Министерство образования Российской Федерации
КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра АПП
“Литьё цветных металлов в металлические формы(кокили)”.
Выполнил: студент
Группы01-КТ-61
АграновичОлег
Проверил: Лецик В.И.
Краснодар 2003 год.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ОГЛАВЛЕНИЕ… 2
СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА. ОСНОВНЫЕ ОПЕРАЦИИ.ОБЛАСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ… 3
КОКИЛИ… 6
Общие сведения. 6
Элементы конструкции кокилей. 7
Материалы для кокилей. 9
Изготовление кокилей. 10
Стойкость кокилей и пути ее повышения. 11
ТЕХНОЛОГИЯ ЛИТЬЯ В КОКИЛЬ… 13
Технологические режимы литья. 13
Особенности изготовления отливок изразличных сплавов. 15
Отливки из алюминиевых сплавов. 16
Отливки из магниевых сплавов. 19
Отливки из медных сплавов. 20
Финишные операции и контроль отливокиз цветных сплавов. 21
Дефекты отливок из цветных сплавов имеры их предупреждения. 21
СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА. ОСНОВНЫЕ ОПЕРАЦИИ. ОБЛАСТЬИСПОЛЬЗОВАНИЯ
/> Кокиль (от франц. coquille) — металлическая форма, котораязаполняется расплавом под действием гравитационных сил. В отличие от разовойпесчаной формы кокиль может быть использован многократно. Таким образом,сущность литья в кок и ли состоит в применении металлических материалов дляизготовления многократно используемых литейных форм, металлические частикоторых составляют их основу и формируют конфигурацию и свойства отливки.
Кокиль (рис. 2.1) обычносостоит из двух полуформ 1, плиты 2, вставок 10. Полуформы взаимноцентрируются штырями 8, и перед заливкой их соединяют замками 9. Размерырабочей полости 13 кокиля больше размеров отливки на величину усадкисплава. Полости и отверстия в отливке могут быть выполнены металлическими 11или песчаными 6 стержнями, извлекаемыми из отливки после ее затвердеванияи охлаждения до заданной температуры. Расплав заливают в кокиль черезлитниковую систему 7, выполненную в его стенках, а питание массивных
/>/>/>/>/>узлов отливки осуществляется из прибылей(питающих выпоров) 3. При заполнении кокиля расплавом воздух и газыудаляются из его рабочей полости через вентиляционные выпоры 4, пробки 5, каналы 12,образующие вентиляционную систему кокиля.
Основные элементы кокиля —полуформы, плиты, вставки, стержни т. д.— обычно изготовляют из чугуна илистали. Выше рассмотрен кокиль простой конструкции, но в практике используюткокили различных, весьма сложных конструкций.
/> Основные операциитехнологического процесса. />Перед заливкой расплава новый кокильподготовляют к работе: поверхность рабочей полости и разъем тщательно очищаютот следов загрязнений, ржавчины, масла; проверяют легкость перемещения подвижныхчастей, точность их центрирования, надежность крепления. Затем на поверхностьрабочей полости и металлических стержней наносят слой огнеупорного покрытия(рис. 2.2, а) — облицовки и краски. Состав облицовок и красок зависит в основномот заливаемого сплава, а их толщина — от требуемой скорости охлаждения отливки:чем толще слой огнеупорного покрытия, тем медленнее охлаждается отливка. Вместес тем слой огнеупорного покрытия предохраняет рабочую поверхность формы отрезкого повышения ее температуры при заливке, расплавления и схватывания сметаллом отливки. Таким образом, облицовки и краски выполняют две функции:защищают поверхность кокиля от резкого нагрева и схватывания с отливкой ипозволяют регулировать скорость охлаждения отливки, а значит, и процессы еезатвердевания, влияющие на свойства металла отливки.
Перед нанесением огнеупорногопокрытия кокиль нагревают газовыми горелками или электрическими нагревателямидо температуры 423—453 К. Краски наносят на кокиль обычно в виде воднойсуспензии через пульверизатор. Капли водной суспензии, попадая на поверхностьнагретого кокиля, испаряются, а огнеупорная составляющая ровным слоемпокрывает поверхность.
После нанесения огнеупорного покрытиякокиль нагревают до рабочей температуры, зависящей в основном от состава заливаемогосплава, толщины стенки отливки, ее размеров, требуемых свойств. Обычно температура нагревакокиля перед заливкой 473—623 К. Затем в кокиль устанавливают песчаные иликерамические стержни (рис. 2.2, б), если таковые необходимы для полученияотливки; половины кокиля соединяют (рис. 2.2, в) и скрепляют специальнымизажимами, а при установке кокиля на кокильной машине с помощью ее механизмазапирания, после чего заливают расплав в кокиль. Часто в процессе затвердеванияи охлаждения отливки, после того как отливка приобретет достаточную прочность,металлические стержни «подрывают», т. е. частично извлекают из отливки (рис.2.2, г) до ее извлечения из кокиля. Это делают для того, чтобы уменьшитьобжатие усаживающейся отливкой металлического стержня и обеспечить егоизвлечение из отливки. После охлаждения отливки до заданной температуры кокильраскрывают, окончательно извлекают металлический стержень и удаляют отливку изкокиля (рис. 2.2, д). Из отливки выбивают песчаный стержень, обрезаютлитники, прибыли, выпоры, контролируют качество отливки. Затем циклповторяется.
Перед повторением циклаосматривают рабочую поверхность кокиля, плоскость разъема. Обычно огнеупорнуюкраску наносят на рабочую поверхность кокиля 1—2 раза в смену, изредка восстанавливаяее в местах, где она отслоилась от рабочей поверхности. После этого принеобходимости, что чаще бывает при литье тонкостенных отливок или сплавов снизкой жидкотекучестью, кокиль подогревают до рабочей температуры, так как завремя извлечения отливки и окраски рабочей поверхности он охлаждается. Если жеотливка достаточно массивная, то, наоборот, кокиль может нагреваться еетеплотой до температуры большей, чем требуемая рабочая, и перед следующейзаливкой его охлаждают. Для этого в кокиле предусматривают специальные системыохлаждения,
Как видно, процесс литья вкокиль — малооперацион-н ы и. Манипуляторные операции достаточно просты икратковре-менны, а лимитирующей по продолжительности операцией являетсяохлаждение отливки в форме до заданной температуры. Практически все операциимогут быть выполнены механизмами машины или автоматической установки, чтоявляется существенным преимуществом способа, и, конечно, самое главное — исключаетсятрудоемкий и материалоемкий процесс изготовления формы: Кокиль используетсямногократно.
Особенности формирования и качествоотливок. Кокиль —металлическая форма, обладающая по сравнению с песчаной значительно большейтеплопроводностью, теплоемкостью, прочностью, практически нулевымигазопроницаемостью и газотвор-. ностью. Эти свойства материала кокиляобусловливают рассмотренные ниже особенности его взаимодействия с металломотливки.
1. Высокая эффективностьтеплового взаимодействия между отливкой и формой: расплав и затвердевающаяотливка охлаждаются в кокиле быстрее, чем в песчаной форме, т. е. при одинаковыхгидростатическом напоре и температуре заливаемого расплава заполняемость кокиляобычно хуже, чем песчаной формы. Это осложняет получение в кокилях отливокиз сплавов с пониженной жидкотекучестью и ограничивает минимальную толщинустенок и размеры отливок. Вместе с тем повышенная скорость охлажденияспособствует получению плотных отливок с мелкозернистой структурой, чтоповышает прочность и пластичность металла отливок. Однако в отливках изчугуна, получаемых в кокилях, вследствие особенностей кристаллизации частообразуются карбиды, ферритографитная эвтектика, отрицательно влияющие насвойства чугуна: снижается ударная вязкость, износостойкость, резко возрастаеттвердость в отбеленном поверхностном слое, что затрудняет обработку резаниемтаких отливок и приводит к необходимости подвергать их термической обработке (отжигу) для устранения отбела.
2. Кокиль практическинеподатлив и более интенсивно препятствует усадке отливки, что затрудняетизвлечение ее из формы, может вызвать появление внутренних напряжений, коробление и трещины в отливке.
Однако размеры рабочей полости кокилямогут быть выполнены значительно точнее, чем песчаной формы. При литье вкокиль отсутствуют погрешности, вызываемые расталкиванием модели, упругими и остаточными деформациями песчаной формы, снижающими точность ее рабочейполости и соответственно отливки. Поэтому отливки в кокилях получаются болееточными. Точность отливок в кокилях обычно соответствует 12—15-ам квалитетампо СТ СЭВ 145—75. При этом точность по 12-му квалитету возможна для размеров, расположенных в одной части формы. Точность размеров,расположенных в двух и более частях формы, а также оформляемых подвижнымичастями формы, ниже. Коэффициент точности отливок по массе достигает 0,71, чтообеспечивает возможность уменьшения припусков на обработку резанием.
3. Физико-химическоевзаимодействие металла отливки и кокиля минимально, что способствует повышениюкачества поверхности отливки. Отливки в кокиль не имеют пригара. Шероховатостьповерхности отливок определяется составами облицовок и красок, наносимыхна поверхность рабочей полости формы, и соответствует Rz = 80-10 мкм, но может быть и меньше.
4. Кокиль практическигазонепроницаем, но и газотворность его минимальна и определяется в основномсоставами огнеупорных покрытий, наносимых на поверхность рабочей полости.Однако газовые раковины в кокильных отливках — явление не редкое. Причины ихпоявления различны, но в любом случае расположение отливки в форме, способ подвода расплава и вентиляционная система должны обеспечивать удаление воздухаи газов из кокиля при заливке.
Эффективность производства и областьприменения. Эффективностьпроизводства отливок в кокиль, как, впрочем, и других способов литья, зависитот того, насколько полно и правильно инженер-литейщик использует преимуществаэтого процесса, учитывает его особенности и недостатки в условиях конкретногопроизводства.
Ниже приведены преимуществалитья в кокиль на основе
производственного опыта.
1. Повышениепроизводительности труда в результате исключения трудоемких операцийсмесеприготовления, формовки, очистки отливок от пригара. Поэтомуиспользование литья в кокили, по данным различных предприятий, позволяет в 2—3раза повысить производительность труда в литейном цехе, снизить капитальныезатраты при строительстве новых цехов и реконструкции существующих за счетсокращения требуемых производственных площадей, расходов на оборудование,очистные сооружения, увеличить съем отливок с 1 м площади цеха.
2. Повышение качества отливки,обусловленное использованием металлической формы, повышение стабильностипоказателей качества: механических свойств, структуры, плотности, шероховатости,точности размеров отливок.
3. Устранение или уменьшениеобъема- вредных для здоровья работающих операций выбивки форм, очистки отливокот пригара, их обрубки, общее оздоровление и улучшение условий труда,меньшее загрязнение окружающей среды.
4. Механизация иавтоматизация процесса изготовления отливки, обусловленная многократностью использования кокиля. При литье в кокиль устраняется сложный для автоматизации процесс изготовления литейной формы. Остаются лишьсборочные операции: установка стержней, соединение частей кокиля и ихкрепление перед заливкой, которые легко автоматизируются. Вместе с тем устраняется ряд возмущающих факторов, влияющих па качество отливок прилигье в песчаные формы, таких, как влажность, прочность, газопроницаемостьформовочной смеси, что делает процесс литья в кокиль более управляемым. Дляполучения отливок заданного качества легче осуществить автоматическоерегулирование технологических параметров процесса. Автоматизация процессапозволяет улучшить качество отливок, повысить эффективность производства,изменить характер труда литейщика-оператора, управляющего работой такихкомплексов.
Литье в кокили имеет инедостатки.
1. Высокая стоимость кокиля,сложность и трудоемкость его
изготовления.
2. Ограниченная стойкостькокиля, измеряемая числом годных отливок, которые можно получить в, данномкокиле (см. табл. 2.3). От стойкости кокиля зависит экономическая эффективностьпроцесса особенно при литье чугуна и стали, и поэтому повышение стойкостикокиля является одной из важнейших проблем технологии кокильного литья этихсплавов.
3. ложность получения отливокс поднутрениями, для выполнения которых необходимо усложнять конструкцию формы — делать дополнительные разъемы, использовать вставки, разъемныеметаллические или песчаные стержни.
4. Отрицательное влияниевысокой интенсивности охлаждения расплава в кокиле по сравнению с песчанойформой. Это ограничивает возможность получения тонкостенных протяженных отливок,а в чугунных отливках приводит к отбелу поверхностного слоя, ухудшающемуобработку резанием; вызывает необходимость термической обработки отливок.
5. Неподатливый кокильприводит к появлению в отливках напряжений, а иногда к трещинам.
Преимущества и недостаткиэтого способа определяют р а-циональную область его использования: экономическицелесообразно вследствие высокой стоимости кокилей применять этот способ литьятолько в серийном или массовом производстве. Серийность при литье чугуна должнасоставлять более 20 крупных, или более 400 мелких отливок в год, а при литьеалюминиевых — не менее 400—700 отливок в год.
Эффективность литья в кокиль обычно определяют в сравнении с литьем в песчаные формы. Экономическийэффект достигается благодаря устранению формовочной смеси, повышению качестваотливок, их точности, уменьшению припусков на обработку, снижению трудоемкостиочистки и обрубки отливок, механизации и автоматизации основных операций и, какследствие, повышению производительности и улучшению условий труда.
Таким образом, литье в кокильс полным основанием следует отнести к трудо- и материалосберегающим,малооперационным и малоотходным технологическим процессам, улучшающим условиятруда в литейных цехах и уменьшающим вредное воздействие на окружающую среду.КОКИЛИОбщие сведения
В производстве используют кокили различных конструкций.
Классификация конструкций кокилей. В зависимости от расположенияповерхности разъема кокили бывают: неразъемные (вытряхные); с вертикальнойплоскостью разъема; с горизонтальной плоскостью разъема; со сложной(комбинированной) поверхностью разъема.
Неразъемные, или вытряхные, кокили (рис.2.3) применяют в тех случаях, когда конструкция отливки позволяет удалить еевместе с литниками из полости кокиля без его разъема. Обычно эти отливки имеютдостаточно простую конфигурацию.
/>/> Кокилис вертикальной плоскостью разъема (см. рис. 2.1) состоят из двух или болееполуформ. Отливка может располагаться целиком в одной из половин кокиля, в двухполовинах кокиля, одновременно в двух половинах кокиля и в нижней плите.
/>
/>
/> Кокили с горизонтальнымразъемом (рис. 2.4) применяют преимущественно для простых по конфигурации, атакже крупногабаритных отливок, а в отдельных случаях для отливок достаточносложной конфигурации.
Кокили со сложной(комбинированной) поверхностью разъема (рис. 2.5) используют для изготовленияотливок сложной конфигурации.
По числу рабочих полостей (гнезд),определяющих возможность одновременного, с одной заливки, изготовления того илииного количества отливок, кокили разделяют на одноместные (см. рис. 2.1) имногоместные (см. рис. 2.4).
В зависимости от способаохлаждения различают кокили с воздушным (естественным и принудительным), с жидкостным(водяным, масляным) и с комбинированным (водо-воздушным и т. д.) охлаждением.Воздушное охлаждение используют для малотеплонагруженных кокилей. Водяноеохлаждение используют обычно для высокотеплонагруженных кокилей, а также дляповышения скорости охлаждения отливки или ее отдельных частей. На рис. 2.6представлен кокиль с воздушным охлаждением. Ребра на стенках кокиляувеличивают поверхность соприкосновения охладителя — воздуха — с кокилем исоответственно теплоотвод. На рис. 2.7 представлен водоохлаждаемый кокиль дляотливки барабана шахтной лебедки из высокопрочного чугуна. Вода подаетсяраздельно в обе половины кокиля, нижнюю плиту и верхнюю крышку.Элементы конструкции кокилей
Кокиль, как и любая литейнаяформа,— ответственный и точный инструмент. Технические требования к кокилямоговорены ГОСТом. Конструктивное исполнение основных элементов кокилей —полуформ, плит, металлических стержней, вставок — зависит от конфигурацииотливки, а также от того, предназначена ли форма для установки на кокильнуюмашину.
К основным конструктивным элементам кокилей относят:
/>/>
/>
/>
/>
/>
формообразующие элементы — половиныкокилей, нижние плиты (поддоны), вставки, стержни; конструктивные элементы —выталкиватели, плиты выталкивателей, запирающие механизмы, системы нагрева иохлаждения кокиля и отдельных его частей, вентиляционную систему, центрирующиештыри и втулки.
Корпус кокиля или его половинывыполняют коробчатыми, с ребрами жесткости. Ребра жесткости на тыльной,нерабочей стороне кокиля делают невысокими, толщиной 0,7—0,8 толщины стенкикокиля, сопрягая их галтелями с корпусом. Толщина стенки кокиля зависит отсостава заливаемого сплава и его температуры, размеров и толщины стенкиотливки, материала, из которого изготовляется кокиль, конструкции кокиля.Толщина стенки кокиля должна быть достаточной, чтобы обеспечить заданный режимохлаждения отливки, достаточную жесткость кокиля и минимальное его короблениепри нагреве теплотой залитого расплава, стойкость против растрескивания.
Размеры половин кокиля должныпозволять размещать его на плитах кокильной машины. Для крепления на плитахмашины кокиль имеет приливы.
Стержни в кокилях могут бытьпесчаными и металлическими.
Песчаные стержни для кокильных отливок должны обладатьпониженной газотворностью и повышенной поверхностной прочностью. Первоетребование обусловлено трудностями удаления газов из кокиля; второе —взаимодействием знаковых частей стержней с кокилем, в результате чего отдельныепесчинки могут попасть в полость кокиля и образовать засоры в отливке. Стержневыесмеси и технологические процессы изготовления песчаных стержней могут бытьразличными — по горячим ящикам (сплошные и оболочковые стержни), изхолоднотвердеющих смесей и т. д.
В любом случае использованиепесчаных стержней в кокилях вызывает необходимость организации дополнительнойтехнологической линии для изготовления стержней в кокильном цехе. Однако вконечном счете использование кокилей в комбинации с песчаными стержнями вбольшинстве случаев оправдывает себя экономически.
Металлические стержниприменяют, когда это позволяют конструкция отливки и технологические свойствасплава. Использование металлических стержней дает возможность повысить скоростьзатвердевания отливки, сократить продолжительность цикла ее изготовления, вотдельных случаях повысить механические свойства и плотность (герметичность).Однако при использовании металлических стержней возрастают напряжения вотливках, увеличивается опасность появления в них трещин из-за затрудненияусадки.
Металлические стержни,выполняющие наружные поверхности отливки, называют вкладышами (рис. 2.8, а).Вкладыши затрудняют механизацию и автоматизацию процесса, так как их уста-
/>/>
/>
навливают и удаляют вручную. Металлическиетержни, выполняющие отверстии и полости простых очертаний (рис. 2.8, б, см.рис. 2.1.) до момента полного извлечения отливки «подрывают» для уменьшенияусилия извлечения стержня. Полости более сложных очертаний выполняютсяразъемными (рис. 2.8, в) или поворотными (рис. 2.8, г) металлическимистержнями.
Для надежного извлечениястержней из отливки они должны иметь уклоны 1—5°, хорошие направляющие воизбежание перекосов, а также надежную фиксацию в форме.
Во многих случаях металлические стержниделают водоохлаж-даемыми изнутри. Водяное охлаждение стержня обычно включаютпосле образования в отливке прочной корочки. При охлаждении размеры стержнясокращаются так, что между ним и отливкой образуется зазор, который уменьшаетусилие извлечения стержня из отливки.
/>/>/> Для извлечениястержней в кокилях предусматривают винтовые, эксцентриковые, реечные,гидравлические и пневматические механизмы. Конструкции этих устройств выполняютв соответствии с действующими ГОСТами.
/> Вентиляционная система должна обеспечивать направленноевытеснение воздуха из кокиля расплавом. Для выхода воздуха используют открытыевыпоры, прибыли, зазоры по плоскости разъема
и между подвижными частями (вставками,стержнями) кокиля и специальные вентиляционные каналы: по плоскости разъемаделают газоотводные каналы / (см. Б — Б на рис. 2.9), направленные повозможности вверх. В местных углублениях формы при заполнении их расплавоммогут образовываться воздушные мешки (см. А — А). В этих местах встенке кокиля устанавливают вентиляционные пробки 2. При выборе местаустановки вентиляционных пробок необходимо учитывать последовательностьзаполнения формы расплавом.
Центрирующие элементы —контрольные штыри и втулки—предназначены для точной фиксации половин кокиля приего сборке. Обычно их количество не превышает двух. Их располагают вдиагонально расположенных углах кокиля.
Запирающие механизмыпредназначены для предотвращения раскрытия кокиля и исключения прорыварасплава по его разъему при заполнении, а также для обеспечения точностиотливок. В ручных кокилях применяют эксцентриковые, клиновые, винтовые замки идругие устройства, обеспечивающие плотное соединение частей кокиля.
Закрытие и запирание кокилей,устанавливаемых на машинах, осуществляется пневматическим или гидравлическимприводом подвижной плиты машины.
Системы нагрева и охлажденияпредназначены для поддержания заданного температурного режима кокиля. Применяютэлектрический и газовый обогрев. Первый используется для общего нагрева кокиля,второй более удобен для общего и местного нагрева. Конструкции охлаждаемыхкокилей рассмотрены выше.
Удаление отливки из кокиляосуществляется специальными механизмами. При раскрытии кокиля отливка должнаоставаться в одной из его половин, желательно в подвижной, чтобы использоватьее движение для выталкивания отливки. Поэтому выполняют на одной сторонеотливки меньшие, а на другой большие уклоны, специальные технологическиеприливы и предусматривают несимметричное расположение литниковой системы вкокиле (целиком в одной половине кокиля). При изготовлении крупных отливокдолжно быть обеспечено удаление отливки из обеих половин кокиля. Отливки изкокиля удаляются выталкивателями, которые располагают на неответственныхповерхностях отливки или литниках равномерно по периметру отливки, чтобы не былоперекоса и заклинивания ее в кокиле. Выталкиватели возвращаются в исходноеположение пружинами (небольшие кокили) или контртолкателями.Материалы для кокилей
В процессе эксплуатации вкокиле возникают значительные термические напряжения вследствие чередующихсярезких нагревов при заливке и затвердевании отливки и охлаждений при раскрытиикокиля и извлечении отливки, нанесении на рабочую поверхность огнеупорногопокрытия. Кроме знакопеременных термических напряжений под действиемпеременных температур в материале кокиля могут протекать сложные структурныеизменения, химические процессы. Поэтому материалы для кокиля, особенно для егочастей, непосредственно соприкасающихся с расплавом, должны хорошопротивостоять термической усталости, иметь высокие механические свойства иминимальные структурные превращения при температурах эксплуатации, обладатьповышенной ростоустойчивостью и окалиностойкостью, иметь минимальную диффузиюотдельных элементов при циклическом воздействии температур, хорошо обрабатываться,быть недефицитными и недорогими. Производственный опыт показывает, что длярабочих стенок кокилей достаточно полно указанным требованиям отвечают приведенныениже материалы.СЧ20, СЧ25 кокили для мелких и средних отливок из алюминиевых, магниевых, медных сплавов, чугуна; кокили с воздушным и водовоздушным охлаждением ВЧ42-12, ВЧ45-5 Кокили для мелких, средних и крупных отливок из чугунов: серого, высокопрочного, ковкого; кокили с воздушным и водовоздушным охлаждением Стали 10, 20, СтЗ, стали 15Л-П, 15ХМЛ Кокили для мелких, средних, крупных и особо крупных отливок из чугуна, стали, алюминиевых, магниевых, медных сплавов Медь и ее сплавы, легированные стали и сплавы с особыми свойствами Вставки для интенсивного охлаждения отдельных частей отливок; тонкостенные водоохлаждаемые кокили; массивные металлические стержни для отливок из различных сплавов АЛ9, АЛ11 Водоохлаждаемые кокили с анодированной поверхностью для мелких отливок из алюминиевых, медных сплавов, чугуна
Наиболее широко для изготовлениякокилей применяют серый и высокопрочный чугуны марок СЧ20, СЧ25, ВЧ42-12, таккак эти материалы в достаточной мере удовлетворяют основным требованиям исравнительно дешевы. Эти чугуны должны иметь ферритно-перлитную структуру.Графит в серых чугунах должен иметь форму мелких изолированных включений. Вэтих чугунах не допускается присутствие свободного цементита, так как принагревах кокиля происходит распад цементита с изменением объема материала, врезультате в кокиле возникают внутренние напряжения, способствующие короблению,образованию сетки разгара, снижению его стойкости. В состав таких чугунов дляповышения их стойкости вводят до 1% никеля, меди, хрома, а содержание вредныхпримесей серы и фосфора должно быть минимальным. Например, для изготовлениякокилей с высокой тепло-нагружснностью рекомендуется [14] серый чугунследующего химического состава, мае. %: 3,0—3,2 С; 1,3—1,5 Si; 0,6—0,8 Mn; 0,7—0,9 Cu; 0,3—0,7 Ni; 0,08—0,1 Ti; до 0,12 S; до 0,1 Р.
Для изготовления кокилейиспользуют низкоуглеродистые стали 10, 20, а также стали, легированные хромом имолибденом, например 15ХМЛ. Эти материалы обладают высокой пластичностью,поэтому хорошо сопротивляются растрескиванию при эксплуатации. Кокили длямелких отливок из чугуна и алюминиевых сплавов иногда изготовляют из алюминиевыхсплавов АЛ9 и АЛ11. Такие кокили анодируют, в результате чего на их рабочейповерхности образуется тугоплавкая (температура плавления около 2273 К)износостойкая пленка окислов алюминия толщиной до 0,4 мм. Высокая теплопроводностьалюминиевых стенок кокиля способствует быстрому отводу теплоты от отливки.
Таблица 2.1
Материалы для изготовления деталей кокилей
Детали кокиля Условия работы Материал Стержни, штыри, обратные толкатели, тяги Соприкасаются с жидким металлом, работают на Сталь 45 Стержни, вставки, выталкиватели с резкими переходами в сечениях истирание Оформляют глубокие полости отливок и находятся под действием высоких температур ЗОХГС, 35ХГСА, 35ХНМ, 4Х5МФС Выталкиватели Испытывают ударные нагрузки У8А; У10А Оси, валы, эксцентрики Работают на истирание Сталь 25*
* Подвергают цементации.
Эти кокили обычно делают водоохлаждаемыми.Медь также часто используют для изготовления рабочих стенок водоохлаждаемыхкокилей. Из меди делают отдельные вставки, вкладыши в местах, где необходимоускорять теплоотвод от отливки и тем самым управлять процессом еезатвердевания.
Стержни простой конфигурацииизготовляют из конструкционных углеродистых сталей, а сложной конфигурации —из легированных сталей, для прочих деталей — осей, валов, болтов и т. д.—используют конструкционные стали (табл. 2.1).Изготовление кокилей
Кокили небольших размеров длямелких отливок из алюминиевых, магниевых, цинковых, оловянных сплавовизготовляют литыми из чугуна, а также часто из поковок обработкой резанием сэлектрофизической и электрохимической обработкой рабочих полостей. Болеекрупные кокили — выполняют литыми. При отливке рабочихстенок кокилей особое внимание обращают на то, чтобы заготовки не имеливнутренних напряжений, что обеспечивается технологией литья, а также.снижениемуровня остаточных напряжений соответствующей термической обработкой.
Желательно выполнять литуюзаготовку кокиля такой, чтобы не требовалось обработки резанием рабочих полостей,в крайнем случае производилась бы их зачистка. Это обеспечивает снижениестоимости кокиля и повышение стойкости рабочей поверхности к появлению сеткиразгарных трещин при эксплуатации.
Однако решить эту задачутрудно, особенно если конфигурация рабочей полости сложная. Поэтому литыенеобработанные кокили применяют для отливок несложной конфигурации. Рабочуюполость кокиля выполняют стержнями, которые для получения чистой поверхностикокиля, без пригара, обязательно окрашивают или натирают противопригарнымипастами. Без окраски используют лишь стержни, получаемые по нагреваемойоснастке из смесей со связующим ПК-104, а также стержни из песков зернистостине выше 016, стержни из цирконовых песков.
Для получения литых кокилей из сталииспользуют СО2 — процесс, а также керамические формы,изготовляемые по постоянным моделям [11]. Последний способ позволяет получатьрабочие полости кокилей сложной конфигурации без обработки резанием. Точностьразмеров рабочих полостей в этом случае достигает 12 — 14-го квалитетов по СТСЭВ 145—75, а шероховатость поверхности
Rz = 40÷10 мкм по ГОСТ 2789—73. Использование керамическихформ для изготовления рабочих стенок кокилей позволяет снизить объем обработкирезанием на 50—60%.
Литые заготовки стальныхкокилей после отливки подвергают термической обработке — нормализации.Термическую обработку стальных водоохлаждаемых кокилей проводят после приваркик ним кожухов и коробок для подачи жидкости, так как при сварке в конструкциинеизбежно возникнут внутренние напряжения, которые могут привести к короблениюкокиля при эксплуатации.
Для стабилизации размеров иформы стальные кокили перед окончательной обработкой резанием подвергаютстарению по режиму: нагрев до 773—873 К, выдержка 2 ч на каждые 25 мм толщиныстенки, охлаждение с ночью до 473— 573 К и далее на воздухе. Используют также«тренировку» — циклическую термическую обработку: в печь, нагретую до 1173 К,помещают кокиль и нагревают до 573 К, затем охлаждают обдувкой воздуха. Этотцикл повторяют 3—4 раза. Стареыие и циклическую термическую обработку поуказанным режимам используют также и для чугунных заготовок кокилей.Стойкость кокилей и пути ее повышения
Стойкость кокилей измеряетсячислом отливок требуемого, качества, полученных в данном кокиле до выхода его изстроя. Приблизительная стойкость кокилей приведена в табл. 2.2.
Увеличение стойкости кокиля при литьечугуна, стали, медных сплавов позволяет повысить эффективность производстваотливок благодаря снижению затрат на изготовление кокиля, расширить область примененияэтого перспективного технологического процесса.
Таблица 2.2
Приблизительная стойкость кокилейЗаливаемый сплав Отливки
Материал
кокиля Стойкость кокиля (число отливок) Медные Мелкие Средние Чугун 1000—10000 1000—8000 Мелкие Средние Сталь 1 000— 1 500 500 — 3000 Алюминиевые, магниевые, цинковые Мелкие Средние Крупные Чугун Сотни тысяч Десятки тысяч Несколько тысяч
Основной причиной разрушения кокиля являются сложныетермохимические процессы, вызываемые неравномерным циклическим нагревом иохлаждением рабочей стенки кокиля во всех трех ее измерениях (по толщине,длине, ширине). Это приводит к появлению неоднородного, изменяющегося сизменением температуры поля напряжений в стенке кокиля, вызывающего ее упругиеи пластические деформации. Последние приводят к остаточным деформациям инапряжениям. Теоретически показано, что в поверхностном слое кокилянереализованная термическая деформация обычно в 2 раза превосходит деформацию,соответствующую пределу текучести материалов при определенной температуре.Поэтому в каждом цикле нагружения (заливка — выбивка) деформация сжатиясменяется деформацией растяжения, что приводит к термической усталостиматериала кокиля. Термические напряжения возникают также вследствие структурныхпревращений и роста зерна материала кокиля, протекающих тем интенсивнее, чемвыше температура его нагрева.
Способность кокиля выдерживатьтермические напряжения зависит от механических свойств его материала притемпературах работы кокиля. Эти свойства резко снижаются при нагреве. Напри-:мер, предел текучести стали 15 при нагреве до 900 К уменьшается в 3 раза.
Уровень возникающих в кокиленапряжений зависит также от конструкции кокиля — толщины его стенки,конструкции ребер жесткости и т. д. Например, тонкие ребра жесткости большойвысоты приводят к появлению трещин на рабочей поверхности кокиля, а низкиеребра могут не обеспечить жесткость кокиля и привести к короблению.
Стойкость кокилей обеспечивается конструктивными, технологическимии эксплуатационными методами.
Конструктивные методы основаны направильном выборе материалов для кокилей в зависимости от преобладающего видаразрушения, разработки рациональной конструкции кокиля.
/> Термические напряжения,приводящие к снижению стойкости кокиля, являются следствием нереализованнойтермической деформации: менее нагретые части кокиля (слои рабочей стенки,прилегающие к внешней нерабочей поверхности, ребра жесткости) препятствуютрасширению нагревающейся металлом отливки части кокиля. Уменьшить напряжениявозможно, если термическая деформация нагретой части происходитбеспрепятственно. Этого можно достичь, если расчленить рабочую стенку кокиля наотдельные элементы (вставки) в продольном (рис. 2.10, 6) или поперечном (рис.2.10, а) направлениях. Тогда вследствие зазоров между элементами кокиля каждыйиз них при нагреве расширяется свободно.
/> Для повышения стойкостикокилей используют сменные вставки 1, оформляющие рабочую полостькокиля (рис. 2.10, в). Благодаря зазорам между корпусом 2 и вставкой 1термическая деформация вставки протекает свободно, возникающие в ней напряженияснижаются, стойкость кокиля возрастает. Наиболее эффективно использованиесменных вставок в многоместных кокилях.
Технологические методынаправлены на повышение стойкости поверхностного слоя рабочей полости, имеющегонаибольшую температуру при работе кокиля. Для этого используют армирование,поверхностное легирование, алитирование, силицирование, термическую обработкуразличных видов, наплавку, напыление на рабочую поверхность материалов,повышающих стойкость кокиля. Каждый из этих способов предназначен для повышениястойкости кокиля к разрушениям определенного вида.
/> Эксплуатационные методыповышения стойкости кокилей основаны на строгой регламентации температурногорежима кокиля, зависящего от температуры кокиля перед заливкой, температурызаливаемого металла, состава, свойств и состояния огнеупорного покрытия на егорабочей поверхности, темпа />(частоты заливок) работы кокиля. Передзаливкой кокиль нагревают или охлаждают (если он был нагрет) до оптимальной дляданного сплава и отливки температуры TФ (см. табл. 2.4). Начальная температура Тфкокиля зависит от темпа работы кокиля (рис. 2.11). При повышении темпаработы сокращается продолжительность tц цикла, в основном вследствие уменьшениявремени t3anот выбивки отливки из кокиля до следующейзаливки. Это приводит к тому, что в момент заливки кокиль имеет температурунесколько выше требуемой (рис. 2.11, а), С увеличением Ц кокиля уменьшаетсяразность температур АГФ — Тюл — Тф исоответственно уменьшаются остаточные напряжения в кокилях изупруго-пластических материалов. Вместе с тем повышение Гфспособствует интенсификации коррозии, структурных превращений и другихпроцессов в материале кокиля, что снижает его стойкость.
/> При уменьшении темпа работы(рис. 2.11,6) продолжительность цикла возрастает также из-за увеличениявремени t3an. Это приведет к тому, что перед очередной заливкой температура Т’фбудет ниже заданной, соответственно возрастет разность температур АГФи увеличатся остаточные напряжения в кокиле, его стойкость понизится.Производственные данные показывают (рис. 2.12), что для данного конкретногококиля существует оптимальный темп работы т, при котором стойкость его &залнаибольшая.
На стойкость кокиля оказываетвлияние температура заливаемого металла Гзал. Повышение температурыметалла выше требуемой по технологии для данной отливки приводит к снижениюстойкости кокиля и ухудшению качества отливки — усадочным раковинам, рыхлотам,трещинам.
/> Стойкость кокиля может бытьповышена при надлежащем уходе за ним при эксплуатации. Это обеспечиваетсясистемой планово-предупредительного ремонта (ППР).ТЕХНОЛОГИЯ ЛИТЬЯ В КОКИЛЬТехнологические режимы литья
Почти всегда, за исключениемособых случаев, требуемое качество отливки достигается при условии, еслилитейная форма заполнена расплавом без неспаев, газовых и неметаллическихвключений в отливке, а при затвердевании в отливке не образовалось усадочныхдефектов — раковин, пористости, трещин — и ее структура и механические свойстваотвечают заданным. Из теории формирования отливки известно, что эти условиядостижения качества во многом зависят от того, насколько данный технологическийпрооцесс обеспечивает выполнение одного из общих принципов получениякачественной отливки — ее направленное затвердеание и питание. Направленноезатвердевание и питание усадки отливки обеспечивается комплексом мероприятий:рациональной конструкцией отливки, ее расположением в форме, конструкцией ЛПС,технологическими режимами литья, конструкцией и свойствами материала формы и т.д., назначаемых технологом с учетом свойств сплава и особенностей взаимодействияформы с расплавом. Напомним, что при литье в кокиль главная из этихособенностей — высокая интенсивность охлаждения расплава и отливки. Этозатрудняет заполнение формы расплавом, ускоряет охлаждение его в форме, что невсегда благоприятно влияет на качество отливок, особенно чугунных.
/> Интенсивность тепловоговзаимодействия между кокилем и расплавом или отливкой возможно регулировать вшироких пределах. Обычно это достигается созданием определенного термическогосопротивления на границе контакта отливки 1 (расплав) — рабочаяповерхность полости кокиля 2 (рис. 2.13). Для этого на поверхностиполости кокиля наносят слой 3 огнеупорной облицовки и краски (табл.2.3). Благодаря меньшей по сравнению с металлом кокиля теплопроводности λкрогнеупорного покрытия между отливкой и кокилем возникает термическоесопротивление переносу теплоты:
/>,
где/> — коэффициент тепловой проводимостиогнеупорного покрытия- /> — толщина слоя огнеупорного покрытия.
/>Огнеупорное покрытие уменьшает скорость qотвода теплоты от расплава и отливки, зависящую от тепловой проводимости огнеупорного покрытия и разности междутемпературой /> поверхности отливки и температуры /> поверхности кокиля:
/>.
Величины /> и λкр возможно изменять в самых широких пределах,регулируя коэффициент тепловой проводимости огнеупорного покрытия исоответственно скорость охлаждения отливки, а следовательно, ее структуру,плотность, механические свойства.
Таблица 2.3
Составы огнеупорных покрытий (красок)кокилемНазначение Компоненты Содержание, мас.% Коэффициент теплопроводности, Вт/ (.ч -К) Для отливок из алюми- ниевых сплавок 1 Окись цинка 15 0,41 Асбест прокаленный (пудра) 5 /> /> /> /> /> Жидкое стекло 3 /> /> Вода 77 /> /> 2. * Асбест прокаленный 8.7 0,27 /> Мел молотый 17,5 /> /> Жидкое стекло 3,5 /> /> Вода 70,3 /> Для отливок id магние- 3. Тальк 18 0,39 вых сплавок Борная кислота 2,5 /> /> Жидкое стекло 2,5 /> /> Вода 77 /> Для отливок из чугуна 4. Пылевидный кварц 10— 15 0,58 /> Жидкое стекло 3 — 5 /> /> Вода 87—80 /> /> 5. * Молотый шамот 40 0,25 /> Жидкое стекло 6 /> /> Вода 54 /> /> Марганцевокйслый ка- /> /> /> лий 0,05 % (сверх 100 %) /> /> Для отливок из стали 6. Огнеупорная составляю- 30 —40 0,3 /> щая (циркон, карбооунд, /> /> /> окись хрома) /> /> /> Жидкое стекло 5 — 9 /> /> Борная кислота 0,7—0,8 /> /> Вода
Остальное до плотно-
сти 1,1-1,22 г/см3 />
* Составы применяют для покрытия поверхности литниковых каналов ивыпоров.
В соответствии с необходимой скоростьюотвода теплоты от различных мест отливки толщину /> и теплопроводность λкр огнеупорногопокрытия можно делать разными в различных частях кокиля, создавая условия длянаправленного затвердевания отливки, регулируя скорость ее охлаждения вотдельных местах.
Огнеупорное покрытие уменьшает скорость нагрева рабочейповерхности кокиля; благодаря термическому сопротивлению огнеупорного покрытиятемпература рабочей поверхности будет ниже, чем без покрытия. Это снижаетразность температур по толщине кокиля, уменьшает температурные напряжения в неми повышает его стойкость.
Огнеупорное покрытие на поверхности кокилядолжно иметь заданную теплопроводность, хорошо наноситься и удерживаться наповерхности формы, противостоять резким колебаниям температуры, не выделятьгазов при нагреве, способных растворяться в отливке или создавать на ееповерхности газовые раковины. Покрытия приготовляют из огнеупорных материалов,связующих, активизаторов и стабилизаторов (см. табл. 2.3).
В качестве огнеупорных материаловприменяют пылевидный кварц, шамотный порошок, окислы и карбиды металлов,тальк, графит, асбест. Связующие для покрытий — жидкое стекло, огнеупорнаяглина, сульфитный щелок.
Активизаторы применяют для улучшениясхватывания с поверхностью кокиля. В качестве активизаторов используют дляшамотных и асбестовых покрытий буру (Na2B4O7* lOH2O) и борную кислоту (Н3ВO4); длямаршалитовых — кремнефто-ристый натрий (Na2SiF6), для тальковых — буру, борную кислоту или марганцевокислыйкалий. Перед приготовлением огнеупорные материалы просеивают через сито 016—01.
Стабилизаторы применяют для того, чтобыуменьшить седиментацию огнеупорных составляющих покрытия. Чаще всего этоповерхностно-активные вещества ОП5, ОП7.
При литье в кокиль чугуна для устраненияотбела в отливках на огнеупорное покрытие наносят копоть (сажу) ацетиленовогопламени.
Толщину слоя огнеупорного покрытия контролируютизмерительными пластинами, проволочками, прямым измерением, электроконтактнымспособом. При прямом измерении толщину слоя облицовки определяют микрометром(рис. 2.14): измеряют расстояние от базовой поверхности 1 до поверхностей 2и 3, соответственно не покрытой и покрытой облицовкой. Разностьдает толщину слоя облицовки.
Схемараспределения температур в системе отливка — покрытие — форма практическиреализуется только для поверхностей отливки, которые при усадке образуютплотный контакт с кокилем, между охватываемыми поверхностями отливки и кокилемобразуется зазор, изменяющийся по мере усадки отливки. Этот зазор заполненвоздухом и газами, выделяющимися из покрытия. Образование зазора приводит кувеличению термического сопротивления переносу теплоты от отливки в кокиль.Поэтому со стороны внутренних стенок отливка охлаждается интенсивнее, чем состороны внешних. В результате смещается зона образования осевой пористостиотливки к наружной ее стенке, что следует учитывать при разработке системыпитания усадки отливки.
Рассмотренноеявление используют для устранения отбела в поверхностных случаях чугунныхотливок. Для этого после образо/>вания в отливке твердой корочки достаточной прочностикокиль слегка раскрывают гак чтобы между поверхностями отливки и кокиляобразовался воздушный зазор. Тогда теплота затвердевания внутренних слоевотливки, проходя через затвердевающую наружную корку, разогревает ее и врезультате происходит «самоотжиг» отливки — она не имеет отбела.
/> Скорость отвода теплоты от расплава иотливки зависит от разницы между температурами поверхностей отливки Т0и кокиля ТпС повышением температуры заливаемого расплававозрастает температура То и скорость отвода теплоты от отливки; с повышениемтемпературы Тnскоростьотвода теплоты от отливки уменьшается. Поэтому на практике широко используютрегулирование скорости отвода теплоты от расплава и отливки, изменяя температурызаливаемого сплава или кокиля перед заливкой. Однако чрезмерное снижениетемпературы заливаемого сплава приводит к ухудшению заполняемости кокиля.Повышение температуры кокиля увеличивает опасность приваривания отливки ккокилю, особенно при литье чугуна и стали, снижает стойкость кокиля.
Практически установлено, что оптимальнаятемпература кокиля перед заливкой зависит от заливаемого сплава, толщиныстенки отливки и ее конфигурации (табл. 2.4).
Температура заливки расплава в кокильзависит от его химического состава, толщины стенки отливки, способа ее питанияпри затвердевании. Оптимальные температуры заливки в кокиль различных сплавовприведены ниже.Особенности изготовления отливок из различныхсплавов
Технологические режимы изготовления отливок из различных сплавовобусловлены их литейными свойствами, конструкцией отливок и требованиями,предъявляемыми к их качеству.
Таблица 2.4
Температура нагрева кокилей перед заливкойСплавы Отливки Толщина стенки отливок, мм Температура нагрева кокиля, К Алюминиевые Тонкостенные, ребристые 1,6—2,1 673—693 /> Ребристые, корпусные 5—10 623—673 /> Простые, без ребер 8 523—623 473—523 Магниевые Тонкостенные, сложные /> 623—670 Медные Толстостенные Средней сложности 5—10 523—620 393—473 Отливки из алюминиевых сплавов
Литейные свойства. Согласно ГОСТу литейные алюминиевые сплавыразделены на пять групп. Наилучшими литейными свойствами обладают сплавы I группы — силумины. Они имеют хорошую жидкотекучесть,небольшую (0,9—1%) линейную усадку, стойки к образованию трещин, достаточногерметичны. Это сплавы марок АЛ2, АЛ4, АЛ9, их широко используют впроизводстве. Однако они склонны к образованию грубой крупнозернистой эвтектикив структуре отливки и растворению газов.
При литье силуминов в кокиль структураотливок вследствие высокой скорости кристаллизации получается мелкозернистой.Основной недостаток сплавов I группы прилитье в кокиль — склонность к образованию рассеянной газовой пористости в отливках.
Сплавы II группы (медистые силумины) также нередко отливают в кокиль. Этисплавы обладают достаточно хорошими литейными свойствами и более высокойпрочностью, чем силумины, менее склонны к образованию газовой пористости вотливках.
Сплавы III — V групп имеют худшие литейные свойства —пониженную жидкотекучесть, повышенную усадку (до 1,3%), склонны к образованиютрещин, рыхлот и пористости в отливках. Получение отливок из этих сплавовтребует строгого соблюдения технологических режимов, обеспечения хорошегозаполнения формы, питания отливок при затвердевании.
Все литейные алюминиевые сплавы в жидкомсостоянии интенсивно растворяют газы и окисляются. При затвердевании сплавагазы выделяются из раствора и образуют газовую и газоусадочную пористость,которая снижает механические свойства и герметичность отливок. Образующаяся наповерхности расплава пленка окислов при заполнении формы может разрушаться ипопадать в тело отливки, снижая ее механические свойства и герметичность. Привысоких скоростях движения расплава в литниковой системе пленка окислов,перемешиваясь с воздухом, образует пену, попадание которой в полость формыприводит к дефектам в теле отливок.
Влияние кокиля на свойства отливок. Интенсивное охлаждение расплава и отливкив кокиле увеличивает скорость ее затвердевания, что благоприятно влияет наструктуру — измельчается зерно твердого раствора, эвтектики и вторичных фаз.Структура силуминов, отлитых в кокиль, близка к структуре модифицированныхсплавов; снижается опасность появления газовой и газоусадочной пористости,уменьшается вредное влияние железа и других примесей. Это позволяет допускатьбольшее содержание железа в алюминиевых отливках, получаемых в кокилях, посравнению с отливками в песчаные формы. Все это способствует повышениюмеханических свойств отливок, их герметичности.
Кокили для литья алюминиевых сплавовприменяют массивные, толстостенные. Такие кокили имеют высокую стойкость ибольшую тепловую инерцию: после нагрева до рабочей температуры они охлаждаютсямедленно. Это позволяет с большей точностью поддерживать температурный режимлитья и получать тонкостенные отливки. Для отливок сложной конфигурации используюткокили, имеющие системы нагрева или охлаждения отдельных частей. Это даетвозможность обеспечить направленное затвердевание и питание отливок. Дляполучения точных отливок рабочую полость кокиля обычно выполняют обработкойрезанием.
Положение отливки в форме должноспособствовать ее направленному затвердеванию: топкие части отливки располагаютвнизу, а массивные вверху, устанавливая на них прибыли и питающие выпоры.
Литниковая система должна обеспечивать спокойное, плавное поступление расплавав полость формы, надежное улавливание окисных плен, шлаковых включений ипредотвратить их образование в каналах литниковой системы и полости кокиля,способствовать направленному затвердеванию и питанию массивных узлов отливки.
Используют литниковые системы с подводомрасплава сверху, снизу, сбоку, комбинированные и ярусные (рис. 2.15, а).
Литниковые системы с верхним подводом используютдля невысоких отливок типа втулок и колец (I, 1—3). Такие литниковые системы просты, позволяют достичьвысокого коэффициента выхода годного. Заливка с кантовкой кокилей с такойлитниковой системой обеспечивает плавное заполнение формы и способствуетнаправленному затвердеванию отливок.
Литниковые системы с подводом расплаваснизу используют для отливок корпусов, высоких втулок, крышек (II, 1—3). Для уменьшения скорости входа расплава в форму стояк делаютзигзагообразным (II, 1), наклонным (II,2). Для задержания шлакаустанавливают шлакозадерживающие бобышки Б (II, 1); дляудаления первых охлажденных порций расплава, содержащих шлаковые включения,используют промывники П (II3).
Литниковые системы с подводом расплав, асбоку через щелевой литник (III, 1—3),предложенные акад. А. А.Бочваром и проф. А. Г. Спасским, сохраняют основные преимущества сифоннойзаливки и способствуют направленному затвердеванию Отливки. На практикеиспользуют несколько вариантов таких систем. Стояки выполняют также наклоннымиили сложной формы, так называемые гусиные шейки. Эти стояки снижают скорость,исключают захват воздуха, образование шла ков и пены в литниковой системе,обеспечивают плавное заполнение формы расплавом. При заливке крупных отливокобязательным элементом литниковой системы является вертикальный канал,являющийся коллектором.I
/>1
/>2
/> II
/>1
/>2
/>3 III
/>1
/>2
/>3 IV
/>1
/>2
/>3 V
/>1
/>2
/>3
/>/>
Расплав (рис. 2.15,6) из чаши / поступаетв зигзагообразный стояк 2, а из него — в вертикальный канал 3 — колодец— и вертикальный щелевой питатель 4, Соотношение площадей поперечныхсечений элементов литниковой системы подбирают так, чтобы уровень расплава вформе во время ее заполнения был ниже уровня в канале 3; верхние порциирасплава должны сливаться в форму и замещаться более горячим расплавом. Размерыканала 3 и питателя 4 назначают сообразно с толщиной стенкиотливки 5; чтобы избежать усадочных дефектов в отливке, расплав в канале 3 ипитателе 4 должен затвердевать позже отливки. Недостаток литниковойсистемы — большой расход металла на литники и сложность отделения их ототливки.
Литниковые системы с комбинированным подводомиспользуют для сложных отливок (см. рис. 2.15, а IV, 1—3). Нижний питатель способствует спокойному заполнению формы, аверхний подает наиболее горячий расплав под прибыль, улучшая ее питающеедействие.
Ярусные литниковые системы используют дляулучшения заполнения формы тонкостенных сложных или мелких отливок (V, 1—3).
Размеры элементов литниковых систем дляотливок из алюминиевых и магниевых сплавов определяют, исходя из следующихположений: значения критерия Reдляразличных элементов литниковой системы (стояка, коллектора, питателей) недолжны превосходить гарантирующих минимальное попадание окислов инеметаллических включений в форму вследствие нарушении сплошности; скоростьдвижения расплава в форме должна обеспечить ее заполнение без образования вотливке неслитин и спаев.
Ниже приведены максимальные допустимыезначения критерия Re= ud/vдля различных элементов литниковых систем, по данным Н. М. Галдинаи Е. Б. Ноткина [8]:
Стояк
Коллектор
Питатели
Форма:
простая .
сложная
43500—48300
28000—33800
7800—5300
2600—1350
780
Из приведенных данных следует, что дляполучения качественных отливок скорость движения расплава должна убывать от сечения стояка к питателю. Поэтому для отливок из алюми ниевыхсплавов применяют расширяющиеся литниковые системы с соотношением
fc:fк:fп=l:2:3 или1:2:4, (2.1)
где fc, fк, fn — площади поперечного сечения стояка,коллектора, питателя соответственно.
Для крупных (50—70 кг) и высоких (750 мм) отливок fc:fк:fп=1:3:4 или 1:3:5.
Для определения среднего значенияминимально допустимой скорости подъема расплава в форме ифиспользуют различные теоретические и экспериментальные зависимости,учитывающие химический состав сплава, конфигурацию отливки, температуру формы исплава и т. д. Наиболее простой, но достаточно точной, является зависимость,установленная А. А. Лебедевым [8],
uф =(3,0÷4,2)/lo, (2.2)
где uф — начальная скорость подъема расплава вформе, см/с; lо — характерная толщина стенки отливки,см; при отношении Hо/lоHо/lо>50 — большие его значения; Н0— высотаотливки без прибылей и выпоров.
При литье мелких и средних отливок вкокиль площадь поперечного сечения стояка определяют по формуле
/>(3,0÷4,2)/>, (2.3)
где G— масса отливки, г; /> — плотность сплава, /> – скорость движения расплава в узком сечении стояка, см/с.
Скорость /> определяют по формуле />, где расчетный напор, определяют по известным формулам [4]; /> —коэффициент расхода, принимают [4]: /> = 0,65÷0,76 для нижнего подвода; /> ==0,7÷0,8 для ярусной системы; /> =0,56÷0,67 для комбинированного способа подвода. Меньшие значения /> принимают для пониженных температур заливки.
Определив по формуле (2.3) />, по соотношению (2.1) находят площади поперечного сеченияостальных элементов литниковой системы. В кокиле выполняют каналы литниковойсистемы в соответствии с минимальными расчетными размерами, которые придоводке технологии отливки в случае необходимости увеличивают.
При литье крупных, сложных отливок дляопределения размеров литниковой системы пользуются специальными методами [8].
Технологические режимы литья назначают в зависимости от свойств сплава,конфигурации отливки и предъявляемых к ней требований.
Состав и толщину слоя краски наповерхности рабочей полости кокиля назначают в соответствии с рекомендациямитабл. 2.3. Для регулирования скорости отвода теплоты от различных частейотливки толщину и свойства огнеупорных покрытий в разных частях кокиля частоделают различными. Для1 окраски в этом случае используют трафареты.Поверхности каналов литниковой системы покрывают более толстым слоем красок спониженной теплопроводностью, а поверхности прибыльных частей иногда оклеиваюттонколистовым асбестом (клеем служит жидкое стекло).
Температуру нагрева кокиля перед заливкойприни-мают, руководствуясь данными табл. 2.4.
Температурузаливки расплава в кокильназначают в зависимости от химического состава сплава, толщины стенки отливки иее размеров. Для силуминов типа АЛ2, АЛ4, АЛ9 ее принимают равной 973—4023 К,для широкоинтервальных сплавов типа АЛ 19, обладающих пониженнойжидкотекучестью,— равной 993—1043 К.
Продолжительность выдержки отливки в кокиленазначают с учетом ее размеров и массы. Обычно отливки охлаждают в форме дотемпературы 650 К. Продолжительность охлаждения отливки до температуры выбивкиопределяют расчетом по известным формулам [2, 14] и окончательно корректируютпри доводке технологического процесса.Отливки из магниевых сплавов
Литейные свойства. Магниевые литейные сплавы по сравнению салюминиевыми обладают худшими литейными свойствами: пониженной жидкотекучестью,большой (1,2—1,5%) усадкой, склонностью к образованию горячих трещин, пониженнойгерметичностью, высокой склонностью к окислению в жидком и твердом состоянии,способностью воспламеняться в жидком состоянии. Магниевые сплавы имеют большойинтервал кристаллизации, склонны к растворению газов и поэтому в отливках частообразуются микрорыхлоты. Отливки нз магниевых сплавов склонны к короблению призатвердевании и термической обработке.
Наибольшее применение для литья в кокильнашли сплавы МЛ5 (системы Mg — А1 — Zn), МЛ6 (системы Mg — Al — Zn), МЛ12 (системы Mg — Zn — Zr) МЛ10 (Mg — Nd — Zr).
Влияние кокиля на свойства отливок. Кокиль практически не вступает вхимическое взаимодействие с магниевым расплавом, что уменьшает окисляемостьсплава, улучшает качество отливок. Пониженная жидкотекучесть сплавов вызываетнеобходимость заливать их в кокили при повышенной температуре, особенно приизготовлении тонкостенных отливок. Это приводит к повышению окисляемостисплава, вероятности попадания окислов в отливку, увеличению размеров зерна вструктуре, ухудшению механических свойств отливки.
Для предотвращения горячих трещин вотливках, обусловленных повышенной усадкой сплавов, необходимо осуществлять«подрыв» неподатливых металлических стержней или использовать песчаныестержни; модифицирование сплавов церием и висмутом повышает трещиноустойчивостьсплавов.
Положение отливки измагниевого сплава в кокиле имеет особенно важное значение для направленного еезатвердевания и питания. Для питания отливки обязательно используют прямые илиотводные прибыли; для лучшей их работы прибыли выполняют в стержневых,асбестовых или керамических вставках.
Литниковые системы для магниевых сплавоврасширяющиеся: fc:fк:fп= 1:2:3. Для крупных и сложных отливок fc:fк:fп = 1:4:6.
Размеры элементов литниковыхсистем определяют, пользуясь формулами. (2.1), (2.3) и зависимостямикоэффициентов расхода, приведенными выше. Объем прямой или отводной прибылиопределяют из соотношения Vпр=(2-2,5) Vп.о, где Vп.о— объем питаемого узла отливки. Способы подвода расплава в кокиль и конструкциилитниковых систем такие же как и для алюминиевых сплавов (см. рис. 2.15).Особое внимание следует обращать на рассредоточенный подвод расплава в рабочуюполость. Этовызвано пониженной жидкотекучестью магниевых сплавов и ихмалой теплопроводностью. Последнее свойство при сосредоточенном подводеприводит к замедленному охлаждению отлпвки в месте подвода питателя иобразованию в эгом месте усадочных дефектов — пористости, рыхлот, трещин.
Технологические режимы литьямагнеевых сплавов в кокиль назначают с учетом их литейных свойств, конфигурацииотливки и предьявляемых к ней требований.
Состав и толщину краскирабочей полости кокиля принимают но рекомендациям табл. 2.3. Дляустранения окисления и загорания сплава при заливке рекомендуется покрыватьпо-верхность кокиля и кромки заливочной чаши серным цветом, кото-рый сгорая,создает защитную среду вокруг отливки.
Температуру нагрева кокиляперед залинкой назна-чают впределах указанных в табл. 2.4.
Температура заливки магниевыхсплавов зависит от химического состава, но обычно на 100- 150 К выше линии ликвидна,что вызвано их пониженной жидкотекучестью. Обычно температура заливкисоставляет 1000– 1020 К для тонкостенных отливок и 950-980 К для массивных,толстостенныхОтливки из медных сплавов
Литейные свойства. Литьем в кокиль изготовляют отливки излатуней, бронз, а также чистой меди.
Латуии имеют обычно небольшой интервалкристаллизации, хорошую жндкотекучесть, но большую усадку; 1,5—2,5% взави-симости от химического состава. Латуни мало склонны к образованиюусадочной пористости, но, как и все медные сплавы, интенсивно, растворяютводород, особенно кремнистые латуни, отливки из которых часто поражаютсягазовой пористостью.
Бронзы оловянные имеют высокуюжидкотекучесть, повышенную усадку (1.4—1,6%), большой интервал кристаллизации,а потому и повышенную склонность к образованию усадочной пористости в отливках.Алюминиевые бронзы имеют небольшой интервал кристаллизации, большую усадку(1,7—2,5%); отливки нз них получаются плотными, но они склонны к образованиюокисных плен из-за повышенной окисляемости содержащегося в них алюминия.Плены, попадающие в отливку, снижают ее механические свойства и герметичность.Кремнистые бронзы, аналогично кремнистым латупям, склонны к образованию газовойпористости.
Свинцовые бронзы склонны к ликвации,ухудшающей свойства отливок.
Чистая медь имеет низкуюжидкотекучесть, высокую усадку (1,8—2%), интенсивно растворяет газы, которыепри затвердев а ни и отливки образуют газовую пористость и раковины в ней. Приплавке мель интенсивно окисляется. Окислы меди ухудшают ее литейные свойства, атакже механические свойства и электропроводность отливок.
Влияние кокиля на качество отливок. Высокая скорость охлаждения изатвердевания при литье в кокиль благоприятно влияет на качество отливок: повышаютсяих механические свойства, герметичность, плотность, улучшается структура.Повышение скорости охлаждения способствует приближению характера затвердеванияширокоинтервальных сплавов к последовательному. Поэтому, например, отливки изоловянных бронз в кокиль имеют большую плотность, чем при литье в песчаныеформы. Отлнвки из кремнистых латуне.й и бронз меньше поражены газовой пористостью,так как высокая скорость охлаждения расплава препятствует выделению газов израствора. Повышенная скорость затвердевания отливок из свинцовых бронзуменьшает ликвацию, способствует измельчению включений свинца, что повышает антифрикционныйсвойства отливок.
Отливки из медных сплавов прилитье в кокиль часто поражены трещинами, так к.а-к кокиль неподатлив. Это затрудняетполучение в кокилях сложных тонкостенных отливок. Главная мера -предупрежденияэтих дефектов — хорошее раскисление и рафинирование сплавов — освобождение ихот окислов, сильно влияющих на трещйноустойчивость сплавов, а также созданиеусловий для направленного затвердевания и питания отливки.
/>/> Положениеотливки в кокиле должно обеспечивать направленное затвердевание.и питание еепри усадке. Поэтому располагают массивные ее части вверху и на нихустанавливают прибыли.
Литниковая система (рис. 2.16,)для медных сплавов должна обеспечивать плавное заполнение формы и питатьотливку в процессе ее затвердевания. Поэтому литники делают большого сечения,одновременно выполняющими функции прибылей. Между стояком и питателемустанавливают питающие бобышки Б, , в кр-торых происходит такжечастичное шлакозадержание. Для отливок из алюминиевых, марганцевых икремнистых бронз используют нижний подвод расплава через зигзагообразные инаклонные стояки (рис. 2.16, б, в), шлакоуловители и плоскиещелевидные питатели. Тонкостенные мелкие отливки заливают сверху (рис. 2.16,а), обычно с подводом расплава в питающую бобышку Б. Для отливок измедных сплавов применяют как расширяющиеся, так и суживающиеся литниковыесистемы. Для сплавов, склонных к образованию плен (алюминиевых, марганцевыхбронз), используют расширяющиеся литниковые системы (fп:fл.х:fс=3:2: 1), а для латуни — суживающиеся (fп:fл.х:fс=1:2,5: 3,5).
Размеры элементов литниковойсистемы определяют, пользуясь известным гидравлическим методом расчета [8].
Технологические режимыназначают в зависимости от литейных свойств сплава, конфигурации отливки итребований к ней.
В состав красок рабочихповерхностей кокилей вводят вещества, способные при взаимодействии с расплавомиспаряться и газифицироваться с образованием восстановительной среды,предотвращающей окисление расплава (см. табл. 2.3). Обычно это масла,графит, а также органические лаки, термореактивные смолы. Такие покрытиянаносят на поверхность кокиля перед каждой заливкой или через две-три заливки.
Температуру нагрева кокиляперед заливкой назначают поданным табл. 2.4. Для получения отливок высокогокачества из свинцовых бронз необходимо обеспечить высокую скоростьзатвердевания. Это достигается охлаждением кокилей водой, использованием длякокилей высокотеплопроводных материалов. Температура заливки медных сплавовзависит от химического состава и конфигурации отливки. Оловянные бронзызаливают при температурах 1420—1470 К; алюминиевые бронзы — при 1370—1430 К.Кремнистые латуни заливают при температурах 1250—1310 К, свинцовые латуни — при1300—1380 К. Массивные отливки заливают при температурах, близких к нижнемупределу рекомендованных, тонкостенные — к верхнему.
Температуру выбивки отливок изкокилей назначают в зависимости от химического состава сплава, толщины стенкиотливки и ее конфигурации.Финишные операции и контроль отливок из цветныхсплавов
Отливки из алюминиевых,магниевых, медных сплавов контролируют дважды: до отрезки литников и прибылей(предварительный контроль) и после. Литники и прибыли отрезают ленточными идисковыми пилами, а в массовом производстве — на специаль-
них станках. От мелких отливок из латунейлитники часто обрубают в штампах на прессах. При отрезке литников от отливокиз магниевых сплавов должны быть приняты особые меры для удаления стружки,способной к самовозгоранию. Режимы термической обработки назначают,руководствуясь химическим составом, конфигурацией отливки и требованиямитехнических условий. После этого проводят повторный контроль отливок, проверяяих соответствие требованиям технических условий.Дефекты отливок из цветных сплавов и меры ихпредупреждения
Общие характерные дефектыотливок при литье в кокиль следующие: 1) недоливы и неслитины при низкойтемпературе расплава и кокиля перед заливкой, недостаточной скорости заливки,большой газотворности стержней и красок и плохой вентиляции кокиля; 2)усадочные дефекты (раковины, утяжины, пористость) из-за нарушений направленногозатвердевания и недостатного питания массивных узлов отливки, чрезмерно высокойтемпературы расплава и кокиля; местного перегрева кокиля, нерациональнойконструкции литниковой системы; трещины появляются вследствие несвоевременногоподрыва металлического стержня или вставки, высокой температуры заливки,нетехнологичной конструкции отливки; 3) шлаковые включения образуются при использованиизагрязненных шихтовых материалов, недостаточном рафинировании перед заливкой,неправильной работе литниковой системы; 4) газовая пористость образуется принарушении хода плавки (использование загрязненных влагой и маслом шихт,чрезмерно высокого перегрева, недостаточного рафинирования или раскислениясплава).
Специфические дефекты отливокиз магниевых сплавов — это дефекты усадочного происхождения — пористость,трещины, рыхлоты,— обусловленные широким температурным интерваломзатвердевания этих сплавов. Для устранения этих дефектов требуется доводка иточное соблюдение технологических режимов — температуры расплава и кокиля,краски и др. Часто отливки из магниевых сплавов вследствие плохой работылитниковой системы поражены шлаковыми включениями. Это недопустимо, так какприводит к коррозии отливки при ее эксплуатации и хранении. Такие дефектыустраняют тщательной доводкой литниковой системы и ведения процесса плавки.
Специфические дефекты отливокиз медных сплавов следующие: газовая пористость при плохом рафинировании иочистке сплава от шлаковых частиц; вторичные окисные плены при литьеалюминиевых бронз вследствие разделения потока расплава на струи и окисленияего в форме; трещины из-за плохого раскисления сплавов при плавке.