Производство отливок из стали
Содержание
Введение ……………………………………………………………………………3
Глава 1. Основные этапы процесса изготовления отливок из стали.
Плавка и разливка стали …………………………………………………..4
Литье в песчаные формы ………………………………………………...10
Глава 2. Специальные способы литья отливок из стали.
2.1 Литье точных отливок в разовых формах …………………………………...14
2.2 Литье в металлические формы ……………………………………………….17
Глава 3. Термическая обработка и технический контроль отливок из стали
3.1 Термическая обработка отливок ……………………………………………..22
3.2 Контроль брака в отливках. Причины возникновения брака в отливках из стали ……………………………………………………………………………….23
Заключение ………………………………………………………………………..27
Список литературы ……………………………………………………………….28
Введение
Современный окружающий мир невозможно представить без изделий из стали, чугуна или цветных металлов, а это и легко объяснимо, так как продукция, созданная из этих видов материалов, является наиболее прочной, надежной и безотказной. Конечно, нельзя упускать из виду постоянно растущее производство изделий из пластмассы, резины или других синтетических материалов, однако такие изделия считаются менее экологически чистыми, а также не всегда есть возможность их использования в сложных климатических условиях.
Любое металлоизделие можно изготовить различными способами — сваркой, ковкой, литьем или иным способом. Но наиболее предпочтительными в использовании являются литые изделия. Необходимо отметить, что более 20% всех отливок в машиностроении изготовляют из стали. Этот металл применяют для производства большинства узлов и деталей в машинах и агрегатах, для производства различного инструмента, ответственных конструкций.
Целью данной курсовой работы является исследование процесса производства отливок из стали. Задачи данной работы — рассмотреть основы плавки и разливки стали, изучить особенности литья в песчаные и металлические формы, охарактеризовать основные принципы термической обработки отливок из стали и их технический контроль.
В этой курсовой работе будут рассмотрены такие способы изготовления отливок как литье в оболочковые формы, песчаные формы и кокиль, центробежное литье, литье под давлением. Также в данной работе будет изучен один из важнейших этапов производства стальных отливок — термическая обработка, благодаря которой удается придавать металлу заданные свойства.
При производстве любой продукции большое внимание уделяется контролю качества изделий, особенно это касается продукции, которая будет иметь ответственное назначение или использоваться в агрессивной среде. Именно отливки из стали чаще всего применяются в сложных условиях, поэтому в данной курсовой работе одна из глав посвящена изучению возможных дефектов стальных отливок и способов их устранения.
Глава 1. Основные этапы процесса изготовления отливок из стали.
1.1 Плавка и разливка стали.
Литейным производством называется отрасль машиностроения, занимающаяся изготовлением фасонных деталей или заготовок путем заливки расплавленного металла в форму, полость которой имеет конфигурацию детали. После затвердевания металла в форме получается отливка (литая деталь или заготовка). Заготовки подвергаются в дальнейшем механической обработке. В машинах и промышленном оборудовании около 50% всех деталей изготовляют литьем.
Литьем изготовляют такие ответственные детали, как детали двигателей внутреннего сгорания (блоки цилиндров, поршни), рабочие колеса насосов, лопасти газовых турбин, станины станков и т.д.
Перед литейным производством стоит задача получения отливок с максимальным приближением их формы и размеров к форме и размерам готовой детали или изделия, при этом наиболее трудоемкая операция механической обработки должна быть ограничена лишь чистовой обработкой или шлифованием. Этого можно достичь усовершенствованием и внедрением специальных, более точных способов литья (в кокиль, литье под давлением, центробежное литье, литье по выплавляемым моделям, литье в оболочковые формы и др.).
В отечественном машиностроении 21% всех отливок изготовляют из стали. При выборе сплава необходимо учитывать его свойства и стоимость. Так, если принять среднюю стоимость отливки из серого чугуна за 100%, то стоимость отливки из стали составит 150%.
Сталью считают сплав железа с углеродом (до 2%). Детали сложной конфигурации, к которым предъявляют повышенные требования по прочности, ударной вязкости или другим свойствам, обычно изготовляют из стали. В машиностроении применяют три группы литейных сталей: конструкционные, инструментальные и со специальными свойствами.
Из конструкционных сталей изготовляют детали, несущие главным образом механические нагрузки (статические, динамические, вибрационные и др.). По химическому составу их подразделяют на углеродистые (низко- и среднеуглеродистые) и легированные, а по структуре — на ферритно-перлитного и перлитного классов.
Из инструментальных сталей изготовляют литой инструмент (режущий, мерительный, штамповочный и т.п.). По химическому составу их подразделяют на средне-, высокоуглеродистые и легированные стали перлитного, мартенситного и карбидного классов.
Из сталей со специальными свойствами (коррозионно-стойкие, жаропрочные, кислотоупорные, износостойкие) выполняют литые изделия, подвергающиеся воздействию различных сред, высоких температур и нагрузок. Эти стали относят в основном к ферритному и аустенитному классам.
В литейных цехах наибольшее применение для плавки стали нашли дуговые электропечи, индукционные электропечи с сердечником, индукционные электропечи без сердечника.
Электроплавильные печи имеют преимущества по сравнению с другими плавильными агрегатами. В электропечах можно быстро нагревать, плавить и точно регулировать температуру металла, создавать окислительную, восстановительную, нейтральную атмосферу или вакуум. В этих печах можно расплавлять сталь с образованием минимального количества неметаллических включений — продуктов раскисления. Поэтому электропечи используют для выплавки конструкционных сталей, высоколегированных, инструментальных, коррозионно-стойких и других специальных сталей.
Электропечи бывают дуговыми и индукционными.
В дуговых электросталеплавильных печах в качестве источника теплоты используют электрическую дугу, возникающую между электродами и металлической шихтой. Эта печь питается трехфазным переменным током и имеет три цилиндрических электрода, изготовленных из графитированной массы. Электрический ток от трансформатора гибкими кабелями и медными шинами подводится к электродержателям, а через них к электродам. Между электродом и металлической шихтой возникает электрическая дуга, электроэнергия превращается в теплоту, которая передается металлу и шлаку излучением. Рабочее напряжение 180-600 В, сила тока 1-10 кА. Во время работы печи длина дуги регулируется автоматически путем вертикального перемещения электродов. Печь имеет стальной сварной кожух. Кожух печи изнутри футерован теплоизоляционным и огнеупорным кирпичом. Подина, стенки и свод также выложены огнеупорным кирпичом. В стенках печи имеются рабочее окно для управления ходом плавки и летка для выпуска готовой стали по желобу в ковш. С помощью специального механизма печи может наклоняться в сторону загрузочного окна и летки. Емкость дуговой электропечи 0,5-400 т.
Индукционные электропечи с сердечником (низкой частоты) состоят из шахты и каналов (одного или трех), которые охватывают сердечник и первичную обмотку трансформатора. К первичной обмотке (индуктору) подводится ток промышленной частоты. Жидкий металл, предварительно залитый в канал, создает короткозамкнутый вторичный виток, в котором индуктируется (возбуждается) электрический ток большой силы. Возникающая в этом кольце электроэнергия превращается в тепловую; металл, залитый в канал, быстро нагревается и передает теплоту твердой шихте (загружаемой сверху в шахту) в результате циркуляции металла. Плавка в этих печах экономичнее, чем в высокочастотных, но требует предварительной заливки жидкого металла в каналы печи и чистку этих каналов от расплава предыдущей плавки.
Индукционные электропечи без сердечника представляют собой воздушный трансформатор, первичной обмоткой которых является медный полый водоохлаждаемый индуктор, а вторичной — загружаемая в тигель металлическая шихта. Принцип работы печи основан на поглощении электромагнитной энергии материалом металлической шихты, загружаемой в тигель, который установлен в переменном электромагнитном поле; при этом происходит нагрев и расплавление шихты. Применяют графитные или набивные тигли из огнеупорных материалов. В зависимости от частоты переменного тока, питающего индуктор, эти печи подразделяются на печи промышленной частоты (50Гц) и высокой частоты (более 500Гц). В таких печах также плавят сталь.
Выплавленную сталь выпускают из плавильной печи в разливочный ковш, из которого ее разливают в изложницы или кристаллизаторы установок для непрерывной разливки стали. В изложницах или кристаллизаторах сталь затвердевает, и получаются слитки, которые затем подвергают обработке.
Сталеразливочный ковш имеет стальной сварной кожух, выложенный изнутри огнеупорным кирпичом. В дне ковша имеется керамический стакан с отверстием для выпуска стали. Отверстие в стакане закрывается и открывается стопорным устройством. Стопор поднимают и опускают рычажным механизмом вручную или с помощью гидравлического привода с дистанционным управлением. Ковш за две цапфы поднимают краном. Емкость ковша выбирают в зависимости от емкости плавильной печи с учетом слоя шлака (100-200мм), предохраняющего зеркало металла в ковше от охлаждения при разливке. Обычно емкость ковшей 5-260 т. Для крупных плавильных агрегатов применяют ковши емкостью 350-480 т.
Изложницы — чугунные формы для изготовления слитков. Конфигурация изложниц характеризуется формой поперечного и продольного сечений и зависит от сорта заливаемой стали. Изложницы выполняют квадратным, прямоугольным, круглым и многогранным поперечными сечениями.
Для разливки спокойной стали применяют изложницы, расширяющиеся кверху, а для разливки кипящей стали — изложницы, расширяющиеся книзу. Изложницы, расширяющиеся кверху, обычно имеют дно, а расширяющиеся книзу делают сквозными, без дна. Изложницы для разливки спокойной стали имеют прибыльные надставки, футерованные изнутри огнеупорной массой с малой теплопроводностью.
Размеры изложниц зависят от массы слитка. Для прокатки отливают слитки от 200кг до 25т.
Экономически более целесообразна разливка стали в крупные слитки, так как при этом сокращаются затраты труда, на огнеупоры, потери металла, уменьшается продолжительность разливки. Однако масса слитка ограничивается мощностью прокатного оборудования и ухудшением качества слитка из-за неровности химического состава в различных его местах. Обычно углеродистые спокойные и кипящие стали разливают в слитки массой до 25т, легированные и высоколегированные стали — в слитки от 500кг до 7т, а некоторые сорта высоколегированных сталей в слитки массой несколько сот килограммов.
Для разливки стали применяют три основных способа — в изложницу сверху, в изложницу сифоном, на установках непрерывной разливки стали (УНРС).
В изложницы сверху сталь заливают непосредственно из ковша. При разливке сверху исключается расход металла на литники, проста подготовка оборудования к разливке, температура заливаемой стали может быть ниже, чем при сифонной заливке. Однако при разливке сверху сталь падает в изложницу с большой высоты, брызги металла застывают на стенках изложницы и ухудшают поверхность слитка, образуя окисные плены. Окисные плены не свариваются с телом слитка даже при прокатке, после которой необходимо зачищать поверхность для улучшения ее качества, что является очень трудоемкой операцией.
При сифонной разливке сталью заполняют одновременно несколько изложниц (от 4 до 60). Изложницы устанавливают на поддоне, в центре которого находится центровой литник. Сифонная разливка основана на принципе сообщающихся сосудов: жидкая сталь из ковша поступает в центровой литник и через каналы заполняет изложницы снизу. Этот способ разливки обеспечивает плавное, без разбрызгивания заполнение изложниц. Поверхность слитка получается чистой, сокращается продолжительность разливки, можно разливать большую массу металла одновременно на несколько мелких слитков. Однако при сифонной разливке повышается трудоемкость подготовки оборудования, увеличивается расход огнеупоров, появляется необходимость в расходовании металла на литники (до 1,5% от массы заливаемой стали), в перегреве металла в печи до более высокой температуры, так как при течении по каналам он охлаждается.
Оба способа разливки широко применяют. Для обычных углеродистых сталей используют разливку сверху; для легированных и высоколегированных сталей — разливку сифоном.
Наиболее прогрессивный способ разливки — непрерывная разливки стали. Этот способ заключается в том, что жидкую сталь из ковша через промежуточное разливочное устройство непрерывно подают в изложницу (охлаждается водой) без дна — кристаллизатор, из нижней части которого вытягивается затвердевающий слиток. Перед заливкой металла в кристаллизатор вводят затравку, образующую его дно. Затравка имеет головку в форме ласточкина хвоста. Жидкий металл, попадая в кристаллизатор и на затравку, охлаждается, затвердевает, образуя корку. Затравка тянущими валками вытягивается из кристаллизатора вместе с затвердевающим слитком, сердцевина которого находится в жидком состоянии. Скорость вытягивания слитка из кристаллизатора зависит от сечения слитка. Например, скорость вытягивания прямоугольных слитков сечением 150х500 и 300х2000 мм равна 1 м/мин. На выходе из кристаллизатора слиток охлаждается водой. Из зоны охлаждения слиток выходит полностью затвердевшим и попадает в зону резки, где его разрезают газовым резаком на куски заданной длины. Для предотвращения приваривания слитка к стенкам кристаллизатора последний совершает возвратно-поступательное движение с шагом 10-50мм и частотой 10-100 циклов в минуту, а рабочая поверхность кристаллизатора смазывается специальными смазками. Высота кристаллизатора 500-1500мм. В них получаются слитки прямоугольного поперечного сечения с габаритными размерами от 150х500 до 300х2000мм, квадратного от 150х150 до 400х400мм, круглые в виде толстостенных труб.
Вследствие направленного затвердевания и непрерывного питания при усадке в слитках непрерывной разливки отсутствуют усадочные раковины, они имеют плотное строение и мелкозернистую структуру. Поверхность слитка получается хорошего качества. Выход годных заготовок может достигать 96-98% от массы разливаемой стали.
УНРС имеют один, две, три, четыре и более кристаллизатора (до восьми), что делает возможным одновременную заливку нескольких слитков.
1.2 Литье в песчаные формы.
Независимо от способа литья отливки получают в литейной форме, полость которой соответствует конфигурации отливки.
Литейная форма — элемент, образующий рабочую полость, при заливке которой расплавленный металл формирует отливку. Форму изготовляют из формовочной смеси, состоящей из формовочных материалов (песка, глины и добавок воды, связующих материалов и т.д.).
Формовочная смесь — многокомпонентная смесь формовочных материалов, состав которой соответствует условиям технологического процесса изготовления неметаллических литейных форм. Формовочную смесь засыпают в литейные опоки и выполняют в них отпечаток модели.
Литейная опока — приспособление для удержания формовочной смеси при изготовлении литейной формы, ее транспортировке и заливке жидким металлом.
Модель имеет конфигурацию внешней поверхности отливки; ее изготовляют из древесины или металла. Внутренняя поверхность отливки образуется с помощью литейного стержня, который устанавливают в форму.
Литейный стержень — элемент литейной формы для образования отверстия, полости или иного сложного контура в отливке. Литейные стержни выполняют из стержневой смеси, состоящей из песка и связующих материалов. Между полостью формы и стержнем образуется пространство, заливаемое жидким металлом. После его затвердевания образуется отливка.
Из формовочных смесей изготовляют формы, а из стержневых смесей — стержни. Смеси приготовляют из песка, глины, связующих материалов и др. Формовочные материалы (песок и глина) должны иметь определенные свойства, поэтому их добывают из заранее исследованных карьеров. Формовочные и стержневые смеси должны иметь хорошую пластичность, текучесть, газопроницаемость, достаточно высокую прочность и противопригарность.
Для стальных отливок формовочные и стержневые смеси должны обладать большой противопригарностью, поэтому в них вместо обычной глины добавляют более огнеупорную глину. Для изготовления крупных отливок формовочную смесь приготовляют из хромистого железняка.
Литье в песчаные формы включает следующие основные этапы:
изготовление литейной формы;
изготовление стержней;
сборка форм;
заливка форм сплавом;
выбивка отливок из песчаной формы;
очистка и обрубка отливок.
Литейную форму изготовляют в следующей последовательности: устанавливают на модельную плиту опоку и на нее наполненную рамку, высота которой соответствует степени уплотнения формовочной смеси в форме. Из бункера засыпают формовочную смесь в опоку и рамку, уплотняют ее, затем модель извлекают из формовочной смеси. В результате образуется литейная форма. Формовочную смесь в форме уплотняют различными способами — вручную с помощью трамбовки и машинами (прессованием, встряхиванием, сбрасыванием комков смеси с большой скоростью пескометом или пескострельной машиной). Кроме того, форму изготовляют заливкой текучей формовочной смеси в опоку с последующим ее затвердеванием.
Изготовление форм для стальных отливок отличается применением прибылей для питания большой (6%) объемной усадки стали. При этом надо учитывать, что сталь имеет пониженную жидкотекучесть и высокую температуру заливки. Часто масса прибыли приближается к массе отливке. В среднем масса прибыли составляет 0,6 от массы отливки.
Стержни изготовляют из стержневой смеси. Стержневую смесь уплотняют в стержневом ящике вручную или машинным способом. Сложные и крупные стержни изготовляют по частям, а затем эти части склеивают и собирают в узлы, после чего ставят в форму. В единичном и мелкосерийном производствах для крупных стержней применяют дешевые органические связующие материалы.
Стержни сушат для увеличения их прочности и газопроницаемости. Связующие материалы, находящиеся в стержневой смеси, во время сушки при определенной температуре (150-300°С), спекаются, окисляются или в них происходят химические реакции, благодаря которым частицы песка склеиваются. Сушат стержни в сушилах непрерывного действия
Отделка и контроль сухих стержней является обязательными операциями перед установкой их в форму. Часто стержни окрашивают противопригарной краской, улучшающей поверхность отливки.
При сборке форм небольшие стержни устанавливают вручную, большие — с помощью крана. Если стержень по ряду причин не может быть устойчиво установлен в форму, применяют жеребейки (специальное металлическое приспособление, применяемое при установке и закреплении в определенном положении стержня в литейной форме для получения нужной толщины тела отливки). Они предохраняют стержни от провисания или всплывания при заполнении формы металлом. Эти жеребейки заваривают в стенки отливки.
Сплав заливают в форму с помощью ковша, конструкция которого зависит от емкости и свойств заливаемого сплава. Чаще применяют барабанные ковши. Ковш от плавильных печей к месту разливки перевозят мостовым краном или по монорельсовому пути.
Формы заливают на рольганговых транспортерах и на движущихся тележках конвейера. При заливке формы подвергаются давлению жидкого металла, который стремиться приподнять верхнюю опоку, отчего по разъему может образоваться щель и металл выльется через нее из формы. Во избежание этого верхнюю полуформу скрепляют с нижней скобами или помещают на нее груз.
Для стального заливаемого сплава ориентировочно принимают температуру от 1500ºС до 1600ºС. Температура заливаемого сплава зависит от толщины стенок отливки: чем меньше толщина отливки, тем выше температура.
После заливки и охлаждения металла в форме отливку из нее удаляют (выбивают), при этом форма разрушается. С места выбивки отливки транспортируют в отделение выбивки стержней или непосредственно в отделение очистки и обрубки отливок. Стержни выбивают из отливки вибрационными установками или струей воды. Воду тонкой струей под давлением 235-980 кН/м2 направляют на стержень. Вода с песком стекает в