Сучасний навколишній світ неможливо уявити без виробів зі сталі, чавуну або кольорових металів, а це і легко пояснити, так як продукція, створена з цих видів матеріалів, є найбільш міцною, надійною і безвідмовною. Звичайно, не можна залишати поза увагою постійно зростаюче виробництво виробів з пластмаси, гуми або інших синтетичних матеріалів, однак такі вироби вважаються менш екологічно чистими, а також не завжди є можливість їх використання в складних кліматичних умовах.
Будь-яке металовиріб можна виготовити різними способами - зварюванням, куванням, литтям або іншим способом. Але найбільш переважними у використанні є литі вироби. Необхідно відзначити, що більше 20% всіх виливків в машинобудуванні виготовляють зі сталі. Цей метал застосовують для виробництва більшості вузлів і деталей в машинах і агрегатах, для виробництва різного інструменту, відповідальних конструкцій.
Метою даної курсової роботи є дослідження процесу виробництва виливків зі сталі. Завдання даної роботи - розглянути основи плавки і розливання сталі, вивчити особливості лиття в піщані і металеві форми, охарактеризувати основні принципи термічної обробки виливків зі сталі та їх технічний контроль.
У цій роботі будуть розглянуті такі способи виготовлення виливків як лиття в оболонкові форми, піщані форми і кокіль, відцентрове лиття, лиття під тиском. Також в даній роботі буде вивчений один з найважливіших етапів виробництва сталевих виливків - термічна обробка, завдяки якій вдається надавати металу задані властивості.
При виробництві будь-якої продукції велика увага приділяється контролю якості виробів, особливо це стосується продукції, яка буде мати відповідальне призначення або використовуватися в агресивному середовищі. Саме виливки зі сталі найчастіше застосовуються в складних умовах, тому в цій роботі одна з глав присвячена вивченню можливих дефектів сталевих виливків і способів їх усунення.
Глава 1. Основні етапи процесу виготовлення виливків зі сталі.
1.1 Плавка і розливання сталі.
Ливарним виробництвом називається галузь машинобудування, що займається виготовленням фасонних деталей або заготовок шляхом заливання розплавленого металу в форму, порожнина якої має конфігурацію деталі. Після затвердіння металу в формі виходить виливок (лита деталь або заготовка). Заготовки піддаються надалі механічній обробці. У машинах і промисловому обладнанні близько 50% всіх деталей виготовляють литтям.
Литтям виготовляють такі відповідальні деталі, як деталі двигунів внутрішнього згоряння (блоки циліндрів, поршні), робочі колеса насосів, лопаті газових турбін, станини верстатів і т.д.
Перед ливарним виробництвом стоїть завдання отримання виливків з максимальним наближенням їх форми і розмірів до форми і розмірам готової деталі або вироби, при цьому найбільш трудомістка операція механічної обробки повинна бути обмежена лише чистової обробкою або шліфуванням. Цього можна досягти вдосконаленням та впровадженням спеціальних, більш точних способів лиття (в кокіль, лиття під тиском, відцентрове лиття, лиття по виплавлюваних моделях, лиття в оболонкові форми та ін.).
У вітчизняному машинобудуванні 21% всіх виливків виготовляють зі сталі. При виборі сплаву необхідно враховувати його властивості і вартість. Так, якщо взяти середню вартість відливки з сірого чавуну за 100%, то вартість виливки зі сталі складе 150%.
Сталлю вважають сплав заліза з вуглецем (до 2%). Деталі складної конфігурації, до яких висувають підвищені вимоги по міцності, ударної в'язкості або іншими властивостями, зазвичай виготовляють зі сталі. У машинобудуванні застосовують три групи ливарних сталей: конструкційні, інструментальні і зі спеціальними властивостями.
З конструкційних сталей виготовляють деталі, що несуть головним чином механічні навантаження (статичні, динамічні, вібраційні та ін.). За хімічним складом їх поділяють на вуглецеві (низько- і середньовуглецеві) і леговані, а за структурою - на ферритно-перлітного і перлітного класів.
З сталей із спеціальними властивостями (корозійно-стійкі, жароміцні, кислототривкі, зносостійкі) виконують литі вироби, що піддаються впливу різних середовищ, високих температур і навантажень. Ці стали відносять в основному до феритного і аустенітного класу.
У ливарних цехах найбільше застосування для плавки стали знайшли дугові електропечі, індукційні електропечі з сердечником, індукційні електропечі без сердечника.
Електроплавильні печі мають переваги в порівнянні з іншими плавильними агрегатами. В електропечах можна швидко нагрівати, плавити і точно регулювати температуру металу, створювати окисну, відновну, нейтральну атмосферу або вакуум. У цих печах можна розплавляти сталь з утворенням мінімальної кількості неметалічних включень - продуктів розкислення. Тому електропечі використовують для виплавки конструкційних сталей, високолегованих, інструментальних, корозійно-стійких та інших спеціальних сталей.
Електропечі бувають дуговими і індукційними.
У дугових електросталеплавильних печах в якості джерела теплоти використовують електричну дугу, що виникає між електродами і металевою шихтою. Ця піч харчується трифазним змінним струмом і має три циліндричних електрода, виготовлених з графітованої маси. Електричний струм від трансформатора гнучкими кабелями і мідними шинами підводиться до електротримачі, а через них до електродів. Між електродом і металевою шихтою виникає електрична дуга, електроенергія перетворюється в теплоту, яка передається металу і шлаку випромінюванням. Робоча напруга 180-600 В, сила струму 1-10 кА. Під час роботи печі довжина дуги регулюється автоматично шляхом вертикального переміщення електродів. Піч має сталевий зварний кожух. Кожух печі зсередини футерован теплоізоляційним і вогнетривкою цеглою. Подина, стінки і склепіння також викладені вогнетривкою цеглою. У стінках печі є робоче вікно для управління ходом плавки і вічка для випуску готової стали по жолобу в ківш. За допомогою спеціального механізму печі може нахилятися в бік завантажувального вікна і льотки. Ємність дугової електропечі 0,5-400 т.
Індукційні електропечі з сердечником (низької частоти) складаються з шахти і каналів (одного або трьох), які охоплюють сердечник і первинну обмотку трансформатора. До первинної обмотці (індуктора) підводиться струм промислової частоти. Рідкий метал, попередньо залитий в канал, створює короткозамкнений вторинний виток, в якому індукується (порушується) електричний струм великої сили. Що виникає в цьому кільці електроенергія перетворюється в теплову; метал, залитий в канал, швидко нагрівається і передає теплоту твердої шихті (завантажується зверху в шахту) в результаті циркуляції металу. Плавка в цих печах економічніше, ніж в високочастотних, але вимагає попередньої заливки рідкого металу в канали печі і чистку цих каналів від розплаву попередньої плавки.
Індукційні електропечі без сердечника представляють собою повітряний трансформатор, первинною обмоткою яких є мідний порожнистий водоохолоджуваних індуктор, а вторинної - завантажується в тигель металева шихта. Принцип роботи печі заснований на поглинанні електромагнітної енергії матеріалом металевої шихти, що завантажується в тигель, який встановлений в змінному електромагнітному полі; при цьому відбувається нагрів і розплавлення шихти. Застосовують графітні або набивні тиглі з вогнетривких матеріалів. Залежно від частоти змінного струму, що живить індуктор, ці печі підрозділяються на печі промислової частоти (50 Гц) і високої частоти (більше 500Гц). У таких печах також плавлять сталь.
Виплавлену сталь випускають з плавильної печі в розливний ківш, з якого її розливають у виливниці або кристалізатори установок для безперервного розливання сталі. У виливницях або кристалізаторах сталь твердне, і виходять злитки, які потім піддають обробці.
Сталерозливних ківш має сталевий зварний кожух, викладений зсередини вогнетривкою цеглою. У дні ковша є керамічний стакан з отвором для випуску сталі. Отвір в склянці закривається і відкривається стопорним пристроєм. Стопор піднімають і опускають важільним механізмом вручну або за допомогою гідравлічного приводу з дистанційним управлінням. Ківш за дві цапфи піднімають краном. Ємність ковша вибирають в залежності від ємності плавильної печі з урахуванням шару шлаку (100-200мм), що оберігає дзеркало металу в ковші від охолодження при розливанні. Зазвичай ємність ковшів 5-260 т. Для великих плавильних агрегатів застосовують ковші ємністю 350-480 т.
Виливниці - чавунні форми для виготовлення злитків. Конфігурація изложниц характеризується формою поперечного та поздовжнього перетинів і залежить від сорту заливається стали. Виливниці виконують квадратним, прямокутним, круглим і багатогранним поперечними перетинами.
Для розливання спокійної сталі застосовують виливниці, що розширюються догори, а для розливання киплячої сталі - виливниці, що розширюються донизу. Виливниці, що розширюються догори, зазвичай мають дно, а розширюються донизу роблять наскрізними, без дна. Виливниці для розливання спокійної сталі мають прибуткові надставки, футеровані зсередини вогнетривкою масою з малою теплопровідністю.
Розміри изложниц залежать від маси зливка. Для прокатки відливають злитки від 200кг до 25т.
Економічно більш доцільна розливання сталі в великі злитки, так як при цьому скорочуються витрати праці, на вогнетриви, втрати металу, зменшується тривалість розливання. Однак маса злитка обмежується потужністю прокатного обладнання і погіршенням якості злитка через нерівності хімічного складу в різних його місцях. Зазвичай вуглецеві спокійні і киплячі стали розливають в злитки масою до 25т, леговані та високолеговані стали - в злитки від 500кг до 7т, а деякі сорти високолегованих сталей в злитки масою кілька сотень кілограмів.
Для розливання сталі застосовують три основних способи - в изложницу зверху, в изложницу сифоном, на установках безперервного розливання сталі (УНРС).
У виливниці зверху сталь заливають безпосередньо з ковша. При розливанні зверху виключається витрата металу на літники, проста підготовка обладнання до розливання, температура заливається стали може бути нижче, ніж при сифонной заливці. Однак при розливанні зверху сталь падає в изложницу з великої висоти, бризки металу застигають на стінках виливниці і погіршують поверхню злитка, утворюючи окисні полон. Окисні полон не зварюються з тілом зливка навіть при прокатці, після якої необхідно зачищати поверхню для поліпшення її якості, що є дуже трудомісткою операцією.
При сифонної розливанні сталлю заповнюють одночасно кілька виливниць (від 4 до 60). Виливниці встановлюють на піддоні, в центрі якого знаходиться центровий літник. Сифонна розливання заснована на принципі сполучених посудин: рідка сталь з ковша надходить в центровий літник і через канали заповнює виливниці знизу. Цей спосіб розливання забезпечує плавне, без розбризкування заповнення виливниць. Поверхня зливка виходить чистою, скорочується тривалість розливання, можна розливати велику масу металу одночасно на кілька дрібних злитків. Однак при сифонной розливання підвищується трудомісткість підготовки обладнання, збільшується витрата вогнетривів, з'являється необхідність у витрачанні металу на літники (до 1,5% від маси заливається стали), в перегрів металу в печі до більш високої температури, так як при течії по каналах він охолоджується .
Обидва способи розливання широко застосовують. Для звичайних вуглецевих сталей використовують розливання зверху; для легованих і високолегованих сталей - розливання сифоном.
Внаслідок спрямованого затвердіння і безперервного живлення при усадки в злитках безперервного розливання відсутні усадочні раковини, вони мають щільне будова і дрібнозернисту структуру. Поверхня зливка виходить хорошої якості. Вихід придатних заготовок може досягати 96-98% від маси разливаемой стали.
УНРС мають один, два, три, чотири і більше кристалізатора (до восьми), що робить можливим одночасну заливку декількох злитків.
1.2 Лиття в піщані форми.
Незалежно від способу лиття виливки отримують в ливарній формі, порожнина якої відповідає конфігурації виливки.
Ливарна форма - елемент, який утворює робочу порожнину, при заливці якої розплавлений метал формує відливку. Форму виготовляють з формувальної суміші, що складається з формувальних матеріалів (піску, глини і добавок води, сполучних матеріалів і т.д.).
Формувальнасуміш - багатокомпонентна суміш формувальних матеріалів, склад якої відповідає умовам технологічного процесу виготовлення неметалевих ливарних форм. Формувальну суміш засипають в ливарні опоки і виконують в них відбиток моделі.
Ливарна опока - пристосування для утримання формувальної суміші при виготовленні ливарної форми, її транспортуванні і заливці рідким металом.
Модель має конфігурацію зовнішньої поверхні виливки; її виготовляють з деревини або металу. Внутрішня поверхня виливки утворюється за допомогою ливарного стрижня, який встановлюють в форму.
Ливарний стрижень - елемент ливарної форми для утворення отвору, порожнини або іншого складного контуру в литві. Ливарні стрижні виконують з стрижневою суміші, що складається з піску і сполучних матеріалів. Між порожниною форми і стрижнем утворюється простір, що заливається рідким металом. Після його затвердіння утворюється виливок.
З формувальних сумішей виготовляють форми, а з стрижневих сумішей - стрижні. Суміші готують із піску, глини, сполучних матеріалів і ін. Формувальні матеріали (пісок і глина) повинні мати певні властивості, тому їх видобувають із заздалегідь досліджених кар'єрів. Формувальні і стрижневі суміші повинні мати хорошу пластичність, текучість, газопроникність, досить високу міцність і противопригарного.
Для сталевих виливків формувальні і стрижневі суміші повинні володіти великою противопригарного, тому в них замість звичайної глини додають більш вогнетривку глину. Для виготовлення великих виливків формувальну суміш готують з хромистоїзалізняку.
Лиття в піщані форми включає наступні основні етапи:
виготовлення ливарної форми;
заливка форм сплавом;
вибивка виливків з піщаної форми;
очищення і обрубка виливків.
Ливарну форму виготовляють у такій послідовності: встановлюють на модельну плиту опоку і на неї наповнену рамку, висота якої відповідає ступеню ущільнення формувальної суміші в формі. З бункера засипають формувальну суміш в опоку і рамку, ущільнюють її, потім модель витягують з формувальної суміші. В результаті утворюється ливарна форма. Формувальну суміш у формі ущільнюють різними способами - вручну за допомогою трамбування і машинами (пресуванням, струшуванням, скиданням грудок суміші з великою швидкістю пескометом або пескострельной машиною). Крім того, форму виготовляють заливанням текучої формувальної суміші в опоку з подальшим її затвердінням.
Виготовлення форм для сталевих виливків відрізняється застосуванням прибутків для живлення великої (6%) об'ємноїусадки стали. При цьому треба враховувати, що сталь має знижену жидкотекучесть і високу температуру заливки. Часто маса прибутку наближається до маси відливання. В середньому маса прибутку становить 0,6 від маси виливки.
Стрижні виготовляють з стрижневою суміші. Стрижневу суміш ущільнюють в стержневом ящику вручну або машинним способом. Складні і великі стрижні виготовляють по частинах, а потім ці частини склеюють і збирають в вузли, після чого ставлять в форму. В одиничному і дрібносерійного виробництва для великих стрижнів застосовують дешеві органічні зв'язуючі матеріали.
Стрижні сушать для збільшення їх міцності і газопроникності. Сполучні матеріали, що знаходяться в стрижневий суміші, під час сушіння при певній температурі (150-300 ° С), спікається, окислюються або в них відбуваються хімічні реакції, завдяки яким частки піску склеюються. Сушать стрижні в сушилах безперервної дії
Оздоблення і контроль сухих стрижнів