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.