Литье в кокиль

План лекции

1. Общие сведения о технологических процессах получения отливок

специальными способами литья.

2. Литье в кокиль.

Общие сведения о технологических процессах получения отливок специальными способами литья. В производстве литых заготовок для деталей машин и приборов значительное место занимают так называемые специальные виды литья: литье в кокиль, литье под давлением, центробежное литье, литье в оболочковые формы, литье по выплавляемым моделям, позволяющие получать отливки повышенной точности с чистой поверхностью, минимальным припусками на обработку, высокими служебными свойствами.

Технологические процессы получения отливок специальными видами в сравнении с литьем в песчаные формы отличаются меньшими трудозатратами, меньшей материало- и энергоемкостью, дают возможность существенно улучшить условия труда и уменьшить вредное воздействие на окружающую среду. Литье в кокиль

Кокиль – металлическая форма, которая заполняется расплавом под действием гравитационных сил. В отличие от разовой песчаной формы кокиль может быть использован многократно. Таким образом, сущность литья в кокиль состоит в применении металлических материалов для изготовления многократно используемых литейных форм.

При литье в кокиль легче осваиваются отливки, отвечающие следующим требованиям:

1. Отливка должна иметь стенки достаточной толщины, чтобы кокиль целиком заполнялся сплавом при выбранном технологическом режиме.

2. Отливка должна легко удаляться из кокиля при минимальном числе разъ­емов формы;

3. Внутренняя полость отливки должна получаться с помощью целых метал­лических стержней или стержней, собранных из минимального числа песчаных стержней;

4. Отливки не должны иметь резких переходов от толстой стенки к тонкой, большого числа выступающих частей, тормозящих усадку, и внутренних тепло­вых узлов.

Преимущества и недостатки кокильного литья. Широкому распространению этого метода литья способствует ряд преимуществ перед литьем в песчаные формы:

1.Значительно повышается точность размеров, уменьшается шероховатость поверхности отливок, что снижает припуск на механическую обработку в 2—3 Раза, а иногда полностью устраняет ее. В последнем случае повышается меха­ническая прочность отливки, так как литая поверхность обладает лучшей со­противляемостью коррозии, эрозии и истиранию.

2.Отливки, полученные литьем в кокиль, имеют более плотную структуру металла, в результате механи­ческие свойства их увеличиваются на 15—30%.

3. Производительность труда рабочих повышается в 2—4 раза.

4. Выход годного литья (75—98%) увеличивается за счет уменьшения прибылей, технологических припусков и припусков на механическую обработку, а также уменьшения брака отливок.

5. Форма используется многократно;

6. Съем литья с квадратного метра производственной площади значитель­но увеличивается;

7. Расход формовочных и стержневых смесей уменьшается в несколько раз, а во многих случаях полностью исключается, вследствие чего высвобождаются транспортные устройства, складские и производственные помещения;

8. Легче механизировать и автоматизировать производственный процесс, так как отпадают трудоемкие операции формовки, сборки и выбивки форм, применяемые при изготовлении отливок в песчано-глинистых формах;

9. Себестоимость отливок снижается.

Однако внедрению кокильного литья препятствует ряд недостатков:

1. Сложность получения тонкостенных отливок вследствие значительной теплопроводности кокиля и быстрого затвердевания металла.

2. Наружные ребра, приливы, углубления и выступы в отливке требуют применения песчаных стержней.

3. Значительные внутренние напряжения возникают в отливках в результате их затрудненной усадки (металлические формы неподатливы).

4. Вследствие большой скорости затвердевания в поверхностных слоях чу­гунных отливок образуется отбел.

5. Отливки по сечению имеют анизотропные свойства.

6. Длительность цикла изготовления кокиля.

7. Большая стоимость и ограниченная стойкость кокиля.

8. Чувствительность к отклонениям от установленного технологического процесса. Резкое проявление недостатков сплава.

Материал и конструкции кокилей. В зависимости от конфигурации и массы отливок в литейном производстве используют кокили различных конструкций: неразъемные (вытряхные); с вертикальной плоскостью разъема; с горизонтальной плоскостью разъема. Для отливок сложной конфигурации при меняют кокили с комбинированной поверхностью разъема (рис. 1.15, рис. 1.16, рис. 1.17, рис. 1.18). По числу одновременно отливаемых деталей кокили разделяют на одноместные и многоместные.

В зависимости от способа охлаждения различают кокили с воздушным (естественным и принудительным), жидкостным (водяным, масляным) и комбинированным охлаждением. Воздушное охлаждение используют для малонагруженных кокилей, водяное охлаждение – для высоконагруженных кокилей или для его отдельных частей.

Для изготовления кокилей широко применяют серый и высокопрочный чугуны, легированные никелем, хромом, медью, углеродистые и легированные стали. Кокили для отливки мелких деталей из алюминиевых сплавов могут изготавливаться из алюминиево-кремниевых сплавов.

Рабочая поверхность кокиля и металлических стержней покрывается специальными красками. Покраска производится с целью предохранения поверхности кокиля от воздействия жидкого металла и тем самым увеличения срока его службы, а также с целью регулирования скорости охлаждения отливки. Перед началом литья кокиль прогревают газовыми горелками до температуры 200–250 °С. Нагрев осуществляется с целью предотвращения растрескивания рабочей поверхности формы.

Огнеупорные покрытия кокилей

Покрытия, наносимые на внутреннюю поверхность кокиля, разделяются на два вида – огнеупорные облицовки и краски. Рабочая поверхность кокиля покрывается огнеупорной облицовкой 2 – 3 раза в смену слоем от 0,1 до 1 мм и более. Краска наносится перед каждой заливкой, как правило на слой облицовки.

Основное назначение покрытий заключается в возможности регулирования ко­личества тепла, передаваемого за единицу времени отливкой кокилю. Покрытия устраняют непосредственное химическое взаимодействие металла отливки и ко­киля, в результате возникают благоприятные условия для формирования поверхности отлив­ки, а также увеличивается стойкость кокиля.

Огнеупорные облицовки.

Облицовки изготовляют из огнеупорных материалов, связующих материалов и активизаторов.

Огнеупорные материалы являются основной частью облицовок. Огнеупорными материалами могут служить чистые окислы, а также карби­ды металлов. Эти материалы обладают большой температурой плавления, химической стойкостью и не выделяют газов при повы­шенных температурах. Однако, следует учитывать, что чистые окислы металлов и карбиды дорого стоят. При этом небольшое количество примесей в чистых окислах незначительно изменяет их температуру плавления. Поэтому можно рекомендовать для облицовок бо­лее дешевые материалы: кварц, каолин, бентонит.

Связующие материалы обеспечива­ют сцепление облицовок с кокилем. Для получения монолитной облицовки и хорошего сцепления ее с кокилем чаще используют флюсующие связующие материалы: жидкое стекло, бура, окись натрия и др. В качестве связующих материалов при­меняют также огнеупорную глину, сульфидную барду, патоку, декстрин и др.

Сцепление облицовок с поверхностью кокиля может осуществляться сле­дующими способами:

1. смачиванием облицовками стенок кокиля;

2. прилипанием облицовок к стенкам кокиля;

3. диффузией облицовочного материала в стенки ко­киля;

4. образованием сплавов в местах соприкосновения облицовок и стенок ко­киля.

Активизаторы вводится в состав огнеупорных облицовок для более качественного сцепления облицовок со стенками кокиля.

При выборе материалов и их составов необходимо учитывать предъявляемые к ним требования:

1. Огнеупорные облицовки должны иметь высокую температуру плавления и размягчения (выше температуры заливки сплавов), иначе они будут пригорать к отливкам.

2. Огнеупорные облицовки должны иметь малую теплопроводность (высо­кую теплоизоляцию), что способствует уменьшению скорости охлаждения от­ливки. Последнее приводит к снижению внутренних напряжений в отливке, а в чугунных отливках еще и величины отбела.

3. Облицовочные материалы должны быть химически стойкими, не выделять большого количества газов при залив­ке металла.

4. Облицовка должна хорошо по­крывать поверхность кокиля тонким равномерным монолитным слоем.

5. Облицовка не должна растрески­ваться и расслаиваться при резких ко­лебаниях температуры (в местах отслаи­вания облицовки возможен перегрев ко­киля и приваривание к нему отливки).

6. Облицовка должна легко счи­щаться с рабочей поверхности кокиля. Под старой облицовкой образуются окислы металлов, которые могут быть причиной образования газовых раковин в отливках.

7. Облицовки должны хорошо при­легать к поверхности кокиля.

8. В состав облицовки не должны входить дефицитные материалы.

9. Облицовка должна быть дешевой.

Краски

Краски изготовляются из газообразующих материалов, создающих газовую прослойку, отделяющую поверхность кокиля от заливаемого металла. Краски наносят на рабочую поверхность кокиля, предварительно покрытую облицовкой. В тех случаях, когда в краску вводится огнеупорный материал, ее наносят непосредственно на поверхность кокиля.

Основное назначение красок.

1. Предупреждать пригар облицовочных мате­риалов к поверхности отливки.

2. Снижать теплопроводность.

3. Повышать стой­кость кокиля. Газовая пленка, образующаяся от сгорания краски, отделяет по­верхность кокиля от отливки и уменьшает термический удар и химическое воз­действие заливаемого металла на кокиль. Газы образуют восстановительную среду и этим предохраняют материал кокиля от окисления.

4. Модифицировать поверхность чугунной отливки (вследствие высокой дисперсности сажи и копо­ти, частицы их могут являться зародышами графитизации).

Краски должны обладать определенными свойствами:

1. Высокой температурой воспламенения. Краски должны загораться только при соприкосновении с жидким металлом, а не с разогретым кокилем. В от­дельных случаях для повышения температуры воспламенения краски ее смеши­вают с огнеупорным материалом.

2. При сгорании не выделять вредных газов. Образующие­ся газы должны создавать восстановительную атмосферу.

3. Покрывать форму равномерным слоем.

4. Не смываться струей жидкого металла.

5. Не вступать в химическое взаимодействие с облицовками и материалом кокиля.

6. Не должны быть причиной образования газовых раковин. При пользова­нии мазутом, керосином необходимо из них удалять воду. Избыток копоти мо­жет привести к образованию газовых раковин.

7. Однородностью состава.

Свойства отливок. В общем объеме производства отливок из цветных металлов на долю кокильного литья приходится около 40 %, что обусловлено преимуществами данного метода литья.

Кокиль – металлическая форма, обладающая по сравнению с песчаной значительно большей теплопроводность, прочностью, практически нулевыми газопроницаемость и газотворностью. Эти свойства материала кокиля обусловливают качество получаемых в нем отливок. Повышенная скорость охлаждения способствует получению плотных отливок с мелкозернистой структурой, что повышает прочность и пластичность металла отливки. Однако в отливках из чугуна, получаемых в кокилях, вследствие особенностей кристаллизации часто образуются карбиды, ферритографитная эвтектика, отрицательно влияющие на свойства чугуна: снижается ударная вязкость, износостойкость, резко возрастает твердость в отбеленном поверхностном слое, что затрудняет обработку резанием таких отливок и приводит к необходимости подвергать их термической обработке для устранения отбела.

Кокиль практически неподатлив и более интенсивно препятствует усадке отливки, что может вызвать появление внутренних напряжений, коробление и трещины в отливке. Размеры рабочей полости кокиля могут быть выполнены значительно точнее, чем песчаной формы. При литье в кокиль отсутствуют погрешности, вызываемые расталкиванием модели, упругими и остаточными деформация ми песчаной формы, снижающими точность ее рабочей полости и, соответственно, отливки. Поэтому отливки в кокилях получаются более точными.

Физико-химическое взаимодействие металла отливки и кокиля минимально, что способствует повышению качества поверхности отливки. Отливки в кокиль не имеют пригара. Шероховатость поверхности отливок определяется составами облицовок и красок, наносимых на поверхность рабочей полости формы. Кокиль практически газонепроницаем, но и газотворность его минимальна и определяется составами огнеупорных покрытий, наносимых на поверхность рабочей полости, поэтому газовые раковины в кокильных отливках – явление не редкое.

Механизация и автоматизация кокильного литья. В зависимости от серийности производства, массы, размеров, сложности отливок, предъявляемых к ним требований изменяется степень механизации и автоматизации процесса. Анализ основных операций литья в кокиль показывает, что этот способ – малооперационный. При механизации процесса основными операциями являются: раскрытие и закрытие форм, установка и извлечение стержней, удаление отливок из формы, нанесение огнеупорного покрытия, охлаждение и нагрев формы, заливка металла.

При серийном и мелкосерийном производстве крупных отливок эффективными оказываются автоматизированные кокильные машины или механизированные кокили. В массовом и крупносерийном производстве мелких и средних отливок более эффективно использование автоматических литейных кокильных машин, комплексов, линий. Основное направление развития производства кокильного литья – комплексная механизация и автоматизация производственных процессов на всех переделах, начиная с подготовки шихтовых материалов и приготовления жидкого металла, кончая обрубкой, очисткой и складированием готовых отливок, что позволит достичь необходимой эффективности производства.

Преимущества и недостатки литья. К преимуществам метода литья в кокиль можно отнести повышенную размерную точность отливок, высокую производительность процесса, многократность использования литейных форм, возможность автоматизации процесса, экономное использование производственных площадей, возможность комбинированного использования кокилей и сложных песчаных стержней, стабильность плотности и структуры отливок, высокие механические и эксплуатационные свойства. Недостатки литья в кокиль – высокая трудоемкость изготовления и стоимость металлической формы, повышенная склонность к возникновению внутренних напряжений в отливке, вследствие затрудненной усадки. Дефекты отливок. Общими характерными дефектами отливок при литье в кокиль являются недоливы и неслитины, усадочные дефекты, трещины, шлаковые включения и газовая пористость. Недоливы и неслитины наблюдаются при низкой температуре расплава и кокиля перед заливкой, недостаточной скорости заливки, большой газотворности стержней и плохой вентиляции кокиля;

Усадочные дефекты (раковины, утяжины, пористость) возникают из за нарушений направленного затвердевания и недостаточного питания массивных узлов отливки, чрезмерно высокой температуры расплава и кокиля, местного перегрева кокиля, нерациональной конструкции литниковой системы. Трещины появляются вследствие несвоевременного подрыва металлического стержня или вставки, высокой температуры заливки, нетехнологичности конструкции отливки. Шлаковые включения образуются при использовании загрязненных шихтовых материалов, недостаточном рафинировании расплава, неправильной работе литниковой системы. Газовая пористость образуется при нарушении технологии плавки – использовании влажной шихты, перегреве расплава, недостаточном рафинировании или раскислении сплава.

Контрольные вопросы и задания

1. Какие материалы используют для изготовления кокилей?

2. С какой целью наносится краска на рабочую поверхность кокиля?

3. Назовите основные технологические операции при литье в кокиль.

4. С какой целью производится подогрев кокиля перед заливкой металла?

5. Перечислите основные преимущества процесса литья в кокиль.

6. Назовите характерные виды дефектов при литье в кокиль, причины их возникновения и меры предупреждения.

Лекция 12