Литье в металлические формы

2.2 Литье в металлические формы.

Литье в кокиль – процесс получения отливок путем свободной заливки расплавленного металла в металлические формы-кокили.

Кокиль изготовляют из чугуна, стали и других сплавов. Способ литья в кокиль имеет преимущества перед литьем в песчаные формы. Кокили выдерживают большое число заливок (от нескольких сот до десятков тысяч) в зависимости от заливаемого в них сплава: чем ниже температура заливаемого сплава, тем больше их стойкость. При этом способе исключается применение формовочной смеси, повышаются технико-экономические показатели производства, улучшаются санитарно-гигиенические условия труда.

Высокая теплопроводность кокиля ускоряет процесс кристаллизации сплава и способствует получению отливок большой герметичности и с высокими механическими свойствами.

Высокая прочность металлических форм позволяет многократно получать отливки одинаковых размеров. Минимальное физико-химическое взаимодействие металла отливки и формы повышает качество поверхности отливки.

К недостаткам этого способа литья относится сравнительно малая стойкость и высокая стоимость изготовления кокиля. Образование внутренних напряжений в отливке требует соблюдения точного технологического процесс литья.

В кокилях получают 6% стальных отливок. Этот способ литья экономически целесообразен в серийном и массовом производствах.

Кокиль чаще изготовляют из двух половин, соответствующим двум полуформам при литье в песчаные формы. Рабочая полость кокиля соответствует внешней конфигурации отливки. Установленные в эту форму песчаные стержни образуют полость с конфигурациями отливки. Для заливки кокиля жидким металлом в плоскости разъема или в стержне выполняют каналы для литниковой системы. Сплав заполняет пространство между полостью кокиля и стержнем, образуя отливки. После затвердевания отливки кокиль раскрывают, и из него выталкивается готовая отливка. Затем все процессы повторяются.

В зависимости от конфигурации отливки кокиль изготовляют с одним или несколькими разъемами. Плоскости разъема кокиля могут быть вертикальными, горизонтальными или комбинированными.

Чтобы уменьшить скорость охлаждения отливок, избежать образования закаленного слоя около поверхности и повысить стойкость кокиля, на его рабочую поверхность наносят теплоизоляционные покрытия. Их изготовляют из одного или нескольких огнеупорных материалов (кварцевой муки, молотого шамота, графита, мела, талька) и связующего материала (жидкого стекла, патоки).

Кокиль практически газонепроницаем. Газы удаляются из формы через выпор и газовые каналы, выполненные по линии разъема кокиля или в специальных пробках. Газовые каналы делают обычно глубиной 0,2-0,5мм. Через такие каналы не вытекает жидкий сплав, но легко удаляются газы.

Механизировать и автоматизировать технологический процесс кокильного литья легче, чем процесс литья в песчаные формы. Для механизации применяют кокильные машины – однопозиционные и карусельные. На этих машинах автоматизируют следующие технологические процессы: открывание и закрывание кокилей, постановку и удаление металлических стержней и выталкивание отливок из кокиля.

Литье под давлением – процесс получения отливок в металлических формах, при котором их заполнение сплавом и формирование отливок осуществляется под давлением. Этот способ литья применяют в массовом производстве (так как стойкость пресс-форм высока) тонкостенных отливок. При данном способе литья достигаются большая точность размеров отливок и высокое качество поверхности, не требуется механической обработки. Этот способ литья очень производителен (200-400 циклов в час). При литье под давлением формы изготовляют стальными. Они имеют более сложную конструкцию и большую точность, чем кокили, поэтому и стоимость их выше. Применяются только неразъемные металлические стержни. Использование песчаных стержней исключено, так как струя металла может их разрушить. Струя металла подается под большим давлением и скоростью. При этом газы из полости формы не успевают удалиться, что приводит к образованию в толстостенных отливках газовой пористости.

Пресс-форма – сложное приспособление, состоящее из 30-100 деталей. Рабочая часть пресс-формы выполнена из вкладышей. Металлические стрежни для образования отверстий в отливке устанавливаются и извлекаются автоматически с помощью приспособления.

Сплав заливается в камеру прессования. При прессовании струя металла, проходя через литниковые каналы, заполняет полость пресс-формы. При раскрытии пресс-формы отливка выталкивается толкателями.

Машины для литья под давлением являются сложными техническими устройствами. Машина состоит из корпуса, направляющих, гидравлических цилиндров, которые приводят в движение половины пресс-формы и металлические стержни, а также создают давление (30-100 МН/м2) для прессования металла.

Литье под низким давлением (0,01-0,08 МН/м2) – промежуточный способ между литьем в кокиль и литьем под давлением. Сплав, находящийся в герметически закрытом тигле, расплавляется электронагревателями, поступает в полость формы по стальному металлопроводу и под давлением инертного газа на зеркало металла. После затвердевания отливки снимают давление газа в тигле, раскрывают форму и удаляют из нее отливку. Этим способом можно заливать тонкостенные отливки крупногабаритные отливки с применением песчаных стержней.

При изготовлении литых деталей в кокиль и литьем под давлением необходимо учитывать следующие особенности металлических форм. Формы практически неподатливы. Металл, заливаемый в металлическую форму, охлаждается быстрее, чем при литье в песчаные формы, вследствие чего повышается возможность появления внутренних напряжений в отливке. Поэтому нельзя допускать в отливках резких переходов от толстой стенки к тонкой и острых углов. Радиусы галтелей должны быть в 1,5 раза больше, чем радиусы при литье в песчаные формы. Жидкий сплав, протекая по металлической форме, охлаждается интенсивно и теряет жидкотекучесть, поэтому при литье в кокиль минимальная толщина стенок должна быть больше.

Для стальных сплавов конструктивные размеры отливок при литье в металлические формы должны быть следующими: наружный уклон стенок от высоты 0,4%, внутренний – 2-6%; минимальный диаметр отверстия – 8мм; максимальная непроходная глубина отверстия – 3мм, проходная – 4мм. При изготовлении отливок из стали и стальных сплавов минимальная толщина стенки отливки при литье в кокиль должна быть 6,0-25мм, а при литье под давлением – 1,5-4,0мм.

Центробежное литье. При этом способе литья отливки получают свободной заливкой во вращающиеся формы. Отливки формируются под действием центробежных сил. Центробежные силы отбрасывают заливаемый металл к стенкам формы, где он затвердевает, образуя пустотелую отливку. Центробежным литьем в промышленности получают стальные кольца, трубы и др.

При этом способе литья исключается применение стержней для образования полостей цилиндрических отливок. Отливки отличаются большой плотностью и высокими механическими свойствами. Центробежным литьем можно получить тонкостенные отливки из сплавов с низкой жидкотекучестью.

К недостаткам центробежного литья относится трудность получения качественных отливок из ликвирующих сплавов и невозможность выполнения отверстий в отливках точных размеров. Размеры отверстий отливок зависят от количества залитого в форму металла.

Формы приводят во вращение специальными машинами, называемыми центробежными. В зависимости от расположения оси вращения формы в пространстве различают машины с горизонтальной и вертикальной осями вращения.

На машинах с горизонтальной осью вращения отливки получают со стенками равномерной толщины по длине и в поперечном сечении. На них отливают короткие и длинные трубообразные отливки. Металл из ковша заливают в форму через желоб. Попадая на внутреннюю стенку вращающейся формы, жидкий металл образует вокруг нее полую цилиндрическую отливку, которую после затвердевания извлекают из формы. Для центробежных машин изготовляют металлические формы. Иногда металлические формы облицовывают формовочной смесью.

В машинах с вертикальной осью вращения металл из ковша заливают в форму, укрепленную на шпинделе, который вращается от электродвигателя. Металл центробежной силой прижимается к боковой цилиндрической стенке, образуя возле нее жидкий кольцевой слой. Форма вращается до полного затвердевания металла, после чего ее останавливают и извлекают отливку. При вертикальной оси вращения формы отливки имеют параболическую внутреннюю поверхность. Толщина верхней части отливки меньше, чем нижней части, так как при вращении формы часть металла стекает вниз. Этим методом литья получают отливки небольшой высоты.

Глава 3. Термическая обработка и технический контроль отливок из стали..3.1 Термическая обработка отливок.

Отливки часто имеют крупное строение зерен, ликвационные включения; в них часто неравномерно распределяются неметаллические включения и легирующие элементы. Все это снижает их механические свойства.

Для улучшения механических и других свойств сплавов отливки подвергают термической обработке.

Академик А. А. Бочвар классифицировал следующие виды термической обработки: отжиг первого рода (включая гомогенизацию, рекристаллизацию, отжиг для снятия внутренних напряжений); отжиг второго рода или перекристаллизацию, включающую нормализацию; закалку, отпуск.

При выборе режима термической обработки руководствуются диаграммами состояния сплавов, а также учитывают технологию изготовления и области применения отливок.

По диаграмме состояния определяют температуру начала рекристаллизации. А. А. Бочвар нашел, что для сплавов, состоящих из твердых растворов, температура рекристаллизации Тр = 0,5 ÷ 0,6 от температуры плавления Т [Тр = (0,5 ÷ 0,6) Т].

Для отливок из стали гомогенизацию не применяют, так как этот вид термической обработки для отливок из цветных сплавов для обеспечения выравнивания химического состава сплава.

Отжиг второго рода изменяет структуру сплавов посредством перекристаллизации. В этом случае нагревают отливки ни 30-50°С выше температуры рекристаллизации, выдерживают при этой температуре и затем медленно охлаждают. В результате такой термической обработке изменяется микроструктура сплава, размельчаются его зерна и более равномерно распределяются неметаллические и другие включения. Выдержка при высоких температурах необходима для выравнивания температуры по сечению отливки.

Большое значение имеет скорость охлаждения отливок после выдержки их при высоких температурах. Регулируя скорость охлаждения, можно получить грубую или более тонкую структуру с игольчатым, сетчатым или зернистым строением. При больших скоростях охлаждения при прохождении температур рекристаллизации образуется больше центров кристаллизации, а следовательно, и более мелкое строение зерна в отливке. Например, при нормализации (отливка после выдержки при высоких температурах охлаждается на воздухе) образуется более мелкое строение зерна; при закалке (отливка охлаждается в воде, масле или в струе воздуха) – еще более мелкое строение зерен.

Отпуск служит для снятия внутренних напряжений в отливке. В процессе его происходит самопроизвольные процесс распада пересыщенного твердого раствора и тем самым возвращение кристаллической решетки основы сплава в более устойчивое положение. При отпуске отливки нагревают до температуры ниже температуры рекристаллизации, выдерживают при этой температуре и затем медленно охлаждают.

В зависимости от технологических требований отливки подвергают одному или нескольким видам термической обработки.