Кокильное литье алюминия

Литье легких сплавов в кокили

В книге описано оборудование литейных цехов и технология литья из легких сплавов в кокили, а также приведены характеристики наиболее употребительных сплавов. Подробно рассмотрены типы и конструкции кокилей и даны основные сведения по их проектированию и изготовлению. Описаны механизмы кокилей и устройство кокильных станков и машин.
Значительное место в книге уделено подготовке кокилей, технологии литья, термической обработке отливок, контролю производства и способам исправления дефектов.
Книга предназначена в качестве практического пособия для технологов и конструкторов-литейщиков, техников и мастеров литейных цехов и может быть также использована в качестве учебного пособия для студентов втузов.

Оглавление

Глава I. Сплавы для литья в кокили
Характеристики сплавов, определяющие пригодность их для литья в кокили . 5
Алюминиевые сплавы . 15
Магниевые сплавы . 29

Глава II. Плавильные и раздаточные печи
Плавильные печи для алюминиевых сплавов . 36
Раздаточные печи для алюминиевых сплавов . 41
Плавильные печи для магниевых сплавов . 46
Раздаточные печи для магниевых сплавов . 51
Транспортирование жидкого металла . 53

Глава III. Приготовление сплавов
Приготовление рабочих алюминиевых сплавов . 56
Приготовление магниевых сплавов . 62
Флюсы для плавки магниевых сплавов . 67

Глава IV. Конструирование кокилей
Основные положения . 69
Составление технологической схемы литья в кокили . 70
Типы кокилей . 82
Кокили для отливки тонкостенных и сложных по конфигурации деталей . 86

Глава V. Литниковые системы
Типы литниковых систем . 90
Питатели . 97
Металлоприемники и коллекторы . 101
Выпоры . 106
Определение скорости заливки . 110

Глава VI. Тепловой расчет кокиля
Определение скорости кристаллизации . 117
Теплопередача от отливки к кокилю . 129
Определение массы кокиля и толщины его стенок . 132

Глава VII. Механизмы кокилей
Разъем и скрепление основных частей кокиля . 135
Виды механизмов для разъема кокилей . 137
Привод механизмов разъема . 151
Выталкиватели отливки из кокиля . 158
Запорные устройства . 161
Стержни . 164

Глава VIII. Кокильные станки и машины
Назначение кокильных станков и машин и предъявляемые к ним требования . 169
Кокильные станки . 170
Кокильные машины . 182

Глава IX. Изготовление кокилей
Материалы, применяемые для изготовления кокилей . 205
Изготовление кокилей . 211

Глава X. Технология литья в кокили
Составление технологической документации . 215
Подготовка кокилей к заливке . 217
Заливка кокилей . 229
Определение времени раскрытия кокиля . 233
Выбивка стержней из отливок . 235
Обрезка литников . 237
Зачистка отливок после обрезки . 240
Галтовка отливок . 245
Исправление мелких дефектов отливок . 247

Глава XI. Термическая обработка кокильного литья
Виды термической обработки . 257
Термическая обработка отливок из магниевых сплавов . 266
Влияние термической обработки на механические свойства материала отливок в зависимости от их конфигурации и веса . 269
Печи для термической обработки . 1^2

Глава XII. Дефекты кокильного литья
Рыхлота . 281
Газовые и воздушные раковины . 294
Пористость . 298
Спаи, завороты, незаливы . 302
Горение металла . 303
Горячие и холодные трещины . 304
Засоры . 304
Ужимины . 305
Шероховатость и неровность поверхности отливок . 305
Брак литья по размерам . 305
Коробление . 306
Газовая коррозия . 306
Дефекты, связанные с химическим составом сплава . 307
Дефекты, связанные с модификацией сплава . 307

Глава XIII Методы контроля кокильного литья
Организация технического контроля в цехах кокильного литья . 310
Контроль в подготовке производства . 311
Контроль материалов . 312
Контроль в шихтовом и плавильном отделениях . 312
Контроль песчаных стержней . 316
Контроль отливок . 316
Контроль термической обработки . 322
Окончательный контроль . 324

Глава XIV. Организация производства кокильного литья
Организация цехов кокильного литья и оборудование . 326
Основные правила техники безопасности . 336
Технико-экономические показатели литья в кокили . 338

Оборудование литейного производства для кокильного литья

Что такое литье в кокиль

Кокиль (фр. coquille — раковина) — это толстостенная металлическая форма. Ее применяют, когда необходимо изготовить много одинаковых отливок Кокильным литьем называют процесс производства фасонных отливок в многоразовых металлических формах.

Литье в многоразовые формы-кокили существует довольно давно и можно привести пример их использования белорусскими ювелирами Берестья (рис 1).

Рис. 1. Тигель и кокиль для отливки украшений (из раскопок древнего Берестья)

Формы могут быть изготовлены из чугуна, стали, сплавов алюминия и других сплавов. Они широко применяются для производства отливок (сотен и тысяч штук) массой от 0,5 кг до 15 т из чугуна, стали и цветных металлов. При этом способе производства внутренние полости получают с помощью обычных песчаных и металлических стержней.

Среди важнейших особенностей кокильного литья необходимо отметить следующие:

• получение плотных герметичных отливок без усадочных раковин;
• минимальная толщина стенок отливок из алюминиевых и магниевых сплавов 3. . . 4 мм, чугуна — 6 мм, стали — 8. . .10 мм;
• высокая производительность процесса;
• удовлетворительная геометрическая точность отливок;
• потребность в относительно небольших производственных площадях;
• минимальная потребность в обслуживающем персонале;
• минимальная потребность во вспомогательных технологических материалах.

Недостатки:

• вследствие быстрого охлаждения заливаемого металла стенками кокиля ухудшается его жидкотекучесть;
• быстрое охлаждение чугунных отливок в кокилях вызывает отбел поверхности и повышает ее твердость;
• высокая теплопроводность металлических форм затрудняет получение сложных тонкостенных отливок больших габаритов;
• высокая стоимость металлических форм

Стойкость чугунных кокилей составляет 1000. . . 5000 шт. при производстве мелких и средних чугунных отливок и 50. . .500 шт. — при производстве крупных отливок Стойкость стальных кокилей при производстве алюминиевого литья достигает 50 000 отливок

1. Виды кокилей

В зависимости от расположения поверхности разъема кокили бывают: неразъемные, с вертикальной плоскостью разъема, с горизонтальной плоскостью разъема, со сложной поверхностью разъема, створчатые, с параллельным разъемом, с несколькими разъемами.

Кокили с вертикальной плоскостью разъема состоят из двух и более частей. Отливка может располагаться целиком в одной из половин кокиля, в двух половинах, одновременно в двух половинах и в нижней плите.

Кокили с горизонтальным разъемом применяют преимущественно для простых по конфигурации, а также крупногабаритных отливок.

Кокили со сложной (комбинированной) поверхностью разъема используют для изготовления отливок сложной конфигурации.

Неразъемные, или вытряхные, кокили применяют, когда конструкция отливки позволяет удалить ее из плоскости кокиля без его разъема. На рис. 2 показан вытряхной кокиль 5 для изготовления опорного катка Внутренняя полость формы воспроизводит наружную поверхность катка Отверстие в отливке и внутренняя полость получаются с помощью песчаных стержней 4 и 2, последний из которых перекрывает верхнюю часть формы В стержнях 1, 2, 4 размещена литниковая система, состоящая из литниковой чаши, стояка, литникового канала, подающего металл в отливку, и двух прибылей.

Рис. 2. Вытряхной кокиль для отливки опорного катка

Для извлечения отливки кокиль на цапфах 3 поворачивают на 180°, и отливка вместе со стержнями вытряхивается из кокиля.

Кокиль с горизонтальной плоскостью разъема состоит из нижней 1 и верхней 2 частей, стержня 3 и выталкивателей 4 (рис. 3) . Отливка извлекается после разделения верхней и нижней частей с помощью выталкивателей.

Рис. 3. Кокиль с горизонтальным разъемом

В зависимости от способа охлаждения различают кокили с воздушным, жидкостным и комбинированным охлаждением.

2. Кокильные машины

В настоящее время наиболее часто принято разделять кокильное оборудование на однопозиционное и многопозиционное. Самые сложные отливки из черных и цветных сплавов в серийном и массовом производстве позволяет получать машина модели 82А305 с пятью приводами частей кокиля (рис. 1. 28) . Она имеет две подвижные плиты 4 и 6, механизм 8 боковой торцевой подвижной плиты, поддон 5 с приводом нижнего стержня, механизм верхнего стержня 1, манипулятор 7 для снятия отливок, пульт управления 2, установленные на общей станине 3. Механизм верхнего стержня предназначен для ввода, подрыва (частичного извлечения стержня из отливки до ее извлечения из кокиля) и подъема верхнего металлического стержня, а также для отвода плит верхнего стержня для осмотра и обслуживания и ввода манипулятора снятия отливок, перемещающего их в короб или на транспортер. Механизмы верхнего стержня и торцевой плиты имеют по два упора для разгрузки их от усилий подрыва. Гидропривод имеет дополнительную аппаратуру для подключения до двух гидроцилиндров. Каждая из двух основных подвижных плит имеет по два выталкивателя. При отсутствии у некоторых машин направляющих между основными плитами на них можно устанавливать ко- кили, выходящие за габариты плит. Более простые конструкции машин с меньшим количеством приводов частей кокиля позволяют получать только несложные отливки.

Время холостого цикла кокильных машин с увеличением сложности, т. е. числа подвижных частей, возрастает с 10 до 60 с.

Рис. 4. Схема и общий вид кокильной машины модели 82А305 без кокиля

Машина типа 82А305 имеет четыре модификации:

• с одной подвижной плитой;
• с двумя подвижными плитами и поддоном 5 с нижним стержнем (см. рис. 4, фотография);
• с двумя подвижными плитами, поддоном с нижним стержнем и плитой верхнего стержня;
• с двумя подвижными плитами, поддоном с нижним стержнем, плитой верхнего стержня и плитой торцевого стержня (см рис 1 28, схема)

В процессе работы машина выполняет выталкивание отливки из основных плит, выталкивание отливки из поддона, подрыв стержней с увеличенным усилием, поворот верхнего стержня для удобства снятия отливки и установки кокиля, снятие отливки манипулятором, входящим в комплект машины, и охлаждение всех частей кокиля. Очистка и нанесение огнеупорного покрытия на рабочую поверхность кокиля выполняются по заданной программе на определенных позициях и регулируются по времени.

Однопозиционные машины могут работать в полуавтоматическом режиме и с заливочно-дозирующими устройствами, а также встраиваться в автоматические линии Они имеют регулируемое водяное охлаждение частей кокиля.

Однопозиционная машина для литья в кокиль модели 4953 (рис. 5) позволяет заливать от 20 до 100 кг алюминиевого сплава. Машинное время цикла составляет 60 с. Усилие раскрытия кокиля 300 кН. Ход подвижной плиты 250 мм. Предназначена для получения отливок массой от 15 до 95 кг.

Для лучшего заполнения формы используют машины с поворачивающимся или наклоняемым кокилем. Угол поворота составляет 15. . .180° . Выпускаются машины поворотные, такие как 82105П, с одной подвижной и одной неподвижной плитой, установленной на раме, которая двумя гидроцилиндрами может поворачиваться относительно горизонтальной оси, перпендикулярной к траектории подвижной плиты, на угол до 90° . Это повышает удобство установки песчаных стержней при горизонтальном расположении разъема, облегчает заливку металла за счет его благоприятного расположения А извлекать отливки при вертикальном разъеме можно под действием силы тяжести.

Рис. 5. Машина модели 4953 для литья в кокиль

Специальные поворотные кокильные машины (рис. 6) используются для производства крупногабаритных протяженных отливок из алюминиевых сплавов методом самозаполнения кокиля, как и устройства с горизонтальным разъемом. Эта машина обеспечивает работу в полуавтоматическом режиме с производительностью до 10 отливок в час. Кокиль, установленный на ней, имеет горизонтальный разъем.

Рис. 6. Кокильная машина с поворотным столом

Рис. 7. Карусельная кокильная машина производства завода «Кузлитмаш» (г. Пинск)

Многопозиционные (карусельные) машины (рис. 7) отличаются от однопозиционных высокой производительностью (100— 200 заливок в час) и применяются в цехах крупносерийного и массового производства. Они применяются для производства фасонных отливок из алюминиевых сплавов. Конструкция этих машин обеспечивает такую организацию производства, при которой рационально используется плавильно-заливочное оборудование (дозаторы), облегчаются и упрощаются транспортировка, складирование и установка песчаных стержней в кокиль, улучшается система удаления и охлаждения готовых отливок. Модель 4932, разработанная НИИлитавтопромом (Минск), имеет на поворотном столе четыре позиции, на каждой из них установлена кокильная секция с двумя подвижными плитами размером 500 х 400 мм и механизмом нижнего стержня (или выталкивания отливки) Машина предназначена для производства мелких и средних отливок в кокиле с вертикальным разъемом. К секциям подводятся масло (для гидроцилиндров плит и стержня), вода (для охлаждения кокиля) и газ (для подогрева кокиля)

Кокильные комплексы позволяют автоматизировать литейный процесс и состоят (например, кокильный комплекс для литья поршней двигателей внутреннего сгорания) из двух однопозиционных кокильных машин, двух механизмов снятия отливок с устройствами охлаждения отливок на лотке, гидростанции и электрошкафа.

Производительность такого комплекса зависит от размера и конструкции поршня и при изготовлении поршня бензиновых двигателей диаметром до 100 мм составляет до 70 отливок в час.

Кокильные машины с одной подвижной и одной неподвижной плитами моделей предназначены для литья черных и цветных сплавов в кокиль с вертикальной плоскостью разъема в серийном и массовом производстве. Подвижная плита перемещается двумя гидроцилиндрами по диагонально расположенным направляющим. Обе плиты снабжены выталкивателями. Насосная установка имеет гидропневмоаккумулятор и позволяет подключать дополнительно два гидроцилиндра (например, для извлечения стержней) к имеющимся гидрораспределителям. Машины могут работать в полуавтоматическом режиме и с заливочно-дозирующими устройствами, а также встраиваться в автоматические линии Они имеют регулируемое водяное охлаждение частей кокиля.

Разновидностью кокильного литья является центробежное литье. В этом случае литейная форма (кокиль) во время заливки вращается относительно горизонтальной или вертикальной оси. Заливаемый металл центробежными силами отбрасывается на периферию формы, что позволяет получать полые отливки без применения стержней.

Литье в кокиль — описание процесса

Способ изготовления деталей методом заливки расплавленного металла в специальную форму называется литьем. Он известен человечеству с давних времен. Среди разнообразных видов этого процесса литье в кокиль занимает особое место. Значительная часть литейных отливок изготовлена именно этим методом.

Процесс литья в кокиль

Кокильное литье – особый вид получения фасонных отливок методом залива расплавленного металла в специальные разъемные металлические формы, которые называют кокиль. Он состоит из 2х полуформ, плиты и вставки. Полуформы скрепляют с помощью замков. Для выравнивания и центрирования используют штыри.

Технология изготовления отливок при данном виде литья включает в себя несколько этапов.

1. подготовительный этап:
   • Очистка поверхностей от грязи, масляных пятен, ржавчины;
   • нагрев кокильной формы перед заливкой в нее раскаленного металла;
   • нанесение термоизолирующего покрытия;
   • нанесение слоя краски. Это необходимо для регулирования скорости охлаждения и затвердевания металла, так как интенсивное охлаждение расплава отрицательно влияет на качество отливки.
   • При нанесении термоизолирующего слоя используют различные огнеупорные материалы: асбест; графит; тальк; карбид; шамот. Термоизолирующее покрытие позволяет избежать появления раковин, скопления газов, пригара отливки к кокилю. При изготовлении крупных стальных деталей применяют футерованные формы, которые имеют толщину защитного покрытия 10 мм и более;
2. установка стержней и втулок;
3. закрытие кокиля на замки, рычаги, зажимы или другие запорные устройства;
4. заливка расплавленного металла через литник;
5. охлаждение формы и отливки до заданной температуры;
6. открытие кокиля;
7. извлечение отливки из формы;
8. удаление литников и промывников.

Использование стержней в разъемных формах: — при использовании простых стержней в фасонных отливках получают полости простой конфигурации; — при использовании разъемных механических стержней получают полости более сложных конфигураций; — для образования замкнутых полостей используют песчаные стержни; — для получения полостей сложных очертаний и конфигураций используют металлические и песчаные стержни комбинируют.

Плюсы и минусы процесса кокильного литья

Литье в кокиль имеет явные преимущества перед другими видами аналогичного процесса, в том числе перед литьем в песчаные формы, так как оно:

• дает возможность многоразового использования форм;
• сокращает расходы на формовочные материалы;
• позволяет получить отливки повышенной точности, с меньшими припусками на механическую обработку;
• обеспечивает более чистовую поверхность литья, снижает шероховатость поверхности заготовки;
• позволяет повысить качество, прочность и другие механические свойства отливок;
• позволяет автоматизировать и механизировать процесс;
• является более экономичным и эффективным.

При том, что данный процесс имеет явные преимущества по сравнению с другими методами литья, стоит отметить некоторые недостатки:

• трудоемкость и сложность самого процесса изготовления кокилей;
• высокая стоимость изготовления кокилей, которая повышается в зависимости от сложности конфигурации формы;
• ограниченное число отливок, так как кокиль не вечный, имеет ограниченную износостойкость;
• невозможность изготовления отливок с более тонкими стенками, «отбел» чугуна, сложности при изготовлении стальных отливок (газовая пористость);
• неподатливость форм, что иногда приводит к деформациям и трещинам в заготовках, короблению стенок кокиля во время литья;
• необходимость использования стержней, вентканалов, газоотводов, термоизолирующих покрытий.

Особенности конструкции кокилей и материалы

Конструкции кокилей, которые используются в металлургическом производстве делятся на два вида:

1. разъемные;
2. неразъемные (вытряхные, название говорит само за себя).

Второй вид конструкции форм используется если отливки имеют простую конфигурацию.

Разъемные формы, в свою очередь, по форме плоскости разъема бывают:

• горизонтальные;
• вертикальные;
• наклонные;
• со створчатой плоскостью разъема;
• со сложной плоскостью разъема.

Каждая часть формы называется полуформой. Они бывают:

1. коробчатые;
2. с ребрами жесткости (что позволяет избежать коробления стенок формы).

Разъемные формы подразумевают использование дополнительных технологических элементов:

• стержней (металлических или песчаных);
• вставок;
• оснований;
• поддонов;
• толкателей;
• центрирующих штырей;
• втулок.

Способы подачи в форму раскаленного металла: сверху; сбоку; снизу (сифонный метод).

Для обеспечения технологического процесса кокиль оснащается:

• вентиляционной системой (система вентканалов, выпоры, зазоры);
• газоотводными каналами (чаще всего направленными вверх);
• системой нагрева и охлаждения (водоохлаждение включают после образования корки на отливке).

Материалы для изготовления кокилей

В кокиле во время литья происходят резкие перепады температур, обусловленные технологическим процессом, что может привести к необратимым изменениям в структуре формы.

В связи с этим материалы для изготовления кокилей должны обладать следующими качествами:

• термоустойчивость;
• иметь высокие механические свойства;
• быть высококачественными;
• высокопрочными;
• быть легкими в обработке;
• иметь доступную цену.

На практике, для изготовления кокильных форм, чаще всего используют следующие материалы:

• сталь низкоуглеродистая, легированная сталь и ее сплавы (Ст3, Ст10, Ст20, Ст15ХМЛ);
• чугун, в том числе и высокопрочный (СЧ20, СЧ25, ВЧ40, ВЧ45);
• медь и ее сплавы;
• алюминий и его сплавы.

Стержни чаще всего изготавливают из углеродистой или легированной стали, а песчаные – из песчано-масляной или песчано-смоляной смесей. Для остальных деталей кокильных форм — поддонов, толкателей, втулок, штырей, болтов, используют в основном конструкционную сталь.

Область применения кокильного литья

Благодаря кокильному литью серийное производство не только в РФ, но и во всем мире обеспечено литыми деталями более чем на 40%, по сравнению с другими видами литья.

Методом кокильного литья получают отливки из чугуна, стали и ее сплавов, магния, алюминия и их сплавов. всевозможного назначения и веса. Из отливок вытачивают различные детали, которые широко используются в машиностроении, вагоностроении, автомобилестроении, в тракторостроении, при укладке газопроводов и т.д.

Все отрасли промышленности и машиностроительного производства используют детали, изготовленные методом кокильного литья: поршни, блоки, цилиндры, корпуса электродвигателей, щеки подшипников, фланцы, рамы, фитинги, шнеки, зубчатые колеса и множество других частей машин и механизмов.

Современная промышленность нуждается в огромном количестве деталей, большая часть из которых – литые. Они могут иметь вес от нескольких грамм до сотен килограммов.

Литье в многоразовые металлические формы – кокили, является одним из самых прогрессивных и эффективных видов литья, так как они могут выдерживать от нескольких наливов до десятков тысяч использований (изготовление деталей из алюминия).

Возможность модернизации, механизации и автоматизации кокильного литья позволяет полностью покрыть дефицит литых изделий в промышленности и свести к минимуму использование тяжелого ручного труда.

Кокильное литьё

Кокильное литье подразумевает заполнение расплавом «кокиля» (от франц. coquille – оболочка, раковина, скорлупа) — многоразовой металлической литейной формы под действием гравитационных сил. В англоязычной технической литературе этот метод называется gravity die casting – гравитационное литье в кокиль или, другими словами, литье под давлением силы тяжести самого расплава, без какого-либо внешнего воздействия.

Достоинства способа

Металлический кокиль, по сравнению с песчано-глинистой формой, обладает более высокой теплопроводностью, теплоемкостью, прочностью, практически нулевой газотворностью и газопроницаемостью, что дает способу производства литья в кокиль ряд преимуществ перед литьем в ПГФ:

• Металлические формы (кокили) используются многократно, в отличие от разовых песчано-глинистх форм, и при этом обеспечиваются большая чистота поверхности и более точные размеры литых заготовок
• В 3—4 раза более высокая производительность труда
• На 40—60% меньше трудоемкость изготовления отливок и последующая их механическая обработка
• В связи с отсутствием ряда технологических операций (к примеру, приготовления, транспортировки и хранения формовочных смесей), литье в кокиль позволяет увеличить съем с 1-го кв. метра производственных площадей в 2-4 раза.
• За счет высокой скорости затвердевания и кристаллизации отливок, материал отливок имеет более мелкую микроструктуру и более высокие механические свойства
• Устраняется необходимость применения формовочных смесей и, следовательно, потребность в оборудовании для их приготовления, транспортировки и хранения, что резко уменьшает грузопотоки, сокращает площади производственных и складских помещений
• Снижается брак отливок (по засорам, пригару, несоответствию размерам и другим видам) примерно на 30—40%
• Лучше санитарно-гигиенические условия труда.

Недостатки способа

• Высокая трудоемкость и стоимость изготовления кокилей
• Увеличенная продолжительность подготовки производства
• Ограниченная стойкость кокиля
• Сложность получения тонкостенных отливок протяженной формы
• Склонность к образованию отбела в отливках из чугуна
• Образование внутренних напряжений в отливках, склонность к образованию трещин

Конструирование кокилей

Литье в кокиль применяют главным образом для несложных по конфигурации отливок, что облегчает изготовление металлической формы без резких переходов от толстых стенок к тонким, без выступающих частей, острых углов и кромок, углублений и поднутрений, препятствующих усадке и удалению отливки из формы.

В зависимости от конфигурации литых заготовок, материала отливок и принятой технологии по конструктивному исполнению кокили можно классифицировать на следующие типы: неразъемные (вытряхные) (рис. 1.а); разъемные — с горизонтальным разъемом (рис. 1.б), с несколькими разъемами (рис. 1.в), с вертикальным разъемом (рис. 1.г), со сложной плоскостью разъема (рис. 1.д).

Рис. 1: Типы конструкций кокилей

Неразъемные (вытряхные) кокили чаще всего используют для производства стальных и чугунных отливок простой конфигурации. Такие формы достаточно жестки и устойчивы против коробления. Кокили с горизонтальным разъемом или с несколькими разъемами служат для производства стальных и чугунных отливок средней сложности. Кокили с вертикальным разъемом используют для производства отливок из из чугуна и цветных сплавов (поршней, плит, дисков, барабанов и т.д.). Для производства сложных отливок из чугуна и цветных сплавов используют коколи со сложной плоскостью разъема.

В зависимости от от способа охлаждения различают кокили с воздушным (естественным и принудительным) охлаждением, с жидкостным (водяным, маслянным) и комбинированным (водовоздушным) охлаждением.

Рекомендуемые соотношения толщин стенок кокиля и отливок при проектировании кокилей приведены в табл. 1.

Таблица 1: Рекомендуемые соотношения толщин стенок кокиля и отливок

Основные конструктивные элементы кокилей: формообразующие элементы (половины кокилей, нижние плиты, вставки, стержни); конструктивные элементы (выталкиватели, плиты выталкивателей, запирающие механизмы, системы нагрева и охлаждения кокиля, вентиляционные системы, центрирующие штыри и втулки.

Материалы для изготовления кокилей

В процессе эксплуатации кокили подвергаются интенсивным знакопеременным температурным нагрузкам потому материалы, используемые для изготовления рабочих поверхностей кокилей, непосредственно соприкасающиеся с расплавленным металлом, должны хорошо противостоять термической усталости, обладать высокими механическими свойствами, претерпевать минимальные структурные превращения при температурах эксплуатации, обладать повышенной ростоустойчивостью и окалиностойкостью.

В качестве заготовок для рабочих поверхностей кокилей хорошо подходят детали из серого чугуна марок СЧ20, СЧ25 и высокопрочного чугуна марок ВЧ-45 и ВЧ-50, при этом, к микроструктуре металлической матрицы предъявляются дополнительные требования — она должна быть ферритно-перлитной и не содержать цементита. При изготовлении кокилей для крупных отливок используют углеродистые стали 15Л, 20Л, а также стали легированные хромом и молбденом, например 15ХМЛ, которые обладают высокой пластичностью и хорошо сопротивляются растрескиванию в процессе эксплуатации. Водоохлаждаемые кокили для мелких отливок из чугуна и алюминия иногда производят из алюминиевых сплавов АЛ9 и АЛ11, которые анодируют, в результате чего на их рабочей поверхности образуется тугоплавкая (tпл.=2273°К), износостойкая пленка окислов алюминия толщиной 0,4 мм.

Вставки и другие ответственные детали выполняют из высоколегированных сталей 45Х14Н14В2М, 40Х10С2м; подвижные стержни — из сталей У7, У8, У10, 30 ХГСА.

Основные конструктивные элементы кокилей: формообразующие элементы (половины кокилей, нижние плиты, вставки, стержни); конструктивные элементы (выталкиватели, плиты выталкивателей, запирающие механизмы, системы нагрева и охлаждения кокиля, вентиляционные системы, центрирующие штыри и втулки.

Материалы для изготовления кокилей
В процессе эксплуатации кокили подвергаются интенсивным знакопеременным температурным нагрузкам потому материалы, используемые для изготовления рабочих поверхностей кокилей, непосредственно соприкасающиеся с расплавленным металлом, должны хорошо противостоять термической усталости, обладать высокими механическими свойствами, претерпевать минимальные структурные превращения при температурах эксплуатации, обладать повышенной ростоустойчивостью и окалиностойкостью.

В качестве заготовок для рабочих поверхностей кокилей хорошо подходят детали из серого чугуна марок СЧ20, СЧ25 и высокопрочного чугуна марок ВЧ-45 и ВЧ-50, при этом, к микроструктуре металлической матрицы предъявляются дополнительные требования — она должна быть ферритно-перлитной и не содержать цементита. При изготовлении кокилей для крупных отливок используют углеродистые стали 15Л, 20Л, а также стали легированные хромом и молбденом, например 15ХМЛ, которые обладают высокой пластичностью и хорошо сопротивляются растрескиванию в процессе эксплуатации. Водоохлаждаемые кокили для мелких отливок из чугуна и алюминия иногда производят из алюминиевых сплавов АЛ9 и АЛ11, которые анодируют, в результате чего на их рабочей поверхности образуется тугоплавкая (tпл.=2273°К), износостойкая пленка окислов алюминия толщиной 0,4 мм.

Вставки и другие ответственные детали выполняют из высоколегированных сталей 45Х14Н14В2М, 40Х10С2м; подвижные стержни — из сталей У7, У8, У10, 30 ХГСА.

Основные стадии техпроцесса
Технологический процесс изготовления отливок способом литья в кокиль включает следующие основные операции:

Подготовка кокилей (очистка, подогрев, нанесение на рабочие поверхности облицовки и краски)
Сборка кокилей (установка песчаных и металлических стержней, скрепление частей кокиля)
Заливка, разборка кокиля, извлечение отливок
Обрубка, очистка
Термическая обработка
Грунтовка
Высокая интенсивность охлаждения расплава при литье в кокиль, затрудняет заполнение формы металлом, ускоряет охлаждение его в кокиле. Для снижения интенсивности теплообмена между рабочей поверхностью кокиля и расплавом, на рабочую поверхность наносят теплоизоляционное покрытие, обычно: слой огнеупорной облицовки (один раз в смену) и краску (после каждой заливки). Огнеупорное покрытие уменьшает скорость отвода тепла от расплава и отливки. Изменяя толщину наносимого покрытия, можно регулировать скорость отвода теплоты от различных месть отливки. Составы огнеупорных покрытий, рекомендуемые Ю.А. Степановым и др., приведены в табл. 2. Составы покрытий и красок, рекомендуемых для производства чугунного литья в кокиль Н.Г. Гиршовичем, приведены в табл. 3. В настоящее время в Украину поставляется достаточно большое количество готовых противопригарных покрытий, чтобы не тратить время и трудовые ресурсы на их приготовление. В частности, ООО «Инженерная компания САС», г. Киев, специально для кокильного литья поставляет «Покрытие кокильное для литья чугуна» ISO 9001-2009, ТУ РБ 100196035.010-2007.

Таблица 2: Составы огнеупорных покрытий (красок) кокилей

* Составы применяют для покрытия поверхности литниковых каналов и выпаров

Таблица 3: Состав покрытий и красок для кокилей (массовая доля, %)

* В виде 20%-ного раствора в воде

Кокильные машины

Производство литья в кокиль является малооперационным процессом, основные операции: раскрытие кокиля, извлечение стержней из отливки, очистка рабочих поверхностей, нанесение огнеупорного покрытия, простановка стержней запирание кокиля, заливка металла выполняются кокильными машинами, которые можно классифицировать на универсальные: одно, двух и трех позиционные, карусельные: 4 — 6 — 8 — 12 — 16 позиционные и специальные: 2-х, 3-х позиционные и карусельные.

В крупносерийном и массовом производстве в настоящее время широко используются автоматические кокильные линии, которые включают однопозиционные автоматические машины или автоматизированные кокильные рабочие ячейки. Использование роботов позволяет свести участие человека в производстве литья в кокиль, только к транспортировке готового металла к раздаточной печи автоматизированной кокильной ячейки.

Литье в кокиль

Литье в кокиль — основной способ серийного и массового производства отливок из алюминиевых сплавов, позволяющий получать отливки 4—6-го классов точности с шероховатостью поверхности R- = 50. 20 и минимальной толщиной стенок 3. 4 мм.

При литье в кокиль наряду с дефектами, обусловленными высокими скоростями движения расплава в полости литейной формы и несоблюдением требований направленного затвердевания (газовая пористость, оксидные плены, усадочная рыхлота), основными видами брака являются недоливы и трещины. Появление трещин вызывается затрудненной усадкой. Особенно часто трещины возникают в отливках из сплавов с широким интервалом кристаллизации, имеющих большую линейную усадку (1,25. 1,35 %). Предотвращение образования указанных дефектов достигается различными технологическими приемами.

Для того чтобы обеспечить плавное, спокойное поступление металла в полость литейной формы, надежное отделение шлака и оксидных плен, образовавшихся в металле в процессе плавки и движения по литниковым каналам, и предотвращение их образования в литейной форме, при литье в кокиль применяют расширяющиеся литниковые системы с нижним, щелевым и многоярусным подводом металла (рис. 7.37) к тонким сечениям отливок. В случае подвода металла к толстым сечениям должна быть предусмотрена подпитка места подвода установкой питающей бобышки (прибыли). Все элементы литниковых систем располагают но разъему кокиля. Рекомендуются следующие соотношения площадей сечения литниковых каналов: для мелких отливок : F_m!i : F_am =1:2:3; для крупных отливок F_CT: F_mjl : F_nm =1:3:6.

Для снижения скорости поступления расплава в полость формы применяют изогнутые стояки, сетки из стеклоткани или металла, зернистые фильтры (см. рис. 7.30, е).

Качество отливок из алюминиевых сплавов зависит от скорости подъема расплава в полости литейной формы. Эта скорость должна быть достаточной для гарантированного заполнения тонких сечений отливок в условиях повышенного теплоотвода и в то же время не вызывать недоливов, обусловленных неполным выходом воздуха и газов через вентиляционные канаты и прибыли, завихрений и фонтанирования расплава при переходе из узких сечений в широкие. Скорость подъема металла в полости формы при литье в кокиль принимают несколько большей, чем при литье в песчаные формы. Минимально допустимую скорость подъема рассчитывают но формулам А.А. Лебедева и Н.М. Галдина.

Рис. 7.37. Литниковые системы для литья алюминиевых сплавов в кокиль (по Н.М. Таллину):

I — верхние; II — нижние; III — вертикально-щелевые; IV — комбинированные; V — боковые

Для получения плотных отливок создают, гак же как и при литье в песчаные формы, направленное затвердевание путем надлежащего расположения отливки в форме и регулирования теплоотвода. Как правило, массивные (толстые) узлы отливок располагают в верхней части кокиля. Это дает возможность компенсировать сокращение их объема при затвердевании непосредственно из прибылей, установленных над ними. Регулирование интенсивности теплоотвода с целью создания направленного затвердевания осуществляют охлаждением или утеплением различных участков литейной формы. Для местного увеличения теплоотвода широко используют вставки из теплопроводной меди, предусматривают увеличение поверхности охлаждения кокиля за счет оребрения, осуществляют локальное охлаждение кокилей сжатым воздухом или водой. Для снижения интенсивности теплоотвода на рабочую поверхность кокиля наносят слой краски толщиной 0,1. 0,5 мм. На поверхность литниковых каналов и прибылей для этой цели наносят слой краски толщиной 1,0. 1,5 мм. Замедление охлаждения металла в прибылях может быть достигнуто также за счет местного утолщения стенок кокиля, применения различных малотеплопроводных обмазок и утепления прибылей наклейкой асбеста. Окраска рабочей поверхности кокиля улучшает внешний вид отливок, способствует устранению газовых раковин и неслигин на их поверхности и повышает стойкость кокилей. Перед окраской кокиль подогревают до 100. 120 °С. Состав и область применения типовых красок приведен в табл. 7.13 и 7.14. Излишне высокая температура нагрева нежелательна, так как при этом снижаются скорость затвердевания отливок и длительность срока службы кокиля.

Нагрев уменьшает перепад температур между отливкой и формой и расширение формы за счет прогрева ее металлом отливки. В результате этого в отливке уменьшаются растягивающие напряжения, вызывающие появление трещин. Однако одного только подогрева формы недостаточно, чтобы устранить возможность возникновения трещин. Необходимо своевременное извлечение отливки из формы. Удалять отливку из кокиля следует раньше того момента, когда температура ее сравняется с температурой кокиля, а усадочные напряжения достигнут наибольшей величины. Обычно отливку извлекают в тот момент, когда она окрепнет настолько, что ее можно перемещать без разрушения (450. 500 °С). К этому моменту литниковая система еще не приобретает достаточной прочности и разрушается при легких ударах. Длительность выдержки отливки в форме определяется скоростью затвердевания и зависит от температуры металла, температуры формы и скорости заливки.