Литье в металлические формы (в кокиль)

При литье в металлические формы (кокиль) расплавленный металл заливают в многократные металлические формы под действием сил грави­тации.

В качестве материала для металлических форм применяют серый чу­гун, углеродистую сталь, алюминиевые сплавы с анодированной рабочей поверхностью. Толщина стенок кокиля составляет от 20 до 100 мм и зави­сит от толщины стенок отливки. Толщина кокиля должна быть по возмож­ности равномерной. Для повышения стойкости кокиля, а также производи­тельности процесса, кокили снабжают жидкостным охлаждением (водя­ным, масляным).

По конструкции кокили бывают:

вытряхные,

с вертикальным разъе­мом,

с горизонтальным разъемом,

створчатые,

с комбинированным разъе­мом,

стопочные.

Конструктивные виды кокилей представлены на рис.3.3.

Для повышения стойкости кокили изготавливают из нормализован­ных элементов (пластин), игольчатыми, методами порошковой металлур­гии.

При литье в металлические формы применяют как металлические(для получения простых полостей и отверстий), так и песчаныелитейные стержни (для сложных полостей). Для выталкивания отливки из кокиля используют толкатели диаметром 10-20 мм, которые изготавливают из уг­леродистой стали.

Большую роль при формировании отливки в металлической форме играет покрытие рабочей поверхности кокиля огнеупорным материалом (мел, графит, тальк, глина огнеупорная, жидкое стекло и др.) - окрашива­ние кокиля.

Краски бывают разовые и многократные. Они защищают поверх­ность кокиля от резкого термического удара при заливке металла, повышая его стойкость, предотвращают приваривание заливаемого металла к стен­кам кокиля, позволяют регулировать скорость затвердевания отливки. Толщина краски обычно не превышает 1 мм. Толстостенные покрытия по­верхности кокиля (свыше 1 мм) называют облицовками.Литье в кокили с разовой облицовкой из термореактивных смесей толщиной 3-10 ммотно­сят к отдельному технологическому процессу - литью в облицованный ко­киль.

Литьем в кокиль получают фасонные заготовки из серого, ковкого и высокопрочного чугунов, сталей, алюминиевых, магниевых и медных сплавов (блоки и головки блоков двигателей, поршни из алюминиевых сплавов, ступицы колес из ковкого чугуна, станины электродвигателей из серого чугуна, стойки плуга из высокопрочного чугуна, крышки, втулки из медных сплавов и др. [2,4,5,6,7,8,9,10,11,12].

Способ литья в металлические формы был известен за 5 веков до н.э. Бурное развитие этот способ получил в послевоенные годы. В нашей стране объем кокильного литья по черным сплавам достиг 5-10%, по цветным - 40-50% от общего выпуска литья.

Технологический процесс литья в кокиль включает шесть основных этапов. Специфика способа определяется в основном вторым этапом -подготовить металлическую форму - в свою очередь включающая шесть основных операций:

подогреть металлическую форму,

окрасить рабочую полость металлической формы,

выдержать металлическую форму для подсушки краски,

изготовить стержневую смесь,

изготовить песчаные стержни,

собрать металлическую форму.

Рассмотрим основные операции по подготовке металлической формы.

Первая операция - подогреть металлическую форму. Рабочая температура кокиля находится в пределах 150-250⁰С (но не ниже 100⁰С). Кокиль подогревают с целью удаления из рабочей полости формы влаги (предотвращение взрыва, ”выброса” жидкого металла), лучшего заполнения рабочей полости кокиля расплавленным металлом, некоторого снижения скорости затвердевания отливки, подсушки краски, улучшения качества окраски. Кокили подогревают газовыми горелками, редко электронагревателями. В процессе работы кокиль разогревается от периодически заливаемого расплавленного металла. Регулирование теплового режима кокиля, его стабилизация является сложной технической задачей, нерешенной в полной мере до настоящего времени.

Вторая операция - окрасить рабочую поверхность металлической формы. Краску наносят в большинстве случаев пульверизатором. При литье черных сплавов в качестве огнеупорного покрытия используют иногда ацетиленовую копоть. Окраску кокиля производят либо каждый цикл (разовые покрытия), либо периодически (многократные покрытия).

Третья операция - выдержать металлическую форму для подсушки краски. Выдержка обычно не превышает нескольких десятков секунд. В некоторых случаях после окраски металлическую форму подогревают дополнительно.

Четвертая и пятая операции - изготовить стержневую смесь и изготовить песчаные стержни практически не отличаются от аналогичных операций при литье в песчано-глинистую форму. При литье в кокиль применяют песчаные стержни, изготовленные с применением тепловой сушки, в нагреваемой оснастке, оболочковые и др.

Шестая операция - собрать металлическую форму. При сборке формы части кокиля обдувают сжатым воздухом, соединяют, устанавливают при необходимости металлические или песчаные стержни, форму закрывают. Температура кокиля при этом не должна быть ниже указанных выше пределов.

Первый и третий этапы технологического процесса (выплавить жидкий металл и залить металл в форму) мало отличаются от аналогичных этапов при литье в песчано-глинистую форму. Однако время заливки металла в металлическую форму должно быть минимальным - из-за высокой скорости охлаждения заливаемого металла.

Четвертый этап (выдержать металл в форме для затвердевания и охлаждения) резко отличается от аналогичного этапа при литье в песчано-глинистую форму.

В металлической форме скорости затвердевания и охлаждения отливки возрастают от нескольких раз, до не­скольких десятков раз, что зависит от вида сплава и толщины стенок отливки. Ускоренное затвердевание отливки способствует формированию мелкозернистой структуры металла и повышению его механических свойств. Однако, при литье серого чугуна на поверхности от­ливок образуется отбел (карбид железа Fe₃C) - твердая и хрупкая структура, не поддающаяся механической обработке. Отбел может быть устранен последующей термообработкой (отжигом), однако эта операция является дорогостоящей.

Пятый этап - извлечь отливку из формы. Для извлечения отливки металлическую форму раскрывают . При этом одна из полуформ обычно остается неподвижной. При движении подвижной полуформы отливка может двигаться вместе с ней, или остаться в неподвижной полуформе. Для решения конкретной задачи используют толкатели. После извлечения из кокиля отливку охлаждают на воздухе до комнатной температуры.

Шестой этап - выполнить финишную обработку. Из-за отсутствия пригара и высокого качества поверхности кокильные отливки не подвергают в большинстве случаев очистке в галтовочных барабанах

Рис.3.3. Конструктивные виды кокилей: а) вытряхной (1-кокиль, 2-стержень песчаный, 3-толкатель), б) с вертикальным разъемом (1-кокиль, 2-стержень песчаный, 3-толкатель, 4-контртолкатель, 5-литниковая система), в) с горизонтальным разъемом (1-кокиль, 2-стержень песчаный, 3-толкатель, 4-контртолкатель. 5-стержень с литни­ковой системой)

или в дробеметных камерах. Основные виды обработки - отделение литниковой системы, зачистка и обрубка заусенцев, выбивка стержней, контроль, грунтовка.

При механизации и автоматизации процесса применяют однопозиционные кокильные машины (автоматы), четырех -, шести-, восьми- и шестнадцати- позиционные карусельные машины, автоматические кокильные линии.

Достоинства процесса:

- повышенные точность и качество поверхности отливки;

- повышенные механические свойства металла (кроме чугуна). Прочность возрастает на 50-70%, пластичность в 3-4 раза;

- отсутствие формовочных материалов и их переработки;

- резкое уменьшение отходов производства;

-высокая производительность в условиях массового производства: до 50 циклов в час на однопозиционных машинах, до 120 циклов в час на многопозиционных машинах и автоматических линиях;

- возможность полной автоматизации процесса;

- более благоприятные условия труда по сравнению с литьем в песчаные и оболочковые формы.

Недостатки процесса:

- образование отбела при литье серого и высокопрочного чугунов, анизотропность свойств по сечению отливок из других сплавов;

- низкая стойкость кокиля (100 - 2000 заливок) при литье черных сплавов (в то время как при литье цветных сплавов стойкость достигает 100 000 заливок);

- сложность получения тонкостенных отливок вследствие быстрого затвердевания металла;

- ограничение отливок по размерам (до 1000 мм) и массе (до 100 кг).

Литье под давлением

При литье под давлением расплавленный металл заливают в многократные металлические формы под давлением поршня. Давление может достигать 3 000 - 3 500 ати и более. Время заполнения металлом рабочей полости формы не превышает 1 сек.

Металлическую форму (пресс-форму) изготавливают из инструментальных углеродистых и высоколегированных сталей. Форма массивная, сложная по конструкции, включает до 100 и более составных частей. Соотношение между массой отливки и массой пресс-формы достигает 1: 1000. Рабочая полость пресс-формы имеет повышенную точность и чистоту поверхности, подвергается шлифованию и полированию. Стоимость пресс-форм очень высокая, на один-два порядка дороже кокилей. При литье под давление используют только металлические стержни. Для извлечения отливок из формы применяют толкатели. Пресс-формы имеют только вертикальную плоскость разъема.

Известны несколько технологических схем литья под давлением:

с горячей камерой прессования,

с холодной камерой прессования - вертикальной и горизонтальной и др. (рис.3.4).

Процесс литья под давлением с горячей камерой прессования применяют при производстве отливок из легкоплавких сплавов, температура плавления которых не превышает 450⁰С (сплавы на основе олова, свинца, цинка).

Камера прессования при этом располагается непосредственно в емкости с заливаемым металлом, что обеспечивает стабильный тепловой режим литья и возможность получения сложных тонкостенных отливок небольшой массы.

Процессы литья под давлением с холодной камерой прессования используют при получении отливок из более тугоплавких сплавов - магниевых, алюминиевых, медных, титановых. Камера прессования располагается вне ёмкости с заливаемым металлом.

Следует отметить, что технологический процесс литья под низким давлением, при котором рабочая полость формы заполняется расплавленным металлом под давлением воздуха или инертного газа (не более 6 ати) относится к самостоятельному процессу литья.

Литьем под давлением получают сложные по конфигурации тонкостенные отливки (с толщиной стенок до 1-1,5 мм.) с минимальными припусками на механическую обработку и точными литыми отверстиями массой от нескольких грамм(элементы замков "молния" из цинковых сплавов) до 50 кг (головки цилиндров мотоциклетных двигателей, блоки четырех- и восьмицилиндровых автомобильных двигателей из алюминиевых сплавов, водопроводная арматура, тройники из латуни, судовая штуцерная арматура из бронзы, отливки из титановых сплавов). Имеются примеры литья под давлением стальных и чугунных заготовок, однако, технология литья этих сплавов пока не получила широкого распространения: высокая температура заливки, недостаточная стойкость пресс-форм, отбел при литье чугуна, низкая жидко текучесть стали, образование трещин и другие технологические проблемы, усложняют процесс литья из этих сплавов.[2,4,5,6,7,12,13,14,17].

Рис. 3.4. Технологические схемы литья под давлением: а – с горячей камерой прессования; б – с холодной вертикальной камерой прессования

В качестве примера рассмотрим основные этапы процесса литья под давлением с холодной вертикальной камерой прессования.

Первый этап - выплавить жидкий металл. Мало отличается от аналогичного этапа при других способах литья.

Второй этап - подготовить пресс-форму - включает такие важные операции, как подогрев пресс-формы и камеры прессования, нанесение смазки на рабочую поверхность пресс-формы и сборку формы. Подогрев необходим для удаления влаги, снижения величины усадочных напряжений и предотвращения образования трещин в отливках, облегчения заливки металла. Рабочая температура пресс-форм 120-130⁰С при литье алюминиевых сплавов, 300-350⁰С при литье медных сплавов, 450-500⁰С при литье титановых сплавов.

В начальный момент пресс-формы подогревают газовыми горелками или электронагревателями. В процессе литья тепловой режим пресс-формы регулируют с помощью водяного охлаждения.

Первая операция – подогрев пресс-формы и камеры прессования.

Вторая операция - нанесение смазки на рабочую поверхность пресс-формы. Назначение смазки - предотвращение налипания заливаемого металла, уменьшение его эрозионного воздействия на стенки пресс-формы (повышение стойкости), снижение усилий при извлечении отливок, повышение качества их поверхности. Смазку наносят на рабочую поверхность пресс-формы пульверизатором периодически или каждый цикл. Смазки бывают жирные (на основе индустриальных масел с графитом, воском) и водные (растворы солей).

Третья операция - сборка пресс-формы. Перед закрытием пресс-форму обдувают сжатым воздухом. При необходимости в момент закрытия в рабочую полость формы автоматически вводятся металлические стержни.

Третий этап - залить дозу металла в камеру прессования. Масса заливаемого металла несколько превышает массу отливки и литниковой системы. При этом жидкий металл не может заполнить рабочую полость формы под действием сил гравитации, так как литниковый ход перекрыт нижним выталкивающим поршнем.

Четвертый этап - заполнить рабочую полость формы жидким металлом. Верхний прессующий поршень под действием механизма прессования движется вниз, воздействует на жидкий металл, последний оттесняет нижний выталкивающий поршень вниз, открывается литниковый ход и металл устремляется с большой скоростью (до 140 м/сек) в рабочую полость формы. Для удаления из формы воздуха и газов по плоскости разъема пресс-формы, вдоль металлических стержней и толкателей выполняют вентиляционные каналы (глубиной 0,05 - 0,15 мм, шириной 10-30 мм.). Однако до 40% воздуха и газа не успевает выйти из рабочей полости формы и остаётся в металле в виде газовой пористости. Это влечет снижение механических свойств отливки, её негерметичность, невозможность последующей термической обработки (при нагреве отливки в местах скопления газов появляются вздутия и коробления).

Пятый этап - выдержать металл в форме для затвердевания и

охлаждения. Отливка затвердевает и охлаждается в форме в условиях высокого давления и интенсивного охлаждения, что способствует некоторому повышение механических свойств сплава.

Шестой этап - извлечь отливку из формы. Верхний прессующий поршень поднимается в исходное положение, нижний выталкивающий поршень двигается вверх, в результате чего затвердевший в камере прессования остаток металла (пресс-остаток) отделяется (отрезается) от литниковой системы, выталкивается кверху и сбрасывается в отходы на переплавку. После этого пресс-форма раскрывается, и отливка с литниковой системой извлекается из неё с помощью толкателей.

Седьмой этап - выполнить финишную обработку. В отличие от литья в песчано-глинистые и оболочковый формы она включает лишь отделение литниковой системы от отливки, зачистку заусенцев и контроль.

В настоящее время все технологические операции процесса литья под давлением автоматизированы, а заливка металла, извлечение отливки из формы и отделение литниковой системы от отливки - роботизированы.