Литье в кокиль

Кокильным литьем называют процесс получения отливок посредством свободной заливки расплавленного металла в многократно используемые металлические формы — кокили.

Кокили изготавливают из серого (СЧ15, СЧ18, СЧ20, СЧ25) и высокопроч­ного чугуна (ВЧ 42-12, ВЧ 45-5), конструкционных углеродистых (10, 20, 15Л, 25Л) и легированных (15ХМЛ) сталей, медных (латуни) и алюминиевых (АЛ2, АЛ4, АЛ9, АЛИ, АЛ 12) сплавов. Для изготовления стержней и вставок много­кратного действия, работающих в условиях воздействия больших тепловых и механических нагрузок, используют легированные стали (30ХГС, 35ХГСА, 4Х5МФС и др.). Выталкиватели выполняют из инструментальных сталей (У8А, У10А), поскольку они должны обладать большой твердостью и износо­стойкостью. Многократность использования формы обусловлена, главным обра­зом, материалом отливки. С помощью одной формы (или большей части ее эле­ментов) кокильным литьем получают до 500 мелких стальных, 5000 чугунных или десятки тысяч алюминиевых отливок. Отдельные элементы кокиля (в пер­вую очередь — стержни, оформляющие внутренние полости отливки) могут из­готавливаться как из металла, так и из стержневой смеси; в последнем случае они предназначаются лишь для разового использования (рис. 14.3). Металлические стержни сложной формы целесообразно делать разборными.

Классификация кокилей осуществляется по следующим признакам: а) по соотношению трех габаритных размеров: плоские (один размер значительно

Требования к конструкции кокиля. При конструировании кокилей необходимо обеспечить их технологичность, в которую включаются сле­дующие требования: а) наличие минимально необходимого числа разъемов и стержней; б) использование стандартных и унифицированных деталей; в) конструктивное обеспечение быстрого удаления из рабочей полости коки­ ля газов посредством различных вентиляционных каналов (вент — выдувных сетчатого типа отверстий, подвижных соединений, разъемов, выпора); г) легкое удаление из кокиля отливок и металлических стержней, а также сменных элементов кокиля (вставок и др.); д) наличие элементов для естест­ венного и искусственного (водяного, воздушного или смешанного) охлажде­ ния (рис. 14.3, а); е) включение в конструкцию кокиля (или стержня) элемен- 336

Рис. 14.3. Разновидности кокилей:

а — разъемный (с вертикальной плоскостью разъема); б — неразъемный (вытряхной) ко­киль; / — литниковый ход; 2 — штырь; 3 — внутренняя полость кокиля; 4 — воронка для запивки расплава; 5 — выпор; 6 — две поло­вины разъемного кокиля; 7 — отверстия для крепления одной половины разъемного коки­ля к плите машины; 8 — пальцы для улучше­ния охлаждения кокиля; 9 — питатель; 10 — песчаные стержни (Ст1—СтЗ); // — клин для крепления стержня; 12 — выталкиватель; 13 — корпус неразъемного кокиля; 14 — цапфы, обеспечивающие поворот кокиля относительно горизонтальной оси

меньше двух других) и цилиндриче­ские (один размер значительно больше двух других); б) по наличию разъемных частей и расположению в пространстве поверхности раздела: неразъемные (вытряхные) и разъем­ные (с горизонтальной, вертикаль­ной и комбинированной поверхно­стью разъема) — см. рис. 14.3, а, б; в) по числу рабочих гнезд: одноме­стные и многоместные; г) по конст­рукции рабочих стенок кокиля: цельные и составные из элементов (унифицированных или неунифици-рованных) — параллелепипедов, про­волоки, иголок и др.; д) по способу охлаждения: с воздушным (естест­венным или принудительным), жид­костным (вода, эмульсия, масло) и комбинированным (водовоздушным) охлаждением; е) по типу конструкции рабочей стенки и способу подвода к ней охлаждающей среды: однослой­ные и двухслойные; ж) по долговечно­сти защитного покрытия: с периоди­чески наносимым и постоянным за­щитным покрытием; з) по составу материала рабочей стенки кокиля: чугунные, стальные, из алюминиевых, медных и специальных сплавов, а также композиционных материалов.

тов литниковой системы для обеспечения заливки расплава; ж) обеспечение фа счет центрирующих штырей, отверстий, фиксирующих шпонок) четкой а|борки (без перекоса) при смыкании подвижных частей кокиля (рис. 14.3, а); зЬ конструктивное обеспечение регулируемого теплоотвода за счет исполь­зования многослойных кокилей (в частности, получаемых методами порош­ковой металлургии), стенки которых состоят из двух (или более) слоев с раз­ами составом, структурой и теплопроводностью.

I Особенности конструкции составных кокилей. Рабо­чая стенка формы в продольном или поперечном сечении выполняется из нескольких достаточно крупных элементов. Например, двухслойный ко­киль с продольным членением рабочей стенки конструктивно реализуется как водоохлаждаемый корпус, в который вставляется сменный вкладыш, одновременно являющийся рабочей стенкой кокиля. Такие двухслойные кокили удобно применять при жидкостном охлаждении. Преимущества двухслойных кокилей заключаются в их большей безопасности, обуслов­ленной изоляцией рабочей полости от каналов перемещения охлаждающей жидкости, а также в экономичности и технологичности ремонта кокиля посредством замены вкладыша. В составных кокилях в наиболее нагру­женных участках рабочей полости размещаются сменные вставки, легко поддающиеся замене.

Основы технологии литья в кокиль. Технологический процесс ко­кильного литья требует специальной подготовки кокиля к заливке и включа­ет следующие операции: а) очистку рабочей поверхности кокиля от остатков отработанного покрытия, загрязнений и ржавчины; б) нанесение (пульвери­затором или кистью) на предварительно подогретые до 100—150 °С рабочие поверхности кокиля специальных теплоизоляционных слоев и противопри­гарных красок, одновременно повышающих качество поверхности отливок; в) нагрев кокиля до оптимальной (для каждого сплава своей) температуры в пределах 115—475 °С в целях повышения заполняемое™ формы расплавом и тем самым улучшения качества отливок; г) сборку формы, состоящую из простановки стержней и соединения металлических полуформ; д) заливку расплава в форму; е) охлаждение отливок до установленой температуры; ж) разборку кокиля с извлечением отливки.

Начиная с заливки расплава в форму все последующие технологические операции кокильного литья аналогичны таковым при литье в разовые (на­пример, песчаные) формы. Металлический стержень извлекается из отливки до ее удаления из кокиля. Для удаления воздуха и газов из рабочих полостей кокилей широко используют естественные зазоры между элементами формы — разъемные и неразъемные стыки деталей кокиля. По этим стыкам устраива­ют газоотводные (вентиляционные) каналы глубиной 0,2—0,5 мм, выполняя их в виде рисок-насечек или тонких щелей. Глубокие полости вентилируются через специально устанавливаемые в стенках кокиля вентиляционные пробки

и игольчатые вставки (пакеты иголок, запрессованные в сквозные отверстия формы), имеющие газоотводные зазоры.

Режимы и способы подогрева к о к и л я. Начальная темпе­ратура кокиля во многом определяет качество получаемой отливки, а также стойкость стенок кокиля и его элементов (стержней, вкладышей). Необходи­мость предварительного подогрева кокиля обусловливается скоплением в нем (на холодных стенках, щелях по разъему, в вентах) водного конденсата, взаимодействие которого с расплавом при заливке может привести (в ре­зультате диссоциации воды) к взрыву и разрушению кокиля. В то же время холодный кокиль при заливке расплава подвергается максималь­ному по силе термическому удару, что также способствует разрушению литейной формы и ее элементов. Минимальная температура подогрева кокиля составляет 85—95 °С, а максимальная колеблется в пределах 115—475 °С, что предотвращает недоливы и отбел чугуна. При перегре­ве кокиля в нем активизируются процессы коррозии, обезуглероживания, насыщения серой и «роста» чугуна; при этом в отливках наблюдаются усадочные раковины, поры и повышенная ликвация.

Способы охлаждения кокилей. Искусственное охлаждение кокиля применяют с целью увеличения скорости затвердевания и охлажде­ния отливки, уменьшения продолжительности цикла литья и, как следствие, повышения стойкости кокиля. Искусственному охлаждению могут подвер­гаться как рабочая или наружная поверхности, так и их фрагменты. Охлаж­дающей средой являются сжатый воздух, вода, эмульсия, масло. Водные краски используют для местного охлаждения некоторых частей кокиля. Ис­кусственное охлаждение может осуществляться посредством свободной струи воды (душирование), перемещения жидкости или воздуха по замкну­тым каналам, а также окунания в жидкость кокиля или его элементов. Для увеличения площади охлаждаемой наружной поверхности на ней специально предусматриваются цилиндрические штыри-выступы (см. рис. 14.3, а), а также специальные медные вставки. В зависимости от необходимости искус­ственное охлаждение проводят во время нахождения отливки в кокиле, после ее выбивки или в течение всего процесса литья.

Методы изготовления кокилей. Получение кокилей лить-е м. Широко используется метод литья заготовок кокилей по специальным моделям. При литье стальных кокилей в песчаные формы хорошее качество поверхности отливки обеспечивается применением формовочной смеси на основе кварцевого песка КО20Б (94% мае.) с добавками жидкого стекла (5,5% мае.) и 15%-ного раствора едкого натра (0,5% мае). При литье коки­лей из разных сплавов широко применяется вакуумная формовка.

Алюминиевые кокили получают способом кокильного литья в стальные или чугунные мастер-кокили. Для получения гипсовой модели кокиля в ка­честве мастер-модели используют отливку.

Весьма эффективным и перспективным способом изготовления сталь­ных кокилей является электрошлаковое литье, обеспечивающее получение плотной структуры отливки с высокими механическими свойствами (в част­ности, ударной вязкостью).

Получение кокилей методами порошковой метал­лургии. Этим методом получают многослойные кокили с различными теп-лофизическими и механическими свойствами слоев. Элементы стенок коки­ля получают прямым или гидростатическим прессованием порошка в пресс-формах. Для упрочнения материала элементов кокиля в матрицу, изготов­ленную из железного порошка типа ПЖ2М, вводят отрезки молибденовой проволоки. Прессованные элементы многослойной стенки кокиля спекают.

Изготовление составных кокилей вызывает необходи­мость нормализации и универсализации сменных элементов стенок кокиля. Например, так называемые игольчатые кокили изготавливаются из отрезков проволоки определенного диаметра. Эти кокили отличаются хорошей подат­ливостью и газопроницаемостью.

Покрытия на кокилях. Назначение покрытий: а) обеспечение необходимого теплообмена между рабочей поверхностью кокиля и отливкой с целью регулирования режима ее охлаждения; б) создание в кокилях вос­становительной или окислительной атмосферы, исключающей образование на поверхности отливки оксидов или карбидов соответственно (покрытия с большой газотворной способностью); в) защита рабочей поверхности кокиля от воздействия термического удара и эрозионного воздействия расплава; г) защита от пригара или приваривания отливки к стенкам и каналам кокиля, а также от высокотемпературного окисления и обезуглероживания ее по­верхности; д) использование покрытий для поверхностного легирования (алитирование, силицирование и др.); е) уменьшение коэффициента трения между отливкой и стенками кокиля.

Все защитные покрытия условно подразделяются на разовые, многора­зовые и постоянные. Все они, в свою очередь, делятся на тонкостенные и толстостенные. Долговечность постоянных покрытий соизмерима с ресур­сом работы кокиля или сроком межремонтных работ. Они формируются на рабочей поверхности кокиля газопламенным или плазменным напылением, диффузионным насыщением (алитирование, хромирование, силицирование), а также методами электрохимической (анодирование) и химико-термической (азотирование, нитроцементация, цементация) обработки.

Разовые и многоразовые покрытия. В качестве разовых и многоразовых покрытий используются краски. При формировании многора­зового покрытия кокилей для литья чугуна используют водную суспензию на основе молотого шамота (40%) с добавками жидкого стекла (6%) и марган-цевокислого кали» {0,05%). Здесь и далее содержание компонентов приво­дится в массовых процентах. Для тех же целей применяется водная суспен-

зия сажи (10—15%) и огнеупорной глины (10—15%) с добавками жидкого стекла (5—7%) и смачивателя ОП-7 (0,5%).

В качестве разовых красок на рабочие стенки кокиля (при литье чугуна) наносят безводное покрытие — ацетиленовую копоть, а также покрытие, осаждаемое из водной суспензии, содержащей молотый тальк (23%) с добавками огнеупорной глины (2%), жидкого стекла (4%) и буры (1,2% сверх 100%).

Разовые покрытия наносят на многоразовый подслой, для получения кото­рого используется водная суспензия порошкообразного кварца (16%) с добавка­ми жидкого стекла (3,2%) и марганцевокислого калия (0,06% сверх 100%).

При литье стали часто применяют покрытие в виде водной суспензии, содержащее 30—40% огнеупорного наполнителя (карборунд, циркон, оксид хрома и др.) с добавками жидкого стекла (5—9%) и борной кислоты (0,7— 0,8%). Покрытие целесообразно наносить в несколько слоев.

При литье магниевых сплавов используют для формирования покрытий водные суспензии, содержащие 15% оксида магния или цинка (либо 18% талька) с добавками борной кислоты и жидкого стекла (каждой по 2,5—4%). Составы покрытий, близкие к приведенным для магниевых сплавов, также наносятся на рабочие поверхности кокилей при литье алюминиевых сплавов: это водные суспензии на основе цинковых белил (15%) или мела (17,5%) с до­бавками асбестовой пудры (5—8,7%) и жидкого стекла (3—3,5%).

Постоянные покрытия. В качестве постоянных используются плазменные покрытия на основе А1₂0₃ и Zr0₂, стабилизированных СаО. Имеется также положительный опыт стабилизации оксида циркония 25%-ными (по массе) добавками жидкого стекла (силикатов натрия Na₂0nSi0₂, где п = 1,5—3,5) в порошок Zr0₂. Для повышения адгезии керамического покрытия к основе на кокиль наносят промежуточный слой (подслой) тол­щиной 0,2 мм. В качестве подслоя используют нихром или сплав системы Ni—А1—Р, формируемый напылением из порошка, содержащего 20% А1 и 80% Ni+ 1,2—1,8% Р. Образующиеся в подслое алюминиды никеля улуч­шают адгезию керамических покрытий к основе. Стабильность оксидных покрытий сохраняется при их толщинах, не превышающих 0,5 мм. Опыт по­казал, что теплозащитные свойства покрытия из Zr0₂, сформированного на нихромовом подслое, существенно выше, чем покрытия на основе А1₂0₃.

Для повышения температуры плавления, твердости и износостойкости, а также одновременного снижения теплопроводности поверхностного слоя алюминиевых кокилей их подвергают анодированию.

Формирование облицовочного слоя на рабочей поверхности кокиля. Значительно большей стойкостью по сравне­нию с обычными металлическими кокилями обладают облицованные кокили — металлические формы, рабочие полости которых покрыты неметаллическим рабочим слоем, соизмеримым по толщине (4—5 мм и более) с толщиной стенки рабочей камеры. Применяются одноразовые и многоразовые облицо-

вочные слои. Для формирования облицовочного покрытия используют мо­дель, размещаемую в рабочей зоне кокиля. Зазор между стенками рабочей зоны кокиля и предварительно подогретой моделью заполняют (пескодув­ным способом, заливкой и др.) облицовочным составом. В качестве облицо­вочных составов используют: песчано-смоляные смеси, содержащие в каче­стве связующего фенолформальдегидную смолу (2—2,6%) с добавкой (8— 12% от массы смолы) уротропина; самотвердеющие смеси и керамические составы со связующими — жидким стеклом и этилсиликатом соответственно.

После завершения процесса облицовки из кокиля извлекают модели многоразового использования. Разовые же модели, в зависимости от их со­става, удаляют выплавлением, растворением или газифицированием.

Достоинства кокильного литья: возможность многократного использо­вания форм; удобства автоматизации процесса труда; хорошие механические свойства отливок, обусловленные их мелкозернистой структурой, форми­рующейся в процессе интенсивного теплообмена между отливкой и кокилем; размерная точность и качество поверхности отливок; снижение припусков на механическую обработку; повышенный процент выхода годного литья (за счет снижения расхода металла на литниковую систему или из-за ее отсутствия).

Недостатками литья в кокиль являются: трудоемкость изготовления ко­килей, их высокая стоимость, отсутствие податливости, особенно при полу­чении сложных фасонных отливок из легированных сталей и тугоплавких металлов. Данным способом получают в основном отливки из сплавов на основе меди, алюминия, магния, а также из стали и чугуна массой до 2000 кг. В то же время известен опыт получения кокильных отливок массой в не­сколько тонн (до 14 т).