Литье в керамические формы.

Керамические формы могут быть отнесены к разряду полупостоянных, так как в отдельных случаях они выдерживают до 10 наливов. Это наблюдается в случае получения отливок простой конфигурации из алюминиевых сплавов и с невысокими требованиями по размерной точности. Для сложных отливок из черных сплавов эти формы являются разовыми.

Технологический процесс производства отливок в керамические формы разбивается на следующие стадии:

- изготовление опорного слоя по промодели;

- приготовление суспензии;

- заливка суспензии в зазор между моделью и опорным слоем;

- отвердевание суспензии;

- извлечение модели из формы и ее обжиг.

Схематически эта последовательность представлена на рис. 4. По чертежу отливки изготавливают модель и промодель, размеры которой несколько больше, чем размеры модели. Если опорный слой изготавливают из чугуна, то необходимость в промодели отпадает. Промодель 1 устанавливают на плиту и накрывают опокой 2. Затем в опоку засыпают смесь, состоящую из 60...70 % шамотной крошки, до 36 % песка, до 3,5 % вспученного перлита, до 8,5 % цемента и до 1 % 10%-ного раствора NaOH. Затвердевая, эта смесь образует опорный слой 3. Затем опоку снимают вместе с опорным слоем и устанавливают ее на модель 4. В зазор между моделью и опорным слоем заливают суспензию 5. После ее затвердевания модель удаляют из формы, которую прокаливают при температуре 800...900 ⁰С.

Рис. 4. Литье в керамические формы:

а - промодель; б - получение опорного слоя; в - установка модели;

г - заливка суспензии; д - извлечение модели; е - прокалка формы

Суспензия состоит из гидролизованного раствора этилсиликата (40...50 % этилсиликата, 15...50 % спирта, 4..8 % подкисленной воды) и огнеупорного наполнителя (силлиманит, глинозем, мулит, циркон, кварц, полевой шпат, оксид магния). Ее тщательно перемешивают в быстровращающихся мешалках и после добавления катализатора (соляной кислоты, смеси оксида магния и аминов, диэтилметилами-на, раствора ацетата аммония и других), ускоряющего процесс гелеобразования, заливают в зазор между моделью и опорным слоем.

Применять керамические формы целесообразно для получения сложных точных отливок из труднообрабатываемых сталей и сплавов. Наибольшее распространение этот метод получил при изготовлении литой литейной оснастки и производстве штампов, а также в ювелирной промышленности. Масса отливок может быть различной - от десятков граммов до тонн.

 

Литье в кокиль.

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 отливок 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.5). Разъемный кокиль состоит из двух частей 1. По плоскости разъема в нем выфрезеровывают литниковые каналы 4 и вентиляционные канавки 2. Стержни 3, как правило, изготавливают из песчано-масляной или песчано-смоляной смесей. На наружной стороне кокилей могут 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 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.

Рис. 5. Конструкции кокилей: а - разъемного; б - вытряхного

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. 6. 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 ⁰С, смесь отвердевает за несколько минут и после раскрытия 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.

Рис. 6. 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

 

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 расстояние.

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

 

Литье под давлением.

Литьем под давлением называется способ получения фасонных отливок в металлических формах, при котором заполнение формы и кристаллизация металла производится под принудительным давлением. Этот способ применяется в массовом производстве для изготовления тонкостенных отливок из сплавов цветных металлов. Он обеспечивает высокую точность размеров отливок, большинство которых не требует дальнейшей механической обработки.

При литье под давлением металлические формы (прессформы) и стержни делаются стальными. Применение песчаных стержней в данном случае исключается, так как заполняющий форму жидкий металл под высоким давлением может разрушить их.

Литье под давлением производится на специальных машинах (рис.1).

Машины поршневого действия с горячей камерой сжатия (рис.1,а) применяются для сплавов, имеющих температуру плавления до 450 ⁰С (оловянных, цинковых, свинцовых). Эти машины бывают ручные, полуавтоматического и автоматического действия.

Принцип работы машин заключается в следующем. В чугунную подогреваемую ванну 1 заливают жидкий металл, который через отверстия 2 заполняет полость цилиндра 3 и подводящий канал 4. При повороте пусковой рукоятки обе половины пресс-формы закрываются. Одновременно конец мундштука 6 прижимается к устью канала пресс-формы 5.

В следующий момент автоматически включается пневматический цилиндр 7, под действием которого поршень 8 вытесняет расплавленный металл в форму. После затвердевания металла поршень поднимается, а пресс-форма раскрывается, освобождая отливку. Затем пресс-форма очищается (обдувается) и вновь заливается.

Производительность полуавтоматических и ручных машин составляет около 250 заливок в час, автоматических - около 1000.

Давление на металл в поршневых машинах с горячей камерой сжатия достигает 6-75 атм.

Компрессорные машины с неподвижной камерой сжатия и с закрытой ванной (рис.1,б) работают по следующему принципу. Через отверстие 3 подается сжатый воздух, который давит на всю поверхность металлической ванны и гонит металл через патрубок 5 в мундштук 7 и форму 6. Производительность машины 60-400 заливок в час. Недостатком ее является окисление большой поверхности металла воздухом, поступающим для создания давления.

Компрессорные машины с подвижной камерой сжатия (рис.1,в) работают также при помощи сжатого воздуха, однако здесь воздух подается не в ванну, а в специальный канал, называемый подвижной камерой сжатия. В чугунной ванне 1 расположена подвижная камера сжатия 2, на конце которой прикреплен мундштук 3. С другой стороны камеры сделано отверстие 5 для подвода сжатого воздуха. После включения пускового механизма подвижная камера поднимается тягами из ванны, причем мундштук подходит к устью канала пресс-формы 4. В то же время отверстие 5 вплотную подходит к втулке 6. Затем включается сжатый воздух, который вгоняет расплавленный металл в закрытую пресс-форму. Давление на металл составляет 10-100 атм. Производительность машины - 50-300 отливок в час.

Машины поршневого действия с холодной камерой сжатия (рис.1,г) работают по принципу впрессовывания порции жидкого металла, предварительно залитого в поршневую камеру. Металл заливают дозировочным ковшом в цилиндр 1, после чего поршнем 2 впрессовывают в форму 3. При этом избыток металла остается на нижнем поршне 4. В последующий момент поршень 2 отходит в верхнее положение, остаток металла 5 ходом нижнего поршня 4 отрезается от литника и удаляется из цилиндра. Затем пресс-форму раскрывают и удаляют отливку 6.

Рис. 1. Машины для литья под давлением

Давление на жидкий металл составляет 100-1000 атм. Производительность машины - до 300 отливок в час. Эти машины применяют чаще всего для литья из алюминиевых сплавов, но можно отливать детали и из других цветных сплавов.

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 ⁰С, после чего на рабочую поверхность наносят огнеупорное покрытие. Применение покрытий повышает стойкость форм, снижает скорость охлаждения отливок, что весьма важно для борьбы с отбелом 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 и (об/мин), но для литья на машинах с горизонтальной осью вращения наиболее часто используют формулу

, (1)

где ρ - плотность сплава отливки, г/см³; r — 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 (рис.2,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.

Рис. 2. Центробежное литье: а - вертикальная ось вращения формы; б - горизонтальная ось вращения;

в - литье в разовые формы

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.2,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.2,в). Применение разовых форм сопряжено с опасностью их раздутия под действием центробежных сил, возникающих при заливке металла, и увеличения пригара на поверхности отливок.

Электрошлаковое литье.

Сущность электрошлакового литья состоит в переплаве расходуемого электрода в водоохлаждаемой металлической форме (кристаллизаторе). При этом операция расплавления металла, его заливка и выдержка отливки в форме совмещены по месту и времени. В качестве расходуемого электрода используется прокат.

При изготовлении отливок в металлическую форму (кристаллизатор) 6 заливают предварительно расплавленный шлак 4, состоящий из фторида кальция или смеси на его основе и обладающий высоким электросопротивлением (рис.3). При пропускании электрического тока через расходуемый электрод 7, погруженный в шлаковую ванну, и затравку 1 выделяется значительное количество теплоты, за счет которой шлаковая ванна нагревается до температуры 1700 ⁰С, что вызывает оплавление электрода. Капли расплавленного металла проходят через расплавленный шлак и образуют под ним металлическую ванну 3. Ванна расплавленного металла в водоохлаждаемой форме затвердевает последовательно, образуя плотную без усадочных дефектов (раковин и пористости) отливку 2. Внутренняя полость отливки образуется металлической вставкой 5.

Рис. 3. Схема изготовления отливок электрошлаковым литьем

Рафинирующее действие расплавленного шлака способствует удалению кислорода, снижает содержание серы и неметаллических включений, что обусловливает получение отливок с высокими механическими и эксплуатационными свойствами.

Электрошлаковым литьем изготовляют отливки ответственного назначения массой до 300 т: корпуса клапанов и задвижек атомных и тепловых электростанций, коленчатые валы судовых дизелей, корпуса сосудов сверхвысокого давления, ротора турбогенераторов и другие.