в перспективе могут быть использованы металлизированные железорудные окатыши (Fe>90%, FeO< 2%), которые, обеспечивают требуемое качество выплавляемого металла. Основными требованиями к металлошихте являются соответствие и стабильность химического состава и ограниченное содержание газо- и шлакообразующих примесей.

Подготовка металлошихты к плавке различается в зависимости от вида шихты. Кусковые шихтовые материалы необходимо подогревать до 50--60°С, в противном случае при погружении в жидкий металл на поверхности шихты образуется конденсационная влага и происходят взрывы с выбросами жидкого металла. При применении мелкой шихты это явление отсутствует. Подогрев кусковой шихты может быть различным: продувкой подогретым воздухом в суточных бункерах, в специальных бадьях горелками, в камерных печах горелками или индукционными токами. Высокотемпературный подогрев повышает термический к. п. д. плавильной печи за счет ускорения плавки (до 500° С-- на 15--20%, до 800°С -- на 20--30%).

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧШГ) получают путем модифицирования жидкого чугуна сфероидизирующими модификаторами, содержащими магний, церий и иттрий. Чугун, подвергаемый модифицированию, должен удовлетворять ряду приведенных ниже требований, выполнение которых является задачей плавки.

Важнейшим требованием к химическому составу жидкого металла при получении высокопрочного чугуна с шаровидным графитом является низкое содержание серы -- до 0,03%. При этом снижение содержания серы способствует уменьшению расхода дорогостоящих модификаторов.

Техническими условиями, принятыми на ВАЗе и КамАЗе, допускается содержание серы не более 0,012%. Составить шихту с таким низким содержанием серы практически невозможно, поэтому важнейшей задачей плавки является десульфурация. В связи с этим использование для плавки дуговых печей с основной футеровкой в данном случае является оправданным, несмотря на высокое пылегазовыделение и шум.

При наведении основного шлака рекомендуется вводить известь (6 кг/т металла) для снижения избыточного количества серы на 0,001 %. Содержание в чугуне демодификаторов даже в незначительных количествах препятствует сфероидизации графита. С учетом этого требуется тщательный отбор шихтовых материалов. Не допускается использование лома неизвестного происхождения. Помимо первичных материалов и возврата используются стальные отходы кузнечно-прессового производства.

Температура чугуна при модифицировании должна быть выше, чем при модифицировании серого чугуна, 1480... 1530 °С. Это объясняется тем, что на испарение магния, введенного в расплав, требуется значительное количество теплоты (при введении каждого 1 % Mg температура чугуна снижается на 80...90 °С.



1.5 Выбор типа и емкости заливочного ковша и видов внепечной обработки расплава. Назначение температуры заливки формы

1.5.1 Выбор типа и ёмкости заливочного ковша

Для заливки форм применяется чайниковый ковш [5].

Емкость заливаемого ковша рассчитывается по уравнению

(2)

где допустимый интервал температур заливки по ТУ,?С

фактический интервал температуры заливки

металлоемкость формы, кг;

Gк = (40/20) 140 = 280 кг

Полученную величину емкости нужно увеличить на 5% для компенсации всплесков и разлива металла. Окончательно получим 300 кг. Выбираем стандартный ковш емкостью 400 кг.

Схема разливочного ковша представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Схема разливочного ковша



1.5.2 Технология обработки жидкого расплава

Для модифицирования ВЧ применяются два вида присадок: стабилизирующие, предотвращающие выделение пластинчатого графита («отсеривание») в толстых частях отливок при повышенном содержании С и Si, графитизирующие, сокращающие цикл отжига при нормальном составе ВЧ и устраняющие вредное влияние стабилизирующих модификаторов, способствующих уменьшению зародышей при отжиге.

Следует отметить, что присадка сфероидизирующих модификаторов позволяет значительно повысить содержание С и Si в чугуне и тем самым существенно сократить длительность отжига и повысить свойства ВЧ благодаря образованию ШГ; присадка же небольших количеств таких элементов, как Sb и B, помимо предотвращения «отсеривания» обеспечивает получение ВЧ с перлитной структурой. При производстве отливок с отбеленной поверхностью (прокатных валков и др.) модифицирование производится с целью получения необходимой толщины слоя отбела. В качестве модификатора применяют теллур, который вводят в ковш в виде брикетов в количестве 1- 7 г на 1 т металла, или теллурсодержащие краски. Последние применимы для толщины отбеленного слоя до 10 мм, а также для усилия теплоотвода в тепловых узлах отливок. При обработке чугуна теллуром увеличиваются толщина переходной зоны и измельчается перлит.

Для регулирования толщины переходной зоны вместе с теллуром вводят иногда черный графит в количестве 300- 500 г на 1 т металла, либо ФС75 или СК в количестве 100- 150 г на 1 т металла. Выдержка металла до заливки формы не должна превышать 3- 10 мин.

Для получения чугуна ВЧ 42-12 применяется модифицирование жидкого серого чугуна. В качестве модификаторов, вызывающих сфероидизацию графита, применяют магний, церий, иттрий и другие элементы в количестве 0,03-0,08% от массы обрабатываемого чугуна.

Наиболее распространённым способом получения высокопрочного чугуна является введение в расплав металлического магния, магниевых лигатур и комплексных модификаторов, содержащих магний.

Введение в состав магниевых лигатур редкоземельных металлов (церия, лантана, неодима и др.) дает более высокий эффект модифицирования, уменьшает пироэффект и дымовыделение.



2. Конструирование отливки и литейной формы

2.1 Оценка технологичности детали и меры ее повышения для получения литой детали

Разработку технологического процесса изготовления отливки начинают с анализа технологичности конструкции детали. Качество современного изделия характеризуется большим разнообразием свойств, одним из которых является технологичность. Стандартное определение понятия технологичности конструкций содержит исходный принцип подхода сокращения материальных и трудовых затрат во всех сферах проявления свойств конструкций.

Технологичность по ГОСТ 14205-83 рассматривается как совокупность свойств конструкций изделия, проявляемых в возможности оптимальных затрат труда, средств, материалов и времени при технической подготовке производства, изготовлении, эксплуатации и ремонте по сравнению с соответствующими показателями однотипных конструкций и изделий того же назначения при обеспечении установочных значений показателей качества в принятых условиях изготовления, эксплуатации и ремонта.

Технологичной называют такую деталь или составляющих её элементов, которая обеспечивает заданные эксплуатационные свойства продукции и позволяет при данной серийности изготовить её с минимальными затратами. Отливка считается технологичной, если она имеет простые и прямолинейные контуры, облегчающие изготовление модельного комплекта, процесса формовки, сборки и отчистки отливок, рациональную толщину стенок в различных сечениях, обеспечивающих прочность конструкции и возможность заполнения формы металлом; плавные переходы в сопрягаемых участках, способствующих снижению внутренних напряжений. При наличии отклонений от выше указанных требований должен быть поставлен вопрос о внесении в конструкцию детали необходимых изменений [6].

Деталь типа станины массой 35 кг. Имеет центральное отверстие диаметром 80 мм. Данная отливка относится ко второму классу сложности, который включает в себя отливки для деталей, рассчитываемых на прочность и работающих при статических нагрузках. Имеет средней сложности геометрическую форму.

Обеспечивается направленное затвердевание (от нижней части отливки к верху), элементы отливки будут затвердевать при небольших перепадах температур.

Подвод расплава осуществляется в самую массивную вертикальную стенку, тем самым устраняя «тепловой узел» и обеспечивая хорошую плотность.

Установление бобышки дает возможность пропитать отливки полностью, что в свою очередь уменьшает образование усадочных дефектов в массивных частях отливки.

Конструкция данной отливки является нетехнологичной с точки зрения простоты формообразования, формовки, сборки и выбивки.

2.2 Выбор способа литья, определение количества отливок в форме

В серийном и крупносерийном производстве чаще всего используются специальные виды литья, а также литьё в сырые песчано-глинистые формы, изготовленные на формовочных машинах [7].

Литьё в сырые песчано-глинистые формы имеет ряд преимуществ:

- не требуется площадь для сушильных агрегатов и места под складирование форм перед сушкой;

- экономия топлива или электроэнергии;

- сокращение цикла изготовления;

- снижение себестоимости.

С учётом вышеперечисленных преимуществ и серийности производства отливок, составляющей пятьдесят тысяч штук, применяем литьё в сырые песчано-глинистые формы.

Исходя из серийности производства,габаритов и массы детали, выбираем четыре отливки в форме.

2.3 Выбор положения отливки в форме и поверхности разъема формы и модели. Оценка выполнения отверстий в литье

2.3.1 Выбор положения отливки в форме

Положение отливки в форме должно обеспечивать высокое качество отливки, минимальные затраты на ее изготовление и на механическую обработку, минимальный расход метала и возможность применения автоматизации и механизации технологического процесса [3].

Для данной литой детали можно предложить два варианта расположения отливки в форме - горизонтальное и вертикальное, которые представлены на рисунках ниже.

На основании особенности конструкции данной детали, марки сплава, требований, предъявляемых к изделию, необходимо обеспечить направленное затвердевание отливки в сторону прибыли, т. е. нужно затвердевание в первую очередь нижней части отливки, а в последующем верхней части отливки, на которую устанавливают прибыль. Создание такого направленного затвердевания предупреждает брак по усадочным дефектам.

Также нужно выбрать положение отливки в форме такое, чтобы обеспечить удобную сборку формы, наилучшее качество поверхности на обрабатываемых поверхностях.

Вертикальное расположение (рисунок 4) неприемлемо, так как это предполагает сложность формовки и исключает принцип направленности затвердевания, что не желательно и недопустимо в условиях машинной формовки.



Исходя из этих соображений, отливку располагаем горизонтально, как показано на рисунках 3 и 4.

Рисунок 3 - Горизонтальное расположение отливки в форме

Рисунок 4 -Вертикальное расположение отливки в форме



2.3.2 Выбор поверхности разъёма модели и формы

Правильность выбора поверхности разъёма формы влияет на конструкцию модели и формы, процесс уплотнения формы и способ изготовления стержней.

Плоскость разъёма, представленная на рисунке 5 позволяет свободно извлекать модель при формовке без подрезки и наружных стержней. Форма имеет одну плоскость разъема, что при машинной формовке является необходимым условием. Поверхность разъема формы и модели плоская, что наиболее рационально с точки зрения изготовления модельного комплекта. Выбранный разъем обеспечивает свободный доступ во внутренние полости формы для ее отделки и сборки [6].

В нашем случае мы имеем только один вариант расположения плоскости разъема, что и представлено на рисунке 5.

Рисунок 5 - Поверхность разъёма модели и формы



2.4 Определение геометрии и количества стержней, их крепление, фиксация и армирование

При заливке формы стержень будет со всех сторон окружён жидким металлом. Поэтому он должен обладать высокой газопроницаемостью, прочностью, податливостью, выбиваемостью, что обеспечивается выбором соответствующей стержневой смеси и конструкции стержня.

Конструкция стержней принимается по ГОСТ 3212-92 в соответствии с конструкторским чертежом после назначения припусков на механическую обработку. Стержни нумеруются согласно последовательности простановки их в форму при её сборке. При изготовлении отливки используется два стержня. Стержень изготавливается из ХТС, с помощью стержневого ящика, пескострельным методом. Стержень является телом вращения и не представляет сложности в изготовлении. Находим размеры стержневых знаков в зависимости от размеров стержней (стержень оформляет диаметр отверстия, уменьшенный на величину припуска, и высоту отверстия, увеличенную на величину припуска, имеет расширенную часть в основание стержневого знака, для обеспечения более высокой устойчивости).

Рисунок 6 - Эскиз стержней

Таблица 7 - Размеры знаковых частей и зазоров

Положение знака	Стержневые знаки	Величина зазоров	Уклон
	Диаметр стержня	Длина стержня	Длина знака	S1	S2	б	в
верхний	72	108	30	0,4	0,4		5?
нижний	72	108	30	0,4	0,4	4?

2.5 Определение припусков на механическую обработку, формовочных уклонов