Контроль качества отливок и исправление их дефектов 4 страница

Мероприятия по повышению химической инертности форм

Углеродные материалы по сравнению с керамическими явля­ются более инертными по отношению к титану. Однако, обладая развитой пористостью, они сорбируют значительное количество газов. При нагреве формы затвердевающим металлом эти газы выделяются из формы и вступают в химическое взаимодействие с металлом отливки. Кроме того, значительное количество газов выделяется из формы за счет термодеструкции связующего веще­ства — фенолформальдегидной смолы (бакелитового лака). В про­цессе обжига форм (800...1000 °С) фенолформальдегидная смола превращается в кокс, который прочно соединяет зерна графита. В структуре кокса содержатся радикалы -ОН, -Н.

Так как поверхностные слои формы в период охлаждения от­ливки нагреваются до высоких температур (1200...1600 °С), про­исходит термодеструкция кокса, которая сопровождается выде­лением значительного количества газов. Поэтому с ростом со­держания связующего вещества газосодержание углеродных форм возрастает. Наибольшее количество связующего вещества содер­жится в графитовых формах, изготовляемых по выплавляемым моделям, а наименьшее — в прессованных графитовых формах.

Инертность углеродных форм можно повысить путем техно­логических мероприятий, способствующих более низкому газо- содержанию литейных форм. Так, повышение температуры об­жига с 1000 до 1500...1800 °С, уменьшение содержания связующе­го вещества в формовочной смеси, исключение контакта обо­жженной формы с атмосферой воздуха, на этапе се подготовки к заливке и т. д. значительно уменьшают газотворность форм.

 

Заполнение форм жидким металлом производят в неподвиж­ные (стационарная заливка) или во вращающиеся формы (цент­робежная заливка). При стационарной заливке заполнение форм осуществляется под действием металлостатического напора. Этот способ применяют редко, так как он позволяет получать отливки небольших размеров и простой конфигурации.

Для стационарной заливки форм применяют расширяющиеся литниковые системы с нижним и боковым (щелевым) подводом металла, обеспечивающие поступление металла в полость формы с массовой скоростью не менее 10...30 кг/с. Необходимый расход металла обеспечивается применением литниковых систем с соот­ношением Р: Р. Р =1:3:4 или 1:2: 2,5 и площадями

сечении литниковых каналов на 20...30 % большими, чем при литье углеродистой стали. Толщину питателей принимают не ме­нее 6...8 мм при минимальной (не менее 15 мм) длине. С целью уменьшения потерь тепла литниковые каналы принимают по воз­можности короткими, а сечения их — круглыми или близкими по конфигурации к квадрату.

При выборе положения отливки в форме, типа литниковой системы, конфигурации и размеров литниковых каналов и места подвода питателей к отливке руководствуются теми же правила­ми, что и при разработке технологии изготовления отливок из алюминиевых и магниевых сплавов.

Для обеспечения питания затвердевающих тепловых узлов ти­тановых отливок применяют установку прибылей на каждом из них. Общие прибыли малоэффективны из-за низкой теплопро­водности, высокой скорости затвердевания титановых сплавов и отсутствия атмосферного давления. Диаметр основания прибыли при литье в металлические и графитовые кокили должен состав­лять не менее удвоенной толщины питаемого узла; при литье в уплотняемые формы 2,5 толщины, а при заливке в оболочковые формы 3 толщины питаемого узла. Высоту прибыли принимают обычно равной двойной высоте питаемого узла, но не меньше основания прибыли.

Для центробежной заливки используют ЛС, построенные по принципу сифонного заполнения формы.

Направленное затвердевание отливки и обеспечение необхо­димых условий для питания достигается в том случае, если наи­более массивные ее части располагается в контейнере ближе к оси вращения. На массивные части обычно устанавливают при­были, которые располагают таким образом, чтобы они находи­лись по отношению к питаемому узлу со стороны вращения. При­были располагают горизонтально или под небольшим углом к горизонту. Их выполняют закрытыми. Конфигурация и способы установки прибылей показаны на рис. 121.

Наибольший диаметр прибыли О_а составляет 1,2...1,4 диамет­ра питаемого узла, высота прибыли обычно в два раза превышает ее диаметр.

Скорость вращения стола центробежной машины рассчиты­вают с учетом габаритов, толщины стенок отливок и выбранного коэффициента утяжеления. При выбранной скорости вращения литейная форма в контейнере должна располагаться относитель­но оси вращения таким образом, чтобы линия свободной повер­хности металла (параболоида), соответствующая этой скорости, не пересекала тела отливки и была выше ее.

Вращающаяся форма заполняется металлом направленно от наиболее удаленных частей отливки к центру вращения.

Перепад давлений, возникающий в слое металла, способствует всплыванию неметаллических включений и газовых пузырьков и удале­нию их в прибыль. Повышенное давление уменьшает вероятность зарождения и развития газовых пузырьков. Вращение стола цен­тробежной машины продолжается до полного затвердевания от­ливки. Извлечение форм из плавильно-заливочных установок проводят после охлаждения отливок до 300...350 °С.

 

Литье под давлением

Наряду с литьем в уплотняемые и керамические формы боль­шое внимание уделяют в настоящее время разработке технологии литья под давлением. Предложена и опробована установка для литья под давлением с двумя вакуумными камерами для плавки и заливки. Порция расплава при повороте тигля через сливную воронку попадает в камеру прессования и под давлени­ем поршня поступает в полость пресс-формы. Отливки выдержи­вают в пресс-формах 5... 10 мин, в течение которых они охлажда­ются до 500...550 °С, а затем извлекают.

Материалом для изготовления пресс-форм служат жаропроч­ная сталь ЗХ2В8Ф и титановые сплавы ВТ5, ВТ5-1. Для увеличе­ния стойкости пресс-форм используют вставки из молибдена. Камеры прессования изготавливают из сплава ЖС6.

В качестве смазки применяют спиртовой раствор коллоидаль­ного графита плотностью 0,9...0,92 г/см³ или бакелито-фторис- тую эмульсию. Смазку наносят пульверизатором на нагретые до 180-250 °С пресс-формы. Толщина слоя смазки не должна пре­вышать 40 мкм.

Подвод металла осуществляют в наиболее толстые части отли­вок с помощью питателей, толщина которых соизмерима с тол­щиной стенок отливок.

Перед заполнением металлом пресс-формы нагревают до 450-500 °С. Для литья под давлением наиболее пригодными яв­ляются сплавы ВТ5Л и ВТ20Л. Они обладают неплохой жидкоте- кучестью, небольшим интервалом кристаллизации и низкой склон­ностью к образованию трещин.

Выбивка, обрубка, очистка и контроль качества отливок

Выбивку форм и стержней осуществляют после охлаждения отливок до 20...30 °С с помощью пневматических зубил.

Литники и прибыли отделяют ацетилено-кислородной резкой. Отливки подвергают дробеструйной или пескоструйной обработ­ке с использованием корунда вместо песка, обрубке и черновой механической обработке. После выбивки отливки подвергаются визуальному контролю с целью обнаружения недоливов, несли- тин, шероховатостей и других дефектов. Внутренние несплошно- сти выявляют рентгенопросвечиванием.

Для исправления дефектов широко применяют аргоно-дуго- вую заварку, которую проводят в специальной камере в атмосфе­ре аргона. Внутренние несплошности могут быть устранены ме­тодом горячего изостатического прессования.

Для снятия остаточных напряжений отливки могут подвергаться отжигу. Отжиг проводят при 800 °С, а для сплава ВТ9Л - при 940 ^С в инертной среде. Применяют также неполный отжиг при 600 °С, который можно проводить в воздушной среде. Время от­жига - до 2 ч.

ЛЕГКОПЛАВКИЕ МЕТАЛЛЫ

К числу легкоплавких металлов относят цинк, свинец, кадмий, висмут и олово. Они имеют плотность, превышающую 7 г/см³, и входят в группу тяжелых металлов.

СОСТАВ И СВОЙСТВА ЦИНКОВЫХ СПЛАВОВ

Цинк обладает ГП решеткой и не испытывает аллотропических превращений.

Тпл = 419 °С; Ткип = 907 °С; плотность при комнатной температуре 7,14 г/см³.

 

В литом состоянии цинк имеет низкие прочностные (а_в = 20...70 МПа) и пластические свойства (8 = 0,3...0,5 %).

Чистый цинк используют в основном в виде деформированных полуфабрикатов (листов, полос, плит) в полиграфической и элек­тротехнической промышленности. Основную массу листов при­меняют для изготовления малогабаритных источников тока; зна­чительное количество цинка расходуют на изготовление типограф­ских клише и приготовление различных сплавов. Цинк имеет хо­рошую коррозионную стойкость в атмосферных условиях в пре­сной воде, поэтому его широко используют для защитных покры­тий кровельного железа и изделий из него (баки, ведра).

В нагретом состоянии (>150 °С) цинк хорошо воспринимает пластическую деформацию, склонность к которой ухудшается в присутствии сотых долей процента примеси олова. Образуя с цин­ком легкоплавкую эвтектику (198 °С), олово придает ему красно­ломкость, делая невозможной обработку давлением при повышен­ных температурах. При совместном содержании примесей олова и свинца образуется еще более легкоплавкая (150 °С) тройная эвтек­тика (цинк—олово—свинец).

Свинец, как и олово, практически нерастворим в твердом цин­ке. При быстром охлаждении сплава цинка со свинцом удается получить равномерное распределение свинца по границам зерен. Ввиду большого различия электропотенциалов свинец увеличива­ет склонность цинка к коррозии, ускоряет растворимость его в кислотах. Это свойство свинца используют при изготовлении ти­пографских клише из сплава цинка с 1 % свинца.

Примесь железа повышает твердость цинка и задерживает его рекристаллизацию. При содержании железа более 0,001 % образу­ется хрупкая твердая фаза Ре2п₇ (рис. 129); при 0,2 % железа цинк нельзя подвергать прокатке.

ГОСТ 3640—79 предусмотрен выпуск девяти марок цинка, отличающихся содержанием при­месей

 

Фасонные отливки изготав­ливают из цинковых сплавов, которые в зависимости от на­значения делят на:

сплавы для литья под давлением (ГОСТ 19424—74),

антифрикционные (ГОСТ 21437-75 и ГОСТ 21438-75),

типографские

 

Широкое применение для изготовления фасонных отливок нашли сплавы цинка с алюми­нием, медью и магнием (ЦАМ). Эти сплавы имеют хорошую жидкотекучесть и при литье под давлением позволяют получать тонкостенные (до 0,5 мм) отливки, не требующие дополнительной обработки повер­хности. Они хорошо полируются и легко воспринимают защитные покрытия. Для подавления эвтектоидного распада в сплавы вводят до 0,1 % магния.

 

При повышении содержа­ния железа число и размеры интерметаллидных включе­ний увеличиваются. Одновременно усиливается их абразивное юз- действие на режущий инструмент. Затупление инструмента ухуд­шает качество обработки, увеличивает длительность операций и сопровождается его поломками. В связи с этим ГОСТ 19424—74 ограничивает содержание железа в чушковых сплавах ЦАМ4,5—1, используемых для изготовления отливок ответственного назначе­ния, до 0,05 %. Железо попадает в цинковые сплавы как с шихто­выми материалами, так и в результате растворения чугунных тиглей и плавильного инструмента. Поэтому содержание железа в расплаве ЦАМ4,5—1 может значительно превышать указанную ве­личину.

Влияние примеси кремния подобно влиянию примеси железа. При содержании до 0,015 % кремний входит в состав твердого раствора на основе цинка. При большем содержании в структуре сплава появляются серые кристаллы кремния, микротвердость ко­торых достигает 13000 МПа; они резко увеличивают износ режу­щего инструмента. Кремний попадает в сплав вместе с алюмини­ем (как неизбежная примесь) или с отходами сплавов алюминия с кремнием в тех случаях, когда изготошюние отливок из сплава ЦАМ4,5—1 и силуминов осуществляется в одном цехе. При одно­временном содержании примесей железа и кремния в структуре сплавов ЦАМ обнаруживаются твердые включения химического соединения Ре5к

 

Антифрикционные сплавы в качестве легирующих компонен­тов также содержат алюминий (до 15 %), медь (до 5 %) и магний (до 0,03 96). Они обладают высокими механическими свойствами и используются как дешевые заменители оловянных бронз. Струк­туру сплавов с высоким содержанием меди (ЦАМ10-5) составляют первичные кристаллы твердого раствора а_л, двойная эвтектика + е (Си2п₃) и тройная эвтектика а_м ⁺ ‘П₂п ^{+ е} (Си2п₃); в сплавах с низким содержанием меди (ЦАМ9-1.5) структурными составляю­щими являются первичные кристаллы твердого раствора, двой­ная эвтектика + г\_гп и тройная эвтектика + Пгп ^{+ е} (Си2п₃).

 

Плавка цинка и сплавов на его основе ввиду их низкой темпе­ратуры плавления не представляет особых затруднений. Для плав­ки применяют различные по конструкции печи. В литейных це­хах, производящих слитки, для плавки используют электрические индукционные и отражательные печи. В цехах литья под давлени­ем плавку ведут в тигельных печах в чугунных тиглях. Плавку чи­стого катодного цинка чаще всего ведут в индукционных печах с железным сердечником, футерованных шамотом. Для набивки подового камня используют массу, состоящую из 35 % синеи го не­парной глины; 35 % обожженной глины; 12 % каолина и связующего (сульфитной барды); остальное кварцевый песок.

Для переплавки отходов, требующих рафинирования от металли­ческих примесей, используют отражательные печи с шамотной футеровкой.

Цинк легко окисляется. Особенно интенсивно окисление идет в присутствии паров воды. Образующийся оксид 2пО нелетуч.

 

Общее содержание оксидных включений в сплавах ЦАМ4,5—1 может достигать 0,34 % (объемн.), а в отливках 0,6 % (объемн.). При этом на долю шпинели (2пА1₂0₄) приходится около 90 % от общего содержания включений. Оксиды имеют меньшую плот­ность, чем расплав. Поэтому они сравнительно легко всплывают на поверхность расплава и попадают в тело отливки. Для сниже­ния интенсивности окисления плавку цинка и его сплавов ведут под покровом древесного угля. Обогащение оксидными включе­ниями происходит также в результате взаимодействия расплавов с футеровкой печи.

Для того чтобы исключить обогащение расплавов железом и повысить стойкость режущего инструмента, плавку цинковых спла­вов необходимо вести в индукционных тигельных или канальных печах и использовать для разливки керамические тигли. В тех же случаях, когда применение металлических (чугунных или сталь­ных) тиглей для плавки неизбежно, внутреннюю поверхность их покрывают слоем обмазки из смеси каолина с жидким стеклом.

Цинк и его сплавы весьма чувствительны к перегреву, что мо­жет привести к значительным потерям цинка на испарение и к обогащению расплавов оксидами и интерметалл идами. Кроме того, перегрев способствует образованию столбчатой структуры, кото­рая повышает склонность сплавов к образованию трещин при зат­рудненной усадке и при обработке давлением. По этой причине цинк не перегревают выше 500 °С, а сплавы ЦАМ — выше 550 °С.

Для повышения свойств отливок цинковые расплавы подверга­ют очистке от металлических и неметаллических примесей. Для этого используют отстаивание, обработку хлоридами, продувку инертными газами, фильтрование. Наиболее распространенным методом очистки цинковых расплавов является обработка хлоридами. Рафинирование осуществляют введением в расплав с помо­щью колокольчика при 450...470 °С 0,1...0,2 % хлористого аммо­ния или 0,3...0,4 % гексахлорзтана и перемешиванием расплава до прекращения выделения продуктов реакции. Такая обработка по­зволяет удалить из расплава ЦАМ4,5—1 до 80 % оксидов и 70 % интерметаллидов. Более глубокая очистка может быть достигнута при фильтровании расплавов через мелкозернистые фильтры из магнезита, сплава фторидов магния и кальция, хлорида натрия и Других веществ.

Сопоставление эффективности различных методов очистки Цинковых расплавов (рис. 134) показывает, что продувка азотом и обработка гексахлорэтаном мало отличаются уровнем очистки, однако они значительно эффективнее отстаивания. По сравнению с обработкой гексахлорэтаном фильтрование позволяет уменьшить содержание оксидных и интерметаллидных включений в два раза. Следует отметить, что независимо от способа очистки отделение оксидных включений идет полнее, чем интерметаллидных.

Как уже отмечалось, для изготовления типографских клише используют сплав цинка со свинцом (0,67...1,25 %). Для приготов­ления сплава можно использовать первичный цинк марки Ц2. Пластины типографского цинка подвергают полировке. На поли­рованной поверхности не допускаются местные скопления свин­ца, интерметаллидов, оксидных плен, шлаковых включений и уса­дочных дефектов. Для получения клише необходима хорошая тра- вимость сплава, что обеспечивается равномерным распределением свинца. Однако получить такой сплав при использовании чистых металлов трудно из-за сильной гравитационной ликвации свинца. Поэтому иногда свинец вводят в виде хлористого свинца. В ре­зультате обменной реакции свинец выделяется в виде тонкодис­персных капель, что обеспечивает устойчивость эмульсии.

Технология плавки сплавов системы 2п—А1—Си сравнительно проста. Шихтовыми материалами для приготовления сплавов слу­жат первичный цинк, чистый алюминий, электролитическая медь и отходы собственного производства. Для ускорения плавки и пре­дупреждения перегрева расплава медь вводят в сплав в виде лига­туры А1—Си (50: 50). Первоначально в печь загружают лигатуру, отходы и половину всего количества цинка. Поверхность шихты засыпают древесным углем. Завалку расплавляют и перегревают до 530...550 С. Затем загружают алюминий, а после его растворе­ния — цинк. Сплав перемешивают, снимают уголь и шлак и вводят магний. После тщательного перемешивания и удаления остатков шлака при 420...450 °С проводят рафинирование хлористым аммо­нием или гексахлорэтаном и переливают расплав в раздаточные печи, миксеры машин непрерывного литья слитков или разлива­ют в изложницы. Во время перелива, если это необходимо, рас­плавы фильтруют через зернистые фильтры.

СОСТАВ И СВОЙСТВА ОЛОВЯННЫХ СПЛАВОВ

Олово имеет 2 аллотропические модификации, ᵝ-модификацию (белое олово) с объемноцентрированной тетрагональной кри­сталлической решеткой, устойчивую при температурах выше 13 ^°С, и «α-модификацию (серое олово) с кубической кристалли­ческой решеткой типа алмаза и устойчивую при температурах ниже 13 °С. Самопроизвольный переход белого олова в серое наблюда­ется при температурах от -20 до -30 С. Превращение, начавшее­ся при сильном переохлаждении, идет вплоть до + 13 °С. Аллотропическое превращение сопровождается большими объемными изменениями (плотность белого олова 7,298 г/см³, а серого 5,846 г/см³), что приводит к разрушению изделий и слитков в порошок. Скорость пре­вращения возрастает по мере повышения чистоты олова по при­месям. При введении в белое олово 0,5 % висмута или сурьмы аллотропическое превращение полностью подавляется.

Олово плавится при 232 °С, а кипит при 2270 °С. Оно обладает коррозионной стойкостью в атмосферных условиях, растворах пищевых кислот (молочной, масляной), формальдегиде, в морс­кой воде.

В литом состоянии олово имеет высокую пластичность (δ = 40...60 %) и низкие прочностные свойства (ст_в = 20 МПа). Наиболее вредными примесями олова являются железо, мышьяк, алюминий и цинк. Мышьяк и железо снижают пластические свой­ства, повышают твердость и хрупкость, а алюминий и цинк ухуд­шают коррозионную стойкость олова.

ГОСТ 860—75 предусматривает выпуск шести марок олова выс­шей и первой категории качества. В олове высшей кате­гории качества ограничено содержание примесей алюминия и цинка и допускается более низкое содержание серы, чем в соответствую­щих марках олова первой категории.

Олово марки 01пч широко применяют для изготовления спла­вов и лужения консервной жести.

 

В промышленности используют 3 группы оловянных спла­вов:

Антифрикционные

припои

сплавы для литья под давлени­ем.

 

Антифрикционные сплавы должны иметь многофазную струк­туру, в которой, наряду с небольшим количеством твердых равно­мерно распределенных кристаллов, присутствует мягкая, пластич­ная основа, обеспечивающая хорошую прирабатываемость вкла­дышей подшипников к валу. Этим требованиям удовлетворяет структура двойных сплавов олова с сурьмой (рис. 135). Кристаллы а-фазы в них служат мягкой, пластичной основой, а кристаллы (У (8п5Ь)-фазы, обогащенные сурьмой, твердой, хрупкой составляю­щей. Но двойные сплавы не применяют для изготовления вклады­шей подшипников скольжения из-за сильной ликвации Р' (8п8Ь)- фазы. Для предотвращения всплывания кристаллов (3' (8п8Ъ)-фазы в сплав вводят медь (2,5...6,5 %). Образуя каркас из сильно развет­вленных первичных кристаллов т| (Си^8п₅)-фазы, медь затрудняет всплывание кристаллов Р'-фазы. Кроме того, твердые кристаллы г\ (Си₆8п₅)-фазы наряду с кристаллами р'-фазы обеспечивают полу­чение низкого коэффициента трения.

ГОСТ 1320-74 предусматривает три марки оловянных бабби­тов, состав и свойства которых приведены в табл. 83 и 84. В зави­симости от содержания сурьмы баббиты имеют различное количе­ство кристаллов р’-фазы. Минимальное количество таких крис­таллов содержится в структуре сплава Б88. Наиболее широкое при­менение имеет баббит Б83.

В качестве припоев в основном используют сплавы системы 8п—РЬ с небольшим количеством сурьмы (до 2 %), которую вводят для улучшения растекания припоя.

Вредной примесью для при­поев является медь, образующая с оловом иглообразные кристал­лы фазы Си_ь8п₅, которые ухудшают качество пайки, образуют на луженой поверхности изделий перемычки, неровности иглообраз­ной формы и рыхлоты. Примеси алюминия и цинка увеличивают вязкость припоев и ухудша­ют их растекание по поверх­ности изделий.

Для литья под давлением используют сплавы системы 8п—5Ь—Си, близкие по соста­ву к баббитам, и сплавы сис­темы 5п-8Ь—Си—РЬ.

Литейные сплавы на осно­ве олова имеют хорошую жид­котекучесть, небольшую ли­нейную усадку (0,6...0,7 %) и мало склонны к образованию трещин при затрудненной усадке.

 

ОСОБЕННОСТИ ПЛАВКИ ОЛОВЯННЫХ СПЛАВОВ

Низкая температура плавления оловянных сплавов, малая склон­ность к окислению и поглощению газов предопределяет простоту технологии их плавки. Обычно плавку олова и оловянных сплавов ведут в чугунных тиглях в печах, работающих на всех видах топли­ва. При использовании чистых металлов плавку сплавов можно вести без применения защитных покровов; в тех случаях, когда в состав шихты вводят много отходов и возвратов, плавку ведут под покровом древесного угля. Перед разливкой расплавы рафиниру­ют хлористым аммонием (0,1...0,15 %), а в некоторых случаях под­вергают фильтрованию.

В качестве материала фильтра используют магнезит, хлористый натрий и другие вещества. После рафинирования рас­плав выдерживают 10...12 мин для удаления мелких газовых пу­зырьков и разливают в изложницы.