Особенности формирования литых заготовок

Для получения отливок при любом способе литья не­обходима литейная форма, которая определяет наружные и внутренние контуры отливок. Литейные формы изготавливают из различных материалов и в зависимости от свойств последних подразделяют на две группы: разовые и постоянные.

Разовые формы используют для получения одной отливки, при извлечении которой форму разрушают. Для изготовления разовых форм применяют песчано-глинистые, песчано-масляные, термореактивные и другие формовочные смеси.

Разовые формы могут быть сухими и сырыми. По толщине стенок их подразделяют на толстостенные (толщина стенок 25-250 мм и более), тонкостенные и оболочковые (толщина стенок 5-10 мм). К разовым формам относятся также неразъемные формы, используемые, в частности, при литье по выплавляемым моделям.

Постоянные металлические формы широко используют в серийном и массовом производствах, в основном для отливок из цветных металлов и сплавов. Материалом для этих форм могут быть чугун, сталь или алюминиевые сплавы. Постоянные формы применяют при специальных способах литья – кокильном, центробежном, под давлением и др.

При всех способах литья (за исключением литья по выплавляемым моделям) форма имеет один или несколько разъемов. При выборе литейной формы исходят из назначения, характера отливок и серийности их выпуска.

Конструкция литейной формы и материал, из которого она изготовлена, оказывают большое влияние на характер формирования отливок и на их качество. Материал формы должен обладать достаточной податливостью, хорошо противостоять статическому и динамическому воздействиям жидкого металла. Форма должна быть газопроницаемой –хорошо пропускать воздух, газы и пары, образующиеся при заливке жидкого металла; податливой – не оказывать большого сопротивления усадке.

Формирование основных свойств отливки (плотности, структуры, механических свойств, стабильности размеров и параметров шероховатости поверхности) обусловлено протеканием процессов взаимодействия металла отливки и формы при заливке формы, затвердевании и охлаждении отливки.

Затвердевание в значительной степени зависит от условий теплообмена между металлом и формой. Особенность разовых форм – их низкая по сравнению с металлом отлив­ки теплоаккумулирующая способность. Кристаллизация и охлаждение протекают в естественных условиях медленно, в результате чего структура отливок становится неравномерной. Поэтому наиболее плотный и качественный металл с наилучшими механическими свойствами расположен вблизи от поверхности отливки. В центральных слоях структура крупнозернистая, механические свойства пониженные.

Повышенная скорость охлаждения способствует улучшению качества отливки, структура получается более мелко­зернистой, что существенно повышает механические свойства отливки. В табл. 1 приведены для сопоставления механические свойства отливок из алюминиевых сплавов при литье в кокиль и песчано-глинистые формы.

С другой стороны, при литье в металлические формы чугунные отливки, как правило, получаются с отбеленным поверхностным слоем и остаточными внутренними напряжениями, что затрудняет их механическую обработку и требует дополнительной термической обработки.

Таблица 1

Механические свойства отливок из алюминиевых сплавов

Литье	Механические свойства отливок	Марка сплава
АЛЗ	АЛЗ-Т5	АЛ4-Т6	АЛ7-Т4	АЛ7-Т5	АЛ9-Т5	АЛИ
В пес­чаные формы	Предел прочности sв, МПа
Относительное удлинение d, %	0,5	0,5	3,0	6,0	3,0	2,0	2,0
В ко­киль	Предел прочности sв, МПа
Относительное удлинение d, %	0,5	0,5	3,0	6,0	3,0	2,0	1,5

Охлаждение жидкого металла, его затвердевание, а также последующее охлаждение в твердом состоянии связаны с сокращением объема отливки. При кристаллизации по внешнему контуру в первую очередь образуется твердая корка. Затвердевший контур отливки можно рассматривать как сосуд, в котором заключена имеющая более высокую температуру жидкость. В процессе затвердевания и охлаждения объем жидкости и твердая корка сокращаются, но в разной степени. Результатом этой разницы является образование в отливке свободных от металла полостей, которые называются усадочными.

Различают два вида усадочных полостей: раковины и поры. Усадочные раковины сосредоточиваются в частях отливки, которые затвердевают в последнюю очередь. Уса­дочная пористость располагается в относительно большой зоне отливки. В процессе охлаждения из-за усадки происходит сокращение линейных размеров отливки, т. е. проис­ходит линейная усадка, которая может вызвать появление в металле внутренних литейных напряжений, деформацию отливки и трещины. Сплошность металла может нарушиться не только в результате образования усадочной пористости, но и в результате попадания в кристаллизующийся металл пузырьков газа.

После заливки металла в форму на границе их соприкосновения создается повышенное газовое давление, иногда достаточное для «проталкивания» газов в металл. Если форма пористая, то часть газов через поры формы вытесняется в окружающую среду. Если же форма обладает низкой газопроницаемостью, то внутри отливки образуются газовые раковины и поры. Песчаные разовые формы – тела пористые, хорошо пропускают газ и воздух. Металлическая форма не обладает газопроницаемостью, поэтому при ее использовании возможность получения отливок с повышенной газовой пористостью более вероятна.

Если материал детали, изготавливаемой литьем, обладает пониженными литейными свойствами, то для получения качественной заготовки более целесообразно использовать литье в разовые формы.

Вторым важным фактором, обусловливающим получение отливок без внутренних дефектов, является соблюдение правил литейной технологии, обеспечение хорошего заполнения и питания формы.

Возникновение литейных дефектов типа усадочной пористости, коробления, горячих и холодных трещин во многом зависит от правильной, технологичной конструкции отливки. О правилах конструирования технологичных отливок будет сказано ниже.

Материал формы оказывает большое влияние на точность размеров и параметр шероховатости поверхности отливки (табл. 2).

Таблица 2

Точность и качество поверхности отливок, получаемых различными способами

Литье	Масса отливки, кг	Материал отливки	Тип производ­ства	Квалитет	Параметр шероховатости Rz, мкм
В песчаные формы	До 100	Алюми-ниевые сплавы	Массовое	12-14	320-20
Серийное	14-15	320-40
Единичное	15-17	320-80
Св. 100 до 1000	Массовое	14-15	320-40
Серийное	15-17	320-80
Единичное	17*	320-80*
До 100	Чугун, сталь	Массовое	14-16	320-20
Серийное	16-17	320-40
Единичное	17-19	320-80*
Св. 100 до 1000	Массовое	15-16	320-40
Серийное	16-19	320-80
Единичное	19*	320-80*
Св. 1000	Серийное	16*	320-80*
Единичное	19*	320-160*
Штамповкой жидкого металла	До 10	Алюми-ниевые сплавы	Массовое	12-14	160-20
Серийное	14-15	320-20
Св. 10	Массовое	12-14	320-20
Серийное	14-15	320-40
До 10	Чугун, сталь	Массовое	12-14	320-20
Серийное	14-15	320-40
Под давлением	До 1	Цинковые сплавы	Массовое	11-12	40-10
Серийное
Св. 1 до 10	Массовое	12-14	40-10
Серийное	12-15	40-20
До 1	Алюми-ниевые сплавы	Массовое	12-14	40-10
Серийное	12-15	40-20
Св. 1 до 10	Массовое	12-14	40-10
Серийное	12-15	40-20
Под давле­нием	До1	Сталь	Массовое	12-14	80-20
Серийное
С кристалли­зацией под поршневым давлением	До 10	Цветные сплавы	Массовое	11-12	40-10
Серийное
В кокиль	До 100	Алюми­ниевые сплавы	Массовое	12-14	160-20
Серийное	320-20
Св. 10 до 100	Единичное	14-16	320-40
Массовое	12-14	320-20
Серийное	14-16
До 100	Чугун, сталь	Единичное	16-18	160-80*
Массовое	12-15	320-40
Серийное	14-16	320-80
Св. 10 до 100	Массовое	14-15	320-40
Серийное	15-16	320-80
Единичное	16-17	320-160
В оболочко­вые формы	До 10	Массовое	12-14	160-20
Серийное	14-15	320-40
Св. 10 до 100	Массовое	12-15	320-40
Серийное	14-16	320-80
До 10	Алюм. сплавы	Массовое	12-14	80-10
Серийное	12-15	160-20
По выплав­ляемым моделям	До1	Сталь	Массовое	12-15	80-10
Серийное	13-14	80-20
Св. 1 до 10	Массовое	12-15	80-20
Серийное	14-16	80-40
Примечание. Для условий, помеченных*, квалитет и шероховатость могут составлять большие значения, чем указаны в таблице.