Введение
Ранее заказчики производили на месте молотовые головки, цепные звенья и другие отливки по процессу литья в песчаные формы, что сопровождалось низкой производительностью, неудовлетворительными условиями труда, высокой трудоёмкостью и плохим качеством поверхности изделий. С быстрым развитием технологии литья по газифицируемым моделям в Китае, а также благодаря её преимуществам — низкой трудоёмкости, энергосбережению, экологичности и хорошему качеству поверхности — начали предприниматься попытки использовать эту технологию для производства таких отливок.
Анализ отливки
Цепные звенья, производимые на месте в Юньнани, представляют собой стальные отливки из стали 45#, первоначально изготовленные литьём в песчаные формы. При эксплуатации цепные звенья соединяются между собой цилиндрическими пальцами, поэтому к чистоте поверхности отливок предъявляются высокие требования. Отливки, изготовленные в песчаных формах, необходимо обрабатывать для обеспечения их эксплуатационных требований. Молотовая головка является отливкой из высокомарганцовистой стали. При литье в песчаные формы операции удаления стержня и закрытия опоки сложны; легко возникают такие дефекты, как облой и заусенцы, а качество поверхности изделий неудовлетворительно. Трудоёмкость удаления стержня и закрытия опоки значительно снижается, а качество поверхности изделий повышается. Цепные звенья, изготовленные по технологии литья по газифицируемым моделям, могут соответствовать эксплуатационным требованиям без механической обработки.
Ниже главным образом рассматривается процесс производства цепных звеньев из стали. Сталь имеет высокую температуру плавления, плохую текучесть, усадку, склонность к окислению, а включения сильно влияют на механические свойства отливок. Литниковая система имеет простую конструкцию и большую площадь сечения, что обеспечивает быстрое и плавное заполнение, предотвращает рассеивание потока, способствует направленному затвердеванию отливки и питанию прибылью и не препятствует усадке отливки. Физическое изделие показано на рисунке 1.
РИС. 1 Отливки цепного звена и молотовой головки
Белая зона
Конструкция белой модели для цепи, производимой на месте, относительно проста, а производственная партия мала, поэтому белую модель изготавливают резкой и склеиванием. Для отливок, требующих резки и склеивания, обычно разрабатывают соответствующие инструменты, чтобы повысить производительность и точно позиционировать размеры конструкции отливки. Технический персонал компании изготовил для производства на месте оснастку для резки и склеивания белой модели: алюминиевый шаблон для резки основной части отливки, позиционирующий шаблон для склеивания отливки, оснастку для соединения литниковой системы и прибыли. Используют склеивание горячим клеем; в месте соединения не должно быть зазоров, чтобы покрытие не проникало в зазор и после заливки не образовывались шлаковые дефекты. Процесс изготовления белой модели показан на рисунке 2.
РИС. 2 Процесс изготовления белой модели
Жёлтая зона
Покрытие изготовлено из специального покрытия для стального литья. При первом нанесении покрытие и воду смешивают в соотношении 1:0.65 и перемешивают в бочке для смешивания покрытия в течение 1h. После перемешивания консистенцию корректируют по состоянию покрытия; если оно слишком густое, можно добавить воду. Первичный слой не должен быть слишком толстым; для измерения можно использовать ареометр Боме. Это необходимо для предотвращения растрескивания поверхности при сушке и ухудшения качества отливки. Жёлтую модель после первого нанесения помещают в сушильную камеру. Температура сушильной камеры поддерживается примерно на уровне 45℃ и не должна быть слишком высокой, иначе в углах жёлтой модели образуются трещины. Влажность — менее 15%; жёлтую модель нельзя обдувать непосредственно нагревателем сушильной камеры, чтобы не вызвать чрезмерный нагрев и растрескивание углов покрытия. В этих условиях сушат примерно 8 часов.
1min
При нанесении второго слоя покрытие делают немного толще, чем при первом нанесении. После покрытия белую модель выдерживают 1min до выравнивания поверхностного слоя, чтобы предотвратить накопление покрытия на белой модели. После нанесения покрытия жёлтую модель помещают в сушильную камеру.
Температуру поддерживают примерно на уровне 50℃, влажность — менее 15%, сушат 24 часа. При второй сушке примерно через 6h покрывают открытые участки жёлтой модели и литниковый стояк. После сушки формируется жёлтая модель, как показано на рисунке 3. Жёлтую модель окрашивают дважды.
РИС. 3 Процесс формирования сборной жёлтой модели
Чёрная зона: технологическая схема
Формование в опоке
Используют кварцевый песок фракции 30–40 mesh; толщина нижнего слоя песка составляет 200mm. После разравнивания и вибрации устанавливают пенополистироловую модель. Сначала песок подают мешком, фиксируют пенополистироловую модель, затем засыпают песок до половины отливки; выполняют вторую вибрацию продолжительностью 30–40s, затем полную вибрацию. Время не должно быть слишком большим, чтобы не растрескать белую модель; требования к времени строгие: слишком короткая вибрация недостаточно уплотняет отверстие вала, слишком длительная может разрушить белую модель. Во время вибрации выполняют вспомогательное уплотнение рукой. После второй вибрации песок засыпают до верхней плоскости литниковой чаши и выполняют третью вибрацию для уплотнения. Затем добавляют пластиковую плёнку и верхний слой песка. Чтобы расплав чугуна не размывал песок вокруг литниковой чаши и не заносил его в отливку, вокруг литникового стояка размещают натриево-силикатный песок. Процесс формования в опоке показан на рисунке 4.
РИС. 4 Процесс формования в опоке
Плавка
Заданный химический состав:
| Si | Mn |
В качестве стального лома используется обычная углеродистая сталь Q235. Для индукционной печи вместимостью 0.5t доля добавляемых материалов составляет: 98.6% стального лома, 0.5% ферросилиция и 0.9% ферромарганца. Материалы смешивают в соответствии с заданным соотношением. После расплавления металла нагревают промывочный ковш. Для снижения угара сплавов ферросилиций и ферромарганец добавляют до расплавления и заливки металла.
Заливка
Перед заливкой расплава стали необходимо удалить шлак. После выпуска расплав стали следует как можно скорее залить. Температура заливки должна составлять 1520℃~1550℃, степень разрежения — -0.05MP. После заливки разрежение -0.025MP поддерживают в течение 5 минут. Через 2 часа выдержки опоку переворачивают и очищают отливку. На рисунке 5 показана отливка после опрокидывания опоки и очистки.
РИС. 5 Отливка после очистки и шлифования
Анализ дефектов
Шлаковое включение、пригaр、песчаное включение
Дефекты самой белой модели приводят к проникновению покрытия в зазоры или углубления белой модели, вследствие чего остатки покрытия попадают в отливку и возникает шлаковое включение.
Неравномерное нанесение покрытия приводит к пригару при заливке.
При заливке расплав металла размывает окружающий песок и заносит его в отливку.
Раскисление расплава металла неполное, шлак удалён недостаточно.
Решения:
Степень разрежения и температуру заливки следует контролировать рационально; при обеспечении плавного протекания заливки степень разрежения и температуру заливки следует по возможности снижать, чтобы ослабить проникающую способность высокотемпературного расплава металла.
Песок следует добавлять поэтапно: засыпать нижний слой 200mm и вибрировать, затем установить модель, засыпать песок до обычного положения модели и вибрировать; время вибрации не должно быть слишком большим; затем вибрировать по мере добавления песка.
Рационально контролировать толщину покрытия, повышать его огнеупорность, высокотемпературную прочность и другие свойства.
Рациональная литниковая чаша должна обеспечивать, чтобы расплав металла при заливке не заталкивал песок рядом с литниковой чашей внутрь неё.
Строго контролировать процесс раскисления, использовать шлакообразующий агент для удаления шлака из расплава чугуна, а при заливке применять шлаковую вату для эффективного задержания шлака.
Газовые раковины
В большинстве случаев они возникают из-за беспорядочного заполнения жидким металлом при заливке: после контакта с расплавом металла пена разрушается, образующийся газ не успевает выйти из расплава металла, и формируются поры. Такие газовые раковины часто многочисленны.
Недостаточная сушка жёлтой модели приводит к блокированию выхода газов. Это является одной из основных причин образования газовых раковин.
Профилактические меры:
Рационально проектировать литниковую систему, обеспечивая плавное, без беспорядка, заполнение жидким металлом; повышать температуру заливки и выбирать рациональную степень разрежения; строго контролировать толщину покрытия и газопроницаемость песка.
При сушке модели покрытие должно быть сухим. Нельзя помещать высушенную жёлтую модель в сушильную камеру вместе с только что окрашенной жёлтой моделью.
При склеивании поверхности обращать внимание на использование холодного или горячего клея. При обеспечении прочности соединения количество клея должно быть минимальным, чтобы уменьшить выделение газа и вероятность образования пористости.
Применяется закрытая литниковая система. Во время заливки скорость необходимо строго контролировать, обеспечивая наличие определённого количества расплава металла в литниковой чаше и предотвращая подсос воздуха.
Заключение
После многократных испытаний литья на месте установлено, что описанный процесс отвечает требованиям к получению годной продукции и обеспечивает высокий выход годного. Однако также возникают такие литейные дефекты, как пористость и шлаковые включения. Основной причиной пористости являются плотность белой модели, степень её сушки и поддержание разрежения. Основная причина шлаковых включений — недостаточное удаление шлака в процессе плавки.
Весь процесс литья по газифицируемым моделям сложнее других распространённых способов литья. Для получения годных отливок необходимо контролировать каждый этап; любой недостаток на любом этапе может привести к появлению литейных дефектов. В заключение надеемся, что производство стальных отливок послужит ориентиром для изготовления аналогичной продукции в будущем.