12.3. Плавильные печи

В литейном производстве для каждого металла требуется своя плавильная печь и технология плавки. Плавка сталей ведется в индукционных и электродуговых печах, в печах с пламенным нагревом.

Плавку чугунов проводят, в основном, в вагранках. В качестве шихты применяют доменный чушковый чугун, чугунный и стальной лом, ферросплавы. Топливом является кокс или природный газ. Вагранка – типичная шахтная печь, отличается большой производительностью, простотой конструкции и высоким коэффициентом полезного действия. Операции по загрузке шихты, плавка, выпуск чугуна и шлака производятся в автоматическом режиме. На ряде заводов применяют вагранки закрытого типа, оснащенные специальными системами очистки и дожигания ваграночных газов. Белый чугун плавят дуплекс-процессом – в вагранке, а затем в электропечи. При получении высокопрочного чугуна из стальных отходов, используют индукционные печи. Для плавки высококачественного чугуна используют дуговые печи.

Медные сплавы плавят в пламенных печах, в тигельных, дуговых и индукционных электропечах. Плавка ведется на воздухе, в среде защитных газов или в вакууме. Алюминиевые сплавы плавят в электропечах сопротивления, индукционных печах, тигельных горнах. Помимо обычной заливки в формы, применяют заливку под давлением для получения отливок повышенной плотности.

Магниевые сплавы склонны к самовозгоранию при температурах, близких к температуре плавления. Поэтому вести плавку на воздухе невозможно. Производят ее в бескислородной атмосфере или под слоем флюса на основе фторидов и хлоридов щелочных металлов в тигельных и индукционных печах. Для плавки титановых сплавов применяют тигельные печи; плавление и заливку производят в защитной атмосфере (обычно в среде аргона). Металл для высококачественных отливок, предназначенных для авиакосмической промышленности, плавят в электронно-лучевых вакуумных электропечах.

12.4. Специальные способы литья

В производстве литых заготовок значительное место занимают специальные способы литья, позволяющие получить отливки повышенной точности, с малой шероховатостью поверхности, минимальными припусками на обработку, высокими эксплуатационными свойствами.

Литье по выплавляемым моделям. Модель отливки изготовляют в пресс-форме с высокой точностью из материалов с низкой температурой плавления (воск, стеарин, парафин). Для получения литейной формы модель многократно погружают в огнеупорную суспензию из кварцевой муки и спиртового раствора этилсиликата (связующего материала) с послойной просушкой в течение 12–24 часов. Перед заливкой расплава восковую модель удаляют из формы, выпаривая или выжигая. В результате, после прокаливания при температуре 900 С, получается неразъемная, тонкостенная (6–8 мм), прочная оболочка – литейная форма. Этим способом можно получить отливки любой сложности, с минимальными припусками на обработку, практически из любых сплавов. Шероховатость поверхности отливки – до 2,5 мкм.

Литье в оболочковые формы применяется в массовом производстве малогабаритных отливок высокой точности. Формовочная смесь состоит из мелкого кварцевого, магнезитового песка (92–95 %) и порошка термореактивной фенолформальдегидной смолы (5–8 %). При нагревании до 150–200 °С смола плавится, при температурах до 250 С начинается процесс ее кристаллизации – смола твердеет.

Смесь засыпают в бункер и накрывают металлической, нагретой до 200–250 С, подмодельной плитой. На нижней поверхности плиты закреплены металлические модели отливок. Бункер переворачивается, формовочная смесь обсыпает нагретые модели. Смола легко плавится, перемешивается с песком и затвердевает. Образуется оболочка толщиной 6–8 мм на поверхности модели за 10–20 секунд. Оболочковые полуформы снимают с плиты, прокаливают при температуре 300–350 С для окончательного затвердевания смолы, соединяют попарно между собой и заполняют металлом. При взаимодействии с горячим металлом термореактивная смола разлагается и сгорает, а форма разрушается. Неметаллические материалы, используемые для оболочковых форм, обладают низкой теплопроводностью, поэтому кристаллизация расплава происходит медленно. Зерно в структуре сплава получается крупным и для ответственных отливок (например, из инструментальных сталей) необходима дополнительная термообработка.

Литье в кокиль. Кокиль – многоразовая металлическая (сталь, чугун) форма из двух или более частей. Для образования внутренних полостей (отверстий) в отливках при литье в кокиль применяют многоразовые металлические или одноразовые стержни из формовочной смеси. Перед заливкой на внутреннюю поверхность кокиля наносят теплоизоляционный слой из огнеупоров (кварцевой муки, графита, мела, талька) и связующего (жидкого стекла) для продления срока службы дорогого и сложного кокиля. Литье в кокиль экономически выгодно применять в крупносерийном и массовом производстве.

Литье в кокиль под давлением. Кокиль заполняется расплавом под давлением до 200 атмосфер. Пока отливки затвердевают, избыточное давление сохраняется. Стержни используются только металлические. Литье осуществляется на литьевых машинах с холодной или горячей камерами прессования (рис. 12.4). Камера прессования 2 расположена в обогреваемом тигле 1 с расплавленным металлом. При верхнем положении поршня 3 металл через отверстие 4 заполняет камеру прессования. При движении поршня вниз отверстие перекрывается, сплав под давлением заполняет полость пресс-формы 5. После затвердевания отливки поршень возвращается в исходное положение, остатки металла сливаются в камеру прессования, отливка удаляется толкателями 6. Условия работы камеры прессования и поршня неблагоприятные, так как они все время погружены в расплав с высокой температурой. В машинах с холодной камерой прессования условия работы горизонтальной камеры и поршня более благоприятные, можно развить более высокое давление прессования. На машинах изготавливают тонкостенные отливки из всех известных сплавов. Литье под давлением – высокопроизводительный, но дорогой способ изготовления отливок с высокой точностью размеров и малой шероховатостью поверхности.

Ц ентробежное литье в кокиль. Жидкий металл заливают во вращающуюся, с заданной скоростью, литейную форму. Вращение формы продолжается в течение всего времени кристаллизации отливки. Металл за счет центробежных сил прижимается к стенкам металлической формы. Материал отливки отличается повышенной плотностью и прочностью, так как вредные примеси, как более легкие фракции (газы и шлак), вытесняются на внутреннюю поверхность отливки и в дальнейшем удаляются.

Ось вращения может быть горизонтальной (рис. 12.5) и вертикальной. На рисунке показано получение отливки, имеющей форму тела вращения. Ось вращения совпадает с осью симметрии отливки, толщина стенки определяется количеством залитого металла. Центробежное литье применяют в массовом и единичном производстве. Отливают втулки для подшипников скольжения, гильзы цилиндров и поршневые кольца двигателей, крупнокалиберные орудийные стволы, двухслойные (биметаллические) отливки из различных сплавов. Широко центробежное литье применяют для изготовления чугунных труб. При изготовлении мелких, не симметричных отливок литейная форма может устанавливаться в стороне от оси вращения (на определенном радиусе). Такой способ литья называется центрифугированием.

Литье под низким давлением. Заполнение формы расплавом и затвердевание отливки происходит под минимальным избыточным давлением инертного газа. Расплавленный металл содержится в подогреваемом тигле. В тигель погружается металлическая труба – металлопровод. Под давлением газа металл по трубе плавно поднимается в форму, исключая избыточное перемешивание сплава, образование газовых раковин и оксидных пленок. Процесс заполнения формы расплавом управляется, регулируя давление газа, что улучшает качество отливки. Отливают тонкостенные крупногабаритные детали из легких сплавов.

Э лектрошлаковое литье. Одновременно происходит плавление металла и заполнение литейной формы за счет переплава электродов, имеющих необходимый химический состав. Источником тепла является шлаковая ванна 4 (рис. 12.6), нагреваемая проходящим электрическим током. В кристаллизатор 6 заливают расплавленный шлак специального состава. Электрический ток подводится к электродам 7 и затравке 1 в нижней части кристаллизатора. Шлаковая ванна 4 нагревается до 1700 °С, погруженные в нее концы электродов начинают оплавляться. Капли расплавленного металла опускаются через шлаковую ванну, очищаются от вредных примесей и образуют металлическую ванну 3. Затвердевание отливки 2 начинается в нижней части кристаллизатора, за счет отвода тепла через стенки. Электроды, по мере оплавления, постепенно поднимаются вверх. Технология применяется для изготовления валков прокатных станов, кокилей для литья труб центробежным способом, коленчатых валов судовых дизелей.

Литье выжиманием. В выжимной установке имеются две полуформы, установленные под углом друг к другу (рис. 12.7). Между ними находится металлоприемник для заливки металла. После заливки подвижная полуформа 1 поворачивается, металл выжимается и заполняет полость 2 между полуформами. Излишек металла сливается в ковш 3. Заполнение формы и затвердевание отливки происходит одновременно. Способ позволяет получать тонкостенные крупногабаритные отливки с хорошей структурой и высокими механическими свойствами.

Л итье вакуумным всасыванием. Охлаждаемая водой литейная форма 3 устанавливается на керамическое основание 2, соприкасающееся с поверхностью расплавленного металла (рис. 12.8). При откачке воздуха форма заполняется жидким металлом из раздаточного тигля 1 за счет разрежения.

После затвердевания отливки 4, полость формы заполняется воздухом, остатки металла сливаются в тигель. Скорость заполнения расплава регулируется степенью разрежения в форме. Способ исключает попадание воздуха в расплав и позволяет получать тонкостенные отливки с повышенными механическими свойствами. Преимущество – получение качественных отливок без дополнительного расхода металла на литники и прибыли.

Непрерывное и полунепрерывное литье. В охлаждаемую металлическую форму (кристаллизатор) с одной стороны заливается жидкий металл, с другой стороны, затвердевший металл из этой формы извлекается и продолжает остывать на воздухе. В зависимости от поперечного сечения кристаллизатора отливка представляет собой круглый пруток или профиль, трубу и т. д. Если изделие извлекается тянущими валками, то процесс называют непрерывным. Если изготавливается отливка заданной длины – полунепрерывным.