Литье в кокиль

Особенность литья в кокиль состоит в многократном использовании металлической формы (кокиля). Высокая прочность материала метал­лической формы позволяет более точно выполнять рабочие полос­ти формы, что обеспечивает высокое качество литой поверхности. Благодаря высокой теплопроводности формы отливка быстро затвер­девает.

К числу преимуществ литья в кокиль относится также резкое (по сравнению с литьем в песчаные формы) сокращение механической обработки отливок, сокращение (а во многих случаях и полное исклю­чение) расхода формовочных материалов.

К недостаткам технологии относятся высокая стоимость металличе­ской формы, плохая заполняемость тонкостенных отливок с поднутре­ниями, опасность возникновения трещин на отливках.

Металлическая форма (рис. 9.10) обычно состоит из двух полуформ 5, которые фиксируются штырями (фиксаторами) 3 и перед заливкой металла закрепляются замками 4. Питание отливки осуществляется прибылями;, вентиляция формы происходит через выпоры 2 и специ­альные вентиляционные пробки.

Применяют и неразъемные металлические формы — так называе­мый вытряхной кокиль (рис. 911).

Перед заливкой на рабочую поверхность формы наносят слой огне­упорного покрытия, который предохраняет форму от резкого терми­ческого удара при заливке и от опасности схватывания металла отливки

с формой.

В состав огнеупорного покрытия при изготовлении стальных и чугунных отливок входят: пылевидный кварц, графит, огнеупорная глина, жидкое стекло. Для медных сплавов применяется графитовый порошок, замешанный на вареном масле или на его аналогах. Для алюминиевых сплавов используют окись цинка, прокаленный асбест в смеси с жидким стеклом, для магниевых — тальк, борную кислоту и жидкое стекло.

Затем форму подогревают до температуры не ниже 200 ° С. Темпе­ратура подогрева зависит от состава заливаемого сплава и толщины

стенок отливки.

Основное требование, предъявляемое к материалу формы,— высо­кая стойкость к термическому удару, возникающему при заливке металла. Формы для стальных и чугунных отливок изготавливают из легированного чугуна, для алюминиевых и магниевых — из серого перлито-ферритного чугуна.

Одной из разновидностей рассматриваемой технологии является литье в облицованный кокиль (литье в металлопесчаные формы), которое лишено недостатков оболочкового и кокильного литья, но совмещает в себе их достоинства.

Облицованный кокиль обладает высокой трещиностойкостью, по­датливостью. Он обеспечивает высокую точность отливки. Расход до­рогостоящего формовочного материала минимален по сравнению с оболочковым литьем.

Для изготовления облицованной металлической формы (рис. 9.12) в пространство между рабочей поверхностью кокиля и металли-? ческой модели отливки пескострельным способом вдувается плакиро­ванная песчано-смоляная смесь (2,5—3% пульвербакелита). За счет тепла кокиля и модели, нагретых до 200—220°С, происходит упроч-

нение смеси и образование облицовки обычно толщиной 3—5 мм. Полости в отливках выполняют при помощи обычных или оболочковых стержней.

Считается, что литье в кокиль экономически целесообразно при серийном и массовом производстве. Поэтому для художественного литья технология малоперспективна. Этим методом, очевидно, стоит изготавливать литые изделия простой конфигурации при большой потребности в них.

9.5. ЛИТЬЕ ПО ГАЗИФИЦИРУЕМЫМ МОДЕЛЯМ

В отличие от других методов литья, предусматривающих удаление модели перед заливкой металла тем или иным способом, при литье по газифицируемым моделям (моделям из пенопласта) могут быть созданы условия, позволяющие не удалять модель из формы перед заливкой. В некоторых случаях модели из пенопласта перед заливкой металла удаляются из формы путем выжигания, возгонки, растворения и т. д.

Благодаря сравнительной простоте механической обработки поли­стирола и изготовления моделей из этого материала литье по газифи­цируемым моделям нашло применение для изготовления художест­венных отливок. Эту технологию целесообразно использовать, когда необходимо изготовить единичный экземпляр несложной по конфигу­рации отливки, например фирменной доски, различных накладок с простым орнаментом и т. п.

Для изготовления моделей используют гранулы полистирола, кото­рые готовят путем полимеризации стирола с одновременным введением в состав гранул низкокипящих компонентов. Это позволяет в дальней­шем при нагреве гранул до 80—100 °С получить пористый полистирол.

Выпускаемый отечественной промышленностью суспензионный по­листирол имеет следующие характеристики:

Влажность, %......................... 1,0—4,5

Содержание мономера, %.................. 0,25—1,0

Содержание порообразователя, %............. 4,0—4,5

Насыпная плотность, г/л................... 20,0—50,0

Гранулометрический состав (остаток на сите № 1),%.. 10,0—50,0

Одной из важных характеристик гранул суспензионного полисти­рола, определяющей его свойства и режим переработки, является молекулярная масса. С увеличением молекулярной массы повышается механическая прочность и теплостойкость полистирола. Молекулярная масса может составлять от 30 000 до 60 000.

Для изготовления литейных моделей гранулы полистирола, как правило, подвергаются предварительному подвспениванию — нагреву, который сопровождается ростом гранул. Предварительным процесс называют потому, что его прерывают и продолжают в дальнейшем при оформлении моделей в пеноформах. При вторичном нагревании гра­нулы, расширяясь, заполняют все промежутки и пустоты в пеноформе и спекаются между собой под влиянием возникшего давления. В каче­стве источника нагрева используются горячая вода, водяные растворы солей, паровоздушная смесь, токи высокой частоты, горячий воздух.

Изготовление литейных моделей методом вспенивания в пеноформах осуществляется в основном при серийном и массовом производстве.

При индивидуальном производстве модели изготавливают путем меха­нической обработки плит и блоков, поставляемых промышленностью.

Механическая обработка пенополистирола может производиться на деревообрабатывающем оборудовании. Пенополистирол хорошо обра­батывается проволокой, нагреваемой электрическим током.

Соединение отдельных элементов литейных моделей осуществляет­ся склеиванием, сваркой и спеканием токами высокой частоты.

Применяются различные клеи, которые не разрушают полистирол, не влияют на газификацию модели и на химический состав металла, а также легко выгорают.

Формовка моделей может осуществляться различными способами: трамбованием, встряхиванием, вибрацией. При этом используют пес-чано-глинистые, жидкостекольные, самотвердеющие, цементные сме­си. Одним из преимуществ рассматриваемой технологии является воз­можность формовки в сухой песок, не содержащий связующего. При этом целостность формы сохраняется за счет того, что песок удержи­вается металлом, замещающим в форме модель, и парами стирола, которые, проникая в форму, скрепляют между собой частички песка.

При заливке металла пенополистирол вначале быстро расплавляет­ся, затем газифицируется и воспламеняется. Горение паров стирола сопровождается выделением копоти и продуктов разложения модели. При литье в закрытую форму, т. е. без доступа воздуха, горение не происходит. Пенополистирол только плавится и газифицируется, а пары стирола, проникая в форму, конденсируются в ней.

К числу недостатков литья по газифицируемым моделям кроме выделения сажи и паров стирола можно отнести науглероживание отливок. Так, в отливках из стали 40 с толщиной стенок 106 мм концентрация углерода на глубине 4 мм может достигать 0,8%.

9.6. ЛИТЬЕ НА ЗАМОРАЖИВАЕМОМ СВЯЗУЮЩЕМ

Одним из прогрессивных методов художественного литья, который еще не нашел широкого применения, но обладает рядом преимуществ перед другими технологиями, является изготовление литых изделий в керамических оболочках на замораживаемом связующем в виде водной суспензии.

Технология изготовления литейных форм путем предварительного замораживания водной суспензии основана на известном явлении ко­агуляции гидрозолей оксидов металлов при охлаждении до температур ниже точки замерзания. Суспензия состоит из твердых частичек крем­незема с гидратированной поверхностью и свободной воды (рис. 9.13, а)

Замораживание включает две стадии.

На первой стадии происходит замораживание свободной воды. В процессе роста кристаллов льда происходит сжатие твердой фазы. В результате формируется структура коагуляционного типа. Твердые частицы находятся в дальнем взаимодействии. Их сближению препят­ствует расклинивающее действие гидратных оболочек. Замораживание носит обратимый характер: при нагревании система возвращается в жидкое состояние.

Вторая стадия начинается с момента достижения системой темпера­туры замерзания воды, входящей в состав гидратных оболочек. Вымо­раживается главным образом вода, адсорбированная физически, и вода

гидроксильных групп, связанных водородной связью. Это снижает расклинивающее действие гидратных оболочек. Снижение расклини­вающего действия и одновременный рост давления за счет увеличения объема замерзшей воды сближают частицы твердой фазы. Они всту­пают в ближнее взаимодействие или даже непосредственный контакт. Формируется структура конденсационного типа, неспособная к регид-ратации (рис. 9.13, б)

Изготовленная таким способом смесь после термической сушки и обжига сохраняет свою форму и размеры.

Технологический процесс состоит из следующих операций: приго­товление суспензии (шликера), подготовка модельной оснастки, запол­нение оснастки суспензией, замораживание керамической оболочки, отделение керамической оболочки, сушка и прокаливание оболочки.

Суспензию готовят двумя способами — мокрым помолом огнеупор­ного материала или смешением мелкодисперсного огнеупора в гидро­золе диоксида кремния.

Мокрый помол производится в шаровых мельницах. В результате помола происходит гидратация свежеобразованных поверхностей ог­неупора, намол коллоидных фракций и частичное растворение крем­незема в воде.

Смешение желательно проводить в быстроходных смесителях.

При литье на замораживаемом связующем используется огнеупор­ный материал, применяемый при литье по выплавляемым моделям. Гидрозоль SiCb должен содержать не менее 10% твердой фазы (гидро­золь производит химический завод им. Карпова в г. Менделеевске).

Керамические оболочки изготавливают или неразъемными по ледя­ным моделям, или в постоянных пресс-формах.

Постоянные пресс-формы предварительно охлаждают до темпера­туры —25...—35 °С. Материалом пресс-формы может служить алюми­ниевый сплав Д16. По конструкции предпочтительны массивные пресс-формы с внешним постоянным теплообменником.

Охлажденную модельную оснастку заполняют суспензией свобод­ной заливкой или под избыточным давлением. Второй вариант реали­зуется на установках вакуумного всасывания, с поршневым давлением или с низким газовым давлением.

Замораживание производится в пресс-форме при температуре не выше —20° С. При этом должны соблюдаться условия направленного затвердевания, поскольку суспензия при замерзании увеличивает свой объем на 3—4 %.

Ледяные модели вытапливают в потоке нагретого осушенного воз­духа при температуре не выше 200 ° С.

После удаления модели керамическая оболочка поступает в печь для сушки и прокаливания. При загрузке оболочки температура в печи должна быть не выше 500 ° С. Затем оболочка нагревается с печью до температуры 800—9ОО°С, выдерживается при этой температуре при-

близительно в течение часа, после чего охлаждается в печи до 300— 400 "Си далее на воздухе.

На рис. 9.14 показаны отливки, изготовленные по данной технологии.

Литьем в керамических оболочках на замораживаемом связующем можно изготавливать мелкие ювелирные отливки массой несколько грамм и более тяжелые отливки — массой до 10 кг.

Основные преимущества технологии — экологическая безопас­ность, относительная простота и дешевизна литейных материалов.