С горизонтальной камерой прессования

С вертикальной камерой прессования

Под низким давлением

Вертикальные —

Горизонтальные

С горячей камерой прессования

С холодной камерой прессования

Рис. 15.1. Классификация специальных способов литья

Литье в постоянные формы

К методам литья в постоянные формы можно отнести кокиль­ное литье, литье под давлением, центробежное, непрерывное литье, литье вакуумным воасыванием, выжиманием, методом жидкой прокатки, намораживанием, электрошлаковое литье. Особенностью данных методов литья является многократное использование форм, как правило, металлических.

Кокильное литье

Кокиль представляет собой металлическую литейную форму из чугуна, стали или, реже, цветных сплавов, в полость которой расплав подается под действием силы тяжести. В отличие от разо­вой песчано-глинистой формы металлическая используется мно­гократно. При изготовлении полых отливок из черных сплавов используют разовые стержни, для цветных сплавов возможно применение металлических стержней, которые извлекают из отливки после образования прочной корки твердого металла на ее поверхности. Производство отливок в кокилях имеет свои технологические особенности.

Первой из них является окраска рабочей поверхности и лит­никовых каналов формы специальными красками, которые сни­жают перепад температур по сечению формы, предохраняют ее от термических ударов, размывающего действия струи заливае­мого расплава и, следовательно, увеличивают срок ее службы.

Вторая особенность технологического процесса заключается в том, что для создания идентичных условий затвердевания от- ливой в течение всей смены кокиль перед употреблением подог­ревают до определенной температуры. При заливке чугуна это уменьшает опасность появления «отбела» (структуры ледебури­та) в поверхностных слоях отливки.

Третья особенность — неподатливость и негазопроницаемость формы, что требует увеличить уклоны на поверхностях отливки, перпендикулярных плоскости разъема формы, применять раннюю выбивку отливок и устанавливать венты или изготавливать ка­налы по разъему формы для удаления воздуха из карманов.

Интенсивный теплообмен между затвердевающей отливкой и формой (четвертая особенность) обеспечивает плотную мелко­зернистую структуру в отливках, что во всех случаях желательно для цветных сплавов, но не всегда полезно для черных. Быстрое затвердевание стальных отливок затрудняет удаление газов, скап­ливающихся перед фронтом кристаллизации, что приводит к их захвату твердой коркой и образованию в ней поверхностной газо­вой пористости. Быстрое затвердевание чугунных отливок обуслов­ливает «отбел» и аномальные формы графита в поверхностном слое.

Трудоемкость изготовления отливок в кокилях меньше, чем при литье в разовые формы, качество поверхности и точность размеров выше, припуски на обработку меньше, а условия тру­да лучше. Масса отливок не лимитирована (от 0,5 кг до 15 т). В кокилях можно получить такие массивные отливки, как про­катные валки, шаботы молотов, станины прокатных станов, из­ложницы и т.д.

Стойкость кокилей зависит от материала самого кокиля, типа заливаемого металла, массы получаемых отливок, толщины по­крытия на рабочей поверхности и колеблется от нескольких на­ливов (при заливке стальных слитков в изложницу) до десятков тысяч (при производстве мелких алюминиевых отливок в сталь­ной кокиль).

По конструкции, которая определяется типом отливки, кокили бывают вытряхными и разъемными (рис. 15.2). Разъемный ко­киль состоит из двух частей 1. По плоскости разъема в нем выф- резеровывают литниковые каналы 4 и вентиляционные канавки 2. Стержни 3, как правило, изготавливают из песчано-масляной или песчано-смоляной смеси. На наружной стороне кокилей мо-

Рис. 15.2.Конструкции кокилей: а — разъемного; б — вытряхного

 

гут отливаться ребра, увеличивающие теплоотдачу в атмосферу, или изготавливаются полости 5 для жидкостного охлаждения. Литниковая система вытряхных кокилей выполняется внутри центровых стержней или делается дождевой, для чего сверху на кокиль 8 устанавливают заливочную чашу 6, одновременно об­легчающую центрирование стержня 7. Поворот кокиля с целью удаления отливки осуществляется механически или вручную. Ось поворота совпадает с осями опорных цапф 9.

Разновидностью кокильного литья является литье в облицо­ванный кокиль, или двухслойную форму. При этом сам кокиль изготавливают из стали или чугуна отливкой в разовую форму. Его рабочая полость, с небольшой степенью точности повторяющая конфигурацию отливки, облицовывается слоем плакированной песчаной смеси, отвердевающей при нагреве. Рабочий процесс изготовления двухслойной формы приведен на рис. 15.3. Рас­крытая форма, состоящая из двух полуформ 1, и неподвижные центровые стержни 2 показаны на виде сверху. Форма предна­значена для отливки полых цилиндров или втулок. После ввода модели 3 форма закрывается, и в зазоры между стержнями, мо­делью и полуформами задувается горячетвердеющая смесь. Так как кокиль и стержни предварительно нагревают до 250 °С, смесь отвердевает за несколько минут и после раскрытия формы

Рис. 15.3.Схема литья в облицованный кокиль:а— раскрытая форма; б— ввод модели; в— сборка формы и задув смеси;г— раскрытие формы; д— извлечение модели; е— сборка и заливка формы

 

и удаления модели на рабочей поверхности формы и стержней остается корочка. Металл, залитый в собранную форму, контак­тирует с корочкой из песчаной смеси. Меняя толщину корочки в различных местах полости формы, можно управлять скоростя­ми охлаждения различных зон отливки. Долговечность облицо­ванных форм выше, чем окрашенных, и, что особенно важно, при заливке в них чугуна удается избежать «отбела» в углах и тонких сечениях отливок.

Фотография блока отливок гильз двигателя внутреннего сго­рания вместе с литниковой системой, полученного в четырех- позиционном облицованном кокиле, приведена на рис. 15.4.

Рис. 15.4. Блок отливок гильз

 

Устранить «отбел» за счет самоотжига удается и при литье в кокиль с регулируемым зазором. От обычного такой кокиль отличается тем, что он выполняется секционным и каждая из секций может быть отодвинута от отливки на некоторое рас- стояние^

Если отдаление кокиля от отливки, следствием чего является резкое замедление скорости охлаждения, происходит сразу после образования корочки затвердеваюшего металла на поверхности отливки, то корочка разогревается теплом внутренних слоев. Это приводит к разложению цементита, образовавшегося в поверх­ностных слоях чугунных отливок.

Литье пол давлением

Разновидности литья под давлением были показаны на рис. 15.1, а схемы машин приведены на рис. 15.5. Из этих схем следует, что давление на расплавленный металл при заполне­нии им металлической формы 1 может передаваться от поршня или за счет сжатого воздуха. В свою очередь, поршневые маши­ны могут иметь горизонтальную 2 или вертикальную 7 камеру прессования.

Компрессорные машины всегда имеют горячую камеру прес­сования и их условно можно разделить на машины собственно компрессорные и машины с регулируемым или низким давле­нием.

3

7 1 Рис. 15.5. Схемы машин для литья под давлением: а — с горизонтальной камерой прессования; б — с горячей вертикальной камерой; в — с холодной вертикальной камерой; г — компрессорная; д — под низким давлением

При работе на машинах с горизонтальной камерой прессо­вания в начале цикла поршень 3 находится в крайнем правом положении и не препятствует заливке расплавленного металла в камеру 2. Металлическая форма 1 делается разъемной, она

4

 

собирается перед началом прессования. Стержень также метал­лический. При перемещении поршня влево металл запрессовы­вается в полость 4. Давление снимается только после завершения затвердевания, после чего стержень извлекают и раскрывают форму.

На машинах с горячей вертикальной камерой прессования в момент, когда прессующий поршень 6 находится в крайнем верхнем положении, камера прессования 7 соединяется с поло­стью обогреваемого тигля 5, что позволяет расплаву затекать в нее. При движении поршня вниз расплав под давлением через канал и мундштук 8 поступает в форму 1. После затвердевания металла в форме поршень перемещается вверх в исходное поло­жение, а форма разбирается для извлечения отливки.

Компрессорные машины работают на сжатом воздухе (см. рис. 15.5, г и <Э). Расплавленный металл находится в обогреваемом тигле 9, откуда он под постоянным или возрастающим (регули­руемым) давлением через металлопровод 10 подается в разъёмную металлическую форму. Низкие величины давления в начале про­цесса обеспечивают спокойное поступление расплава в пресс- форму, а рост давления в процессе затвердевания исключает об­разование усадочной пористости в отливках.

Прй заполнении пресс-формы сплав подается за 0,05...0,5 с со скоростью свыше 100 м/с. Только часть газа, находящегося в фор­ме, удаляется из нее, а остальная образует воздушно-металличе­скую эмульсию, обусловливающую газовую пористость и низкие механические свойства отливок. Для ее ликвидации полости пресс-форм вакуумируют или заполняют кислородом, вытесняя азот воздуха и препятствуя образованию газовых пузырьков.

Рабочий цикл машины с холодной вертикальной камерой прессования подробно представлен на рис. 15.6. Металлическая форма (пресс-форма) состоит из подвижной 4 и неподвижной 3 половинок. Она проектируется таким образом, чтобы при усад­ке отливка фиксировалась на выступах подвижной половинки, в которой установлены выталкиватели 5 и рассекатель 6, вос­принимающий удар струи жидкого металла. Через канал 7 ра­бочая полость пресс-формы соединяется с камерой прессования 1. Когда прессующий поршень 2 находится в верхнем положении, запирающий поршень 8 перекрывает канал 7 и препятствует затеканию расплава в форму. При движении поршня 2 вниз запирающий поршень опускается в гнездо и не препятствует поступлению металла в форму. После затвердевания металла подвижная полуформа отходит вправо, вследствие чего выталки­ватели упираются в упоры 9 и снимают отливки 10 с выступаю­щих частей полуформы. В то же время запирающий поршень, отрезав пресс-остаток 11 от литника, поднимает его до верхнего уровня камеры прессования, облегчая удаление с целью утили­зации.

Литье под давлением применяется для изготовления отли­вок из сплавов на основе алюминия, магния и цинка и лишь в отдельных случаях применяется для сплавов железа. Отливки, полученные литьем под давлением, отличаются высокой чисто­той поверхности и точностью. Трудоемкость изготовления от-

вертикальной камерой прессования:а— заливка расплава; б— прессование; в— удаление отливок

 

ливок снижается более чем в 10 раз, а объем их механической обработки — в 5...8 раз, но при этом трудоемкость изготовления самих форм возрастает в несколько раз. Срок службы форм со­ставляет сотни тысяч заполнений для цинковых и магниевых сплавов и десятки тысяч для алюминиевых и медных.

Центробежное литье

При центробежном литье заполнение формы жидким ме­таллом, его затвердевание и дальнейшее остывание до темпера­туры удаления отливки из формы происходят в условиях воздей­ствия центробежных сил. Эти силы возникают вследствие враще­ния формы вокруг вертикальной, горизонтальной или наклонной оси. При этом внутренняя поверхность отливки формируется без контакта с формой, и ее называют свободной поверхностью. Естественно, что при этом способе литья в подавляющем числе случаев отпадает необходимость в стержнях для образования внутренних поверхностей.

При центробежном литье обычно используют металлические формы, которые предварительно подогревают до 250...350 °С, после чего на рабочую поверхность наносят огнеупорное покры­тие. Применение покрытий повышает стойкость форм, снижает скорость охлаждения отливок, что весьма важно для борьбы с от- белом в чугунных отливках, и уменьшает вероятность образова­ния спаев и трещин. В качестве покрытий используют краски или облицовки из сыпучих материалов. Иногда в их состав вводят горячетвердеющие связующие, легирующие или модифицирую­щие добавки, направленно изменяющие структуру поверхностных слоев отливки.

Скорость вращения формы оказывает большое влияние на процесс кристаллизации и охлаждения отливки, а также на формирование в ней специфических дефектов — спаев, тре­щин, ликвации. Существуют различные формулы для расчета частоты вращения изложницы п (об/мин), но для литья на ма­шинах с горизонтальной осью вращения наиболее часто исполь­зуют формулу

_ 5520 л/рг '

где р — плотность сплава отливки, г/см³; >------------- внутренний ради­ус отливки, см.

Центробежное литье обеспечивает получение плотных отли­вок с дисперсной структурой и облегчает выход на свободную поверхность шлаковых и газовых включений. В процессе осты­вания расплава в нем зарождаются и растут кристаллы твердой фазы. Так как плотность металла в твердом состоянии выше, чем в жидком, образовавшиеся кристаллы под действием центро­бежных сил перемещаются на внешнюю поверхность отливки, выжимая шлак и легкоплавкий ликват на внутреннюю поверх­ность. Перемешивание расплава препятствует направленному росту кристаллов, способствуя образованию мелкой плотной структуры в отливке.

Вместе с тем центробежные силы оказывают и отрицатель­ное влияние на формирование качественной отливки. Они при­водят к химической неоднородности при производстве отливок из высоколегированных сплавов. В чугунных отливках наблю­дается ликвация углерода, серы и фосфора и велика вероятность «отбела» в связи с тем, что центробежные силы препятствуют усадке отливки и образованию зазора между ней и формой, в ре­зультате чего теплоотвод от отливки ускоряется.

Для производства отливок типа коротких втулок и колец подшипников, у которых отношение длины к диаметру меньше трех, обычно применяют машины с вертикальной осью враще­ния (рйс. 15.7, а). Расплав из ковша 1 заливается с помощью наклонного желоба или непосредственно через отверстие в крыш­ке 2 в изложницу 3, вращающуюся вокруг вертикальной оси. Так как помимо центробежных сил на жидкий металл оказыва­ют влияние силы гравитации, внутренняя поверхность получа­ется искривленной, а отливка разностенной.

Для отливок типа чугунных труб диаметром 200...300 мм и длиной до 6000 мм, а также для гильз двигателей широко применяются машины с горизонтальной осью вращения (рис. 15.7, б). Расплав поступает по подвижному желобу 6 в из­ложницу 5. Торцевой раструб отливки формируется вставкой 4 или разовым стержнем. Для опоры и привода изложницы ис­пользуют ролики 7.

В отдельных случаях применяют центробежную заливку разовых форм 8, для чего их закрепляют на специальных плат­формах (рис. 15.7, в). Применение разовых форм сопряжено

Puc. 15.7. Центробежное литье: a — вертикальная ось вращения формы; б — горизонтальная ось вращения; в — литье в разовые формы

с опасностью их раздутия под действием центробежных сил, возникающих при заливке металла, и увеличения пригара на поверхности отливок.

15,2.4. Непрерывное литье

Непрерывное литье — это способ получения протяженных отливок постоянного поперечного сечения путем непрерывной подачи расплава в форму и вытягивания из нее затвердевшей части отливки. В зависимости от направления вытягивания раз­личают вертикальное и горизонтальное непрерывное литье. Вер­тикальное литье обычно применяется для получения слитков и труб. Схема его рассмотрена ранее для слитков (см. рис. 11.7, в). При производстве труб в кристаллизатор устанавливают водо- охлаждаемый стержень, который формирует внутреннюю поверх­ность трубы.

A L t Lц t t L....................... // / J / / / / / f / </777.

Схема горизонтального литья приведена на рис. 15.8. Кри­сталлизатор 2, установленный в металлоприемник 1, изготав­
ливается из меди, графита и, реже, стали. Он имеет внутреннюю полость, профиль которой соответствует поперечному сечению отливки. На выходной части кристаллизатора устанавливает­ся рубашка водяного охлаждения 3. Слиток 6 вытягивается из кристаллизатора тянущими роликами 5 и разделяется на мерные куски с помощью пилы 7 или ломателей. Центральная часть слитка после его выхода из кристаллизатора остается жидкой, поэтому чтобы ускорить затвердевание и исключить прорыв рас­плава через оболочку твердого металла, устанавливается души- рующее устройство 4 для охлаждения водой.

t Рис. 15.8. Непрерывное горизонтальное литье

 

Высокий градиент температур по сечению отливки в процессе ее затвердевания и подача расплава из металлоприемника в зону кристаллизации создают предпосылки для получения плотных отливок.

Непрерывным литьем получают заготовки постоянного сече­ния в виде круга, полосы или более сложного профиля, как, напри­мер, направляющие станин металлорежущих станков. Недостат­ком этого метода литья является ограниченность номенклатуры отливок, связанная с невозможностью получения сложных по форме заготовок.