Нормируемые показатели. Компоненты шихты

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра: «Материаловедение в машиностроении»

Расчёт параметров шихты для приготовления сплава

Расчетно-графическая работа

по дисциплине « Технология художественного литья»

Вариант 4

Преподаватель: Степанова Н. В.

Студент: Бубенова Ю. Е.

Группы ТХ-901 МТФ

НОВОСИБИРСК 2013

Содержание

Введение……………………………………………………………………. ……. 3

1. Характеристика сплава……………………………………………………….. 4

2. Описание структурного состояния полученного сплава…………………... 5

3. Выбор плавильного оборудования и его характеристика………………….. 6

4. Выбор технологии приготовления сплава…………………………………... 8

5. Расчет шихты………………………………………………………………….. 9

6. Описание технологии изготовления литейной формы…………………..... 12

7. Заключение………………………………………………………………….. 14

Список литературы…………………………………………………………….. 15

Введение

В данной расчетно - графической работе необходимо подобрать технологию изготовления, описать состав химического сплава АЛ7, описать технологию изготовления гипсовой литейной формы для дверной ручки в массовом производстве. Подобрать плавильное оборудование и рассчитать шихту.

АЛ7 – литейный алюминиевый сплав, используемый для изготовления фасонных отливок. Алюминиевые литейные сплавы обладают хорошими технологическими свойствами: высокой жидкотекучестыо, позволяющей получить детали любой сложности, малой усадкой, хорошей обрабатываемостью, высокой прочностью и коррозионной стойкостью.

Исходные данные:

Номер варианта	Марка сплава	Изделие	Технология	Масса отливки	Серийность
	АЛ7	Дверная ручка	Литье в разъемную гипсовую форму	100 г	Массовое (55. 000 шт. )

1. Характеристика сплава

АЛ7 – литейный алюминиевый сплав системы алюминий-медь. После термической обработки обладает высокими механическими свойствами при комнатной температуре, хорошо обрабатывается резанием. В качестве термической обработки сплава применяют закалку и естественное старение.

Сплав АЛ7 используют для отливки небольших деталей простой формы. В равновесном состоянии в структуре на границах зерен выделяется фаза химического соединения CuAl₂, появление которой ведет к изменению физических свойств сплава, в частности он становится склонным к хрупкому разрушению. Поэтому его применяют в закаленном состоянии, когда эти соединения переведены в твердый раствор. Для закалки сплав нагревают до температуры выше линии ограниченной растворимости, что составляет ≈ 530˚ С. Включения CuAl₂ растворяются, образуя однофазный твердый раствор, который фиксируют быстрым охлаждением изделия в воде. Если от отливок требуется повышенная прочность, то их после закалки подвергают искусственному старению при 150°С 2 - 4 ч.

Сплав АЛ7 легируют марганцем, магнием и кремнием. Наиболее сильное влияние на свойства сплава оказывает магний, повышающий предел прочности и текучести. Для измельчения зерна сплав легируют цирконием и титаном, таким образом, улучшая механические свойства сплава. Кремний повышает способность сплава к искусственному старению.

Физические свойства АЛ7:

· плотность сплава 2, 8 г/см³;

· твердость материала 60-70 МПа, после закалки и старения 85 МПа;

· линейная усадка 1, 4%;

· предел текучести 200 МПа;

· предел прочности 260 МПа;

· температура плавления ≈ 640°С [1].

2. Описание структурного состояния полученного сплава

Рис. 1 Диаграмма состояния Al-Cu

В равновесном состоянии сплав представляет собой низколегированный твердый раствор (α -фаза) и интерметаллидные фазы CuAl₂ (θ -фаза), Al₇Cu₂Fe [2].

3. Выбор плавильного оборудования и его характеристика

Выбор оборудования для плавильных участков осуществляется на основании массы выплавляемых в цехе сплавов и их химического состава. Для выплавки алюминиевых сплавов используют индукционные тигельные печи. Выбор подходящей модели печи осуществляется по ее производительности (т/ч).

3. 1. Определение мощности производства (т/год), производительности (т/ч).

Для определения мощности производства необходимо знать массу отливки и годовую программу выпуска. Годовая программа определяется в зависимости от серийности производства.

Годовая программа выпуска составляет 55000 изделий в год (массовое производство). Масса дверной ручки равна 100г = 0, 1кг.

Для дальнейших расчетов необходимо учесть количество изделий в модельном блоке («ёлке») и массу литниковой системы. Количество изделий в ёлке зависит от размеров опок, в которые заливается расплавленный металл. Типы и размеры опок регламентированы ГОСТ 2133-75. Масса литниковой системы зависит от размеров и конфигурации отливки, материала отливки, его склонности к усадке и других факторов. Примем массу литниковой системы равной 50% от массы отливки, а количество моделей в модельном блоке - 10 штук, что составит 0, 1*10 = 1 кг. Масса «ёлки» (10 моделей + литниковая система) будет равна 1 + 0, 5 = 1, 5 кг.

Количество модельных блоков, необходимых для годовой программы выпуска, определяется выражением 55000/10 = 5500 штук.

5500*1, 5 = 8250 кг = 8, 25 тонн металла необходимо для производства 55000 изделий в год.

Таким образом, мощность производства = 8, 25 т/год.

На следующем этапе расчета необходимо определить фонд времени, т. е. время, затрачиваемое на производство в год. При расчете фонда времени для оборудования и рабочих следует различать календарный, номинальный и действительный фонды времени.

Календарный фонд времени рассчитывается, исходя из количества дней в году и часов в сутках, и составляет

Ф_к = 8760 ч/год.

Номинальный фонд времени учитывает режим работы оборудования и рабочих без учета потерь и зависит от количества смен (так как производство массовое, режим - двухсменный):

Ф_Н= 4140 ч/год

Номинальный фонд времени рассчитывается без учета простоев оборудования в связи с ремонтом, отпусками рабочих. Таким образом, действительный фонд времени рабочего сокращается до

Ф_д = 4140-2*28*12=3468ч/год,

где 2-количество смен, 28- количество дней в отпуске, 12- количество часов в рабочей смене.

Потери времени, связанные с простоем оборудования, изменяются в зависимости от количества смен. Потери от действительного фонда рабочего времени при двухсменном режиме работы для массового производства составляют 9%:

3468*9/100=312, 12 ч/год

3468-312, 12=3155, 88ч/год – действительный фонд рабочего времени с учетом потерь.

55000/3155, 88 = 17, 43 ≈ 18 штук/час.

Исходя из действительного фонда времени и мощности производства, производительность составит:

8250(кг/год)/3155, 88(ч/год) = 2, 61кг/ч.

3. 2. Выбор плавильного оборудования.

На основании расчетов выбрана индукционная тигельная печь ИАТ-0, 4.

Индукционная тигельная печь для выплавки алюминиевых сплавов

ИАТ-0, 4

0, 4

Температура выпуска металла 750 ^оС. Угар и безвозвратные потери 0, 5 – 1 %.

Выплавка алюминиевых сплавов

Таблица 1. Характеристика печи ИАТ-0, 4 [3].

Плавильное оборудование

Тип печи

Производительность, т/ч

Мощность, кВт

Расход топлива, кг/т

Металлургические показатели

Назначение

Рис. 1. Индукционная тигельная печь ИАТ-0, 4

3. 3. Принцип работы печи ИАТ-0, 4.

В основе работы тигельной печи лежит явление электромагнитной индукции. Подводимая к первичной цепи электрическая энергия переменного тока превращается в электромагнитную, которая во вторичной цепи переходит снова в электрическую, а затем в тепловую [4]. Таким образом, чтобы расплавить металл, шихту помещают в электромагнитное поле, под действием которого возникает электрический ток. Вихревые электрические токи протекают по шихте, оказывая тепловое воздействие на металл.

Основным элементом такой печи является индуктор, подключаемый к сети переменного тока. В полость индуктора помещен тигель, выполненный из огнеупорного материала, обычно цилиндрической формы. В тигель осуществляются процессы загрузки и плавки шихты. Тигель и индуктор вместе образуют плавильный узел, заключаемый в кожух (каркас). Каркас имеет форму прямоугольного параллелепипеда, ребра которого выполнены из немагнитного материала, грани изолируют асбоцементными плитами. Это предотвращает появление тока в элементах печи. Плавильный узел извлекается краном за специальные проушины [3].

4. Выбор технологии приготовления сплава

Загрузку компонентов шихты в печь обычно выполняют в следующей последовательности: чушковый алюминий, после его расплавления - крупный лом, возврат, чушковый переплав стружки, лигатуры.

При плавке алюминия и сплавов на его основе важнейшими элементами технологии приготовления сплава является, во-первых, защита расплава от окисления и газопоглощения и, во-вторых, удаление из расплава оксидных плен и водорода, т. е. рафинирование сплавов.

Защита алюминиевых расплавов от окисления и поглощения водорода достигается плавкой под флюсами в слабоокислительной атмосфере. Для защиты металла от атмосферы печи применяют покровные флюсы. Они вводятся в печь вместе с шихтой. Покровные флюсы должны быть легче расплавленного металла, более легкоплавкими, чтобы образовывать равномерную жидкую пленку на поверхности металла. В то же время флюсы должны легко отделяться от поверхности жидкого металла при снятии шлака. Для большинства алюминиевых сплавов (в том числе и для сплава АЛ7), содержащих не более 1 % Mg, в качестве покровных флюсов применяют смесь хлоридов натрия (45 %) и калия (55 %) [5].

Для предотвращения взаимодействия металла с влагой внимательно следят за тем, чтобы футеровка печи, желоба, ковша, флюсы были должным образом подготовлены к работе и не содержали следов влаги.

Несмотря на принятие рассмотренных выше мер предотвращения взаимодействия паров воды с расплавом алюминия, полностью устранить это взаимодействие не удается, и расплавы в большей или меньшей степени загрязняются оксидными включениями и насыщаются водородом. Поэтому в конце плавки их подвергают рафинированию.

Наиболее распространенным в настоящее время способом рафинирования алюминиевых сплавов является обработка их хлористыми солями. Сущность метода состоит в том, что в результате взаимодействия хлоридов с расплавленным алюминием образуется легкоиспаряющееся вещество А1С1₃, пузырьки которого, выходя из расплава, уносят с собой водород и оксидные включения. Для этих целей применяют хлорид цинка ZnCl₂ и хлорид марганца MnCl₂, гексахлорэтан С₂С1₆ и др. При замешивании в расплав, например, хлорида цинка происходит, с одной стороны, его испарение, а с другой - образование газообразного хлорида алюминия.

В последние годы для рафинирования алюминиевых сплавов используют гексахлорэтан, который вводят в расплавы в виде порошка или таблеток. Гексахлорэтан в отличие от других хлоридов не гигроскопичен, поэтому для его хранения не нужны специальные условия [6].

5. Расчет шихты

Для приготовления сплавов могут быть использованы следующие шихтовые материалы:

- первичные металлы;

- отходы собственного производства;

- лигатуры;

- отходы и лом, поступающие со стороны;

- вторичные металлы и сплавы.

Расчет проведем на 100 кг сплава. Расчет шихты производится, основываясь на химическом составе сплава.

Таблица 2. Химический состав в % материала АЛ7

Fe	Si	Mn	Ti	Al	Cu	Zr	Pb	Mg	Zn	Sn	Примесей
до 1	до 1. 2	до 0. 1	до 0. 2	92. 9 -96	4 -5	до 0. 1	до 0. 01	до 0. 03	до 0. 2	до 0. 01	всего 2. 1

Расчетный состав сплава: Al – 96%, Cu- 4%.

Угар элементов: 2% и 1% соответственно.

Предположим, что шихта состоит на 60% из свежего металла, и на 40% из возврата собственного производства. С возвратом в шихту поступает:

Сu	4, 0х40	= 1, 6 кг

Al	96х40	= 38, 4 кг

Итого: 40 кг

Увеличим количество шихтовых материалов на величину потерь от угара:

Сu	4x1	= 0, 04 кг

Al	96x2	= 1, 92 кг

Таким образом, количество меди в шихте составит 4 + 0, 04 = 4, 04 кг, алюминия – 96 + 1, 92 = 97, 92 кг.

Дополнительно нужно ввести при помощи чистых металлов:

AI 97, 92 – 38, 4 = 59, 52 кг

Си 4, 04 – 1, 6 = 2, 44 кг.

Для введения дополнительной меди необходимо ввести лигатуру Al-Cu (40 % - Cu)

2, 44 кг -40% 2, 44 х 100

X кг -100% 40 = 6, 1 кг.

С этим количеством лигатуры вводится AI:

6, 1 – 2, 44 = 3, 66 кг

Дополнительно требуется ввести AI:

59, 52 - 3, 66 = 55, 86 кг.

Недостающий AI вводится чушковым AI марки А5 (99, 5% Аl
0, 3 % Fe; 0, 3 % Si): 55, 86 x 100

99. 5 = 56, 14 кг.

Таблица 3. Состав шихты

Компоненты	кг	%
1. Возврат		39, 12
3. Лигатуры Al-Cu	6, 1	5, 97
4. Первичный Al	56, 14	54, 91
ИТОГО:	102, 24

Таблица 4. Исходные и расчетные данные

Нормируемые показатели	Компоненты шихты
Нормируемые показатели	Al	Cu	Всего
Средний химический состав сплава, % (мас. доля)
Масса компонента на 100 кг шихты, кг
Угар, % (масс. Доля)			-
Угар, кг	1, 92	0, 04	1, 96
Расчётная масса шихты, кг	97, 92	4, 04	101, 96
Cодержание в цеховом возврате (40%, мас. доля), кг	38, 4	1, 6	40, 0
Cодержание в свежих металлах (60%, мас. доля), кг	59, 52	2, 44	61, 96

Таблица 5. Рассчитанный состав шихты для одного цикла заливки (на 1 модельный блок, 1, 5 кг)

Компоненты	кг	%
1. Возврат	0, 6	39, 12
3. Лигатуры Al-Cu	0, 09	5, 97
4. Первичный Al	0, 84	54, 91
ИТОГО:	1, 53

6. Описание технологии изготовления литейной формы

Гипс - один из самых распространенных материалов для изготовления литейных форм. Отличительной особенностью литья в гипсовые формы является хорошая жидкотекучесть гипсовой массы, что позволяет получать гладкую и чистую поверхность отливки. Гипсовая форма имеет малую теплопроводность, что обеспечивает спокойное заполнение металлом без опасения его быстрого затвердевания [7].

При изготовлении гипсовых форм необходимо строго соблюдать технологию замешивания и отливки гипса, в противном случае форма будет некачественной (с пустотами, раковинами и т. п. ) или развалится. В эмалированную или стеклянную посуду наливают одну (по объему) часть воды с температурой не выше 25°. В воду небольшими порциями подсыпают две части гипса, и как только весь гипс пропитается водой, смесь размешивают до получения сметанообразной массы. Посуду с «гипсовым тестом» надо периодически постукивать, чтобы из гипса вышли пузырьки воздуха, после этого получившуюся массу заливают в подготовленную заранее опоку с моделью. Полное отвердевание гипса длится около суток. Имеется несколько методов ускорения и замедления схватывания. Ускорение схватывания гипса - отрицательный фактор, а замедление схватывания - фактор положительный. Схватывание гипса замедляется, а гипсовая форма при этом становится прочнее, если вместо воды при замешивании «гипсового теста» взять 3-5% раствор столярного клея, или 2-3% раствор буры, или 5% раствор этилового спирта. Соотношение гипса и раствора при изготовлении «гипсового теста» такое же, как и при использовании чистой воды.

Большую роль при литье в разъемные формы имеют так называемые разделительные составы: они облегчают раскрывание разъемной формы и извлечение из нее модели. Простейший разделительный состав - насыщенный раствор мыла в воде. Разогретый технический вазелин также может служить хорошим разделительным составом. В качестве разделительных составов пригодны и другие жиры и масла, имеющие достаточную густоту и вязкость.

Технология изготовления гипсовых форм включает следующие операции:

1. Опоку основанием устанавливают на гладкую опорную поверхность и заполняют пластилином, в пластилин вдавливают (до половины) эталон модели с литником. Для избежания адгезии гипса с моделью и опокой их поверхность смазывают разделительным составом.

2. На первую опоку устанавливают вторую и заливают их гипсовым раствором, когда гипс затвердеет (примерно через час), опоки переворачивают. Эталон наполовину остается в гипсе, в котором делаются углубления для возможности получения в дальнейшем выступов гипсовой формы (замков).

3. Гипс, верхнюю опоку и вторую половину модели с литником смазывают разделительным составом и заливают гипсовым раствором. После высыхания гипса опоки разбирают, вынимают мастер-модель с литником.

Заключение

В ходе расчетно – графической работы описаны свойства и структура литейного алюминиевого сплава АЛ7. На основании расчета мощности производства и производительности осуществлен выбор плавильного оборудования. В качестве плавильной печи выбрана индукционная тигельная печь ИЛТ – 0, 4. Был выполнен расчет параметров шихты для получения сплава АЛ7. Описана технология изготовления гипсовой разъемной формы для литья дверной ручки в условиях массового производства.

Список литературы

[1] Шишков М. М. Марочник сталей и сплавов: справочник – Донецк.: Юго-Восток, 2002. – 454с.: ил.;

[2] Материаловедение: Учебник для машиностроительных вузов. / Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. – М.: Машиностроение. 1980. – 493 с., ил.;

[3] ООО ТД «Индуктор – Москва» [электронный ресурс]/ режим доступа: http: //tdinduktor. ru/index. php/2010-08-25-08-43-00/1/70--10042. html, дата обращения 21. 10. 13;

[4] Индукционные тигельные печи: Учебное пособие. 2-е изд., перераб. и доп. / Л. И. Иванова, Л. С. Гробова, Б. А. Сокунов, С. Ф. Сарапулов. Екатеринбург: Изд-во УГТУ - УПИ, 2002. 87 с.;

[5] Литейные сплавы и технология их плавки в машиностроении/ Воздвиженский В. М., Грачёв В. А., Спасский В. В. – М.: Машиностроение, 1984. – 432с.

[6] Литейное производство [электронный ресурс]/ режим доступа: http: //liteinoe-pro. ru/lite-iz-splavov-cvetnyx-metallov/lite-iz-alyuminievyx-splavov. html, дата обращения 23. 10. 13;

[7] Художественное литье в гипсовые формы/ Н. Л. Кутовой, О. И, Катрич. – Изд-во ДГТУ, 2006. – 3 с.;