Литье в металлические формы (в кокиль)

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 песчаные литейные 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 мм отно­сят 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).