Литье в кокиль
Общая характеристика способа литья.
В общем объеме производства отливок из цветных металлов и сплавов на долю кокильного литья приходится около 40%. Это обусловлено такими преимуществами литья в кокиль, как повышенная размерная точность отливок, высокая производительность процесса, многократность использования литейных форм, возможность автоматизации процесса экономное использование производственных площадей, возможность комбинированного использования кокилей и сложных песчаных стержней, стабильность плотности и структуры отливок, высокие механические и эксплуатационные свойства.
При увеличении толщины стенки прочностные и пластические свойства отливок понижаются, но в меньшей степени, чем при литье в песчаную форму.
Недостатки литья в кокиль — высокие трудоемкость изготовления и стоимость металлической формы, повышенная склонность к возникновению внутренних напряжений в отливке вследствие затруднительной усадки и более узкого по сравнению с литьем в песчаную форму интервала оптимальных режимов, обеспечивающих получение качественной отливки.
Литье в кокиль широко используют при изготовлении фасонных отливок из алюминиевых, магниевых и цинковых сплавов; реже — при литье медных сплавов и редко используется при изготовлении отливок из тугоплавких сплавов.
Средняя толщина стенок кокильных отливок из алюминиевых сплавов составляет 3-7 мм. Характерная номенклатура кокильных отливок из алюминиевых сплавов: детали моторной группы (блок цилиндров, поршень, головка блока, картер); корпуса насосов, фильтров, выключателей; колеса автомобилей, вентиляторов; детали бытовых приборов.
Оптимальная толщина стенок кокильных отливок из магниевых сплавов составляет 5-10 мм. Литье в кокиль из магниевых сплавов ограничено используют при изготовлении тонкостенных отливок сложной конфигурации. Характерная номенклатура отливок: крышки (сальника, головки цилиндров, гидрораспределителя); картеры (коробок передач, сцепления); патрубки; опоры подшипников; корпуса (насосов, фильтров, подшипников); кронштейны, колеса вентиляторов и др.
Литье в кокиль медных сплавов чаще всего применяют при изготовлении отливок из кремнистой латуни типа ЛЦ16К4. Оптимальная толщина стенки отливок 8-12 мм. Характерная номенклатура: водная и паровая арматура втулки, шестерни, корпусные детали насосов, подшипники.
Конструкция металлических форм.
При литье в кокиль определяющее значение имеют тепловые условия формирования структуры отливки, которые в широких пределах могут изменяться варьированием толщины стенки киля, а также составом и толщиной покрытия, наносимого на рабочую поверхность кокиля.
При толщине стенки кокиля δ н равной или меньшей толщины стенки отливки δотл, определяющее значение внешний теплообмен между кокилем и окружающей среде; с увеличением толщины стенки кокиль роль внешнего теплообмена снижается и при δ н > 3 δ отл внешние теплопотери пренебрежимо малы, а основное значение приобретает теплоаккумулирующая способность формы. Время затвердевания отливки и максимальная температура на рабочей поверхности кокиля уменьшается по мере увеличения объемного состояния массы кокиля и массы отливки до 4; дальнейшее увеличение этого показывает практически не оказывает влияние на время затвердевания отливки.
Толщину стенки кокиля можно рассчитать, используя соотношение (рекомендации А.М. Петриченко).
δн = (3В / 2Кр) * Х1 * (Кн + (1 + Кн / Т3 — Т2н) + rt / c1) (1)
где В — коэффициент, учитывающий склонность кокиля к короблению и окислению (В = 1,25 / 2,00); Х1 — половина толщины стенки отливки ; Кр — коэффициент, учитывающий сложность конфигурации отливки; Кп — коэффициент, учитывающий сложность конфигурации отливки; Кр = 2Х1 / Rnp; Rnp — приведенная толщина стенки отливки; Кн — коэффициент, учитывающий интенсивность теплообмена между отливкой и формой; Кв = b3 / b1, где b1 и b2 — коэффициенты аккумуляции теплоты для материала соответственно отливки и формы; Т3 и Т2н — температуры соответственно металла в момент заливки и начальная кокиля; r1 и с1 — удельные соответственно теплота затвердевания теплоемкость материала отливки.
При изготовлении отливок из алюминиевых сплавов используют также практические рекомендации; для отливок с толщиной стенки до 5 мм толщина стенок кокиля составляет 20-40 мм (большее значение относится к сплавам с хорошей жидкотекучестью), для отливок с толщиной 5-20 мм — соответственно 40-80 мм.
Высокая стоимость изготовления кокилей вынуждает особое внимание уделять оценке эксплуатационной стоимости и соответствующему выбору материалов для рабочих элементов кокиля. Пригодность материала для кокилей оценивают по различным параметрам. Для хрупких металлов этим параметром является временное сопротивление
zх = (σ y*λ)/αЕ
где, σв — временное сопротивление; λ — теплопроводность; α — коэффициент линейного расширения; Е — модуль упругости.
Для пластичных материалов пригодность материала оценивают по относительному удлинению
zх = (δy * λ) / αЕ
где δ — относительное удлинение.
Стойкость кокилей возрастает с увеличением параметров Zх и Zн. Наиболее высокой стойкостью обладают кокили с литой поверхностью.
Многообразие номенклатуры литых деталей определяет разнообразие конструкций кокилей. В таблице 1
приведена классификация кокилей по их применению.
Кокили различают также по способу их изготовления (литьем, сваркой, обработкой резанием), по числу одновременно получаемых в их отливок (одно — и многоместные), способу регулирования температуры, степени универсальности конструкции (составные, из нормализованных элементов, специальные).
Среди специальных кокилей перспективы охлаждаемые, а также кокили из спеченных и композиционных материалов. Принудительное охлаждение стержня и боковых вставок позволяет устранить пористость в зоне стержня и повысить темп работы кокиля. Однако требуемый тепловой режим кокиля можно стабилизировать только при автоматическом регулировании процесса охлаждения, что усложняет конструкцию кокиля и его обслуживание.
Для регулирования охлаждения кокиля могут быть использованы специальные устройства — тепловые трубки, в которых используется испарительное охлаждение с замкнутым циклом обращения хладагента.
Кокили из спеченных порошковых материалов обеспечивают повышение газопроницаемости форм, дифференцированный (за счет армирования) отвод тепла от отливки и повышенную термостойкость.
При проектировании кокилей необходимо правильно выбрать зазоры и подвижных частях, а также между знаками песочных стержней и соответствующими отверстиями в кокиле.
При конструировании кокилей необходимо предусмотреть вентиляцию литейной формы, особенно при наличии развитых поверхностей, выемок и глухих полостей. Для этого на плоскости разъема кокиля делают вентиляционные каналы, а на развитых поверхностях и в глухих полостях устанавливают вентиляционные пробки. Реже для этой цели устанавливают фильтры из спеченных порошковых материалов. Эффективным средством вентиляции формы является нанесение мелкопрофильных узоров и сеток на рабочую поверхность; при этом, помимо вентиляции формы, можно сформировать требуемый фронт потока металла на данной поверхности и устроить затвердевание наружной корочки отливки.
Тепловой режим работы кокиля зависит от вида сплава, массы и сложности конфигурации отливок. Рабочие температуры кокилей находятся в интервале 100-470 oС.для тонкостенных отливок кокили нагревают сильнее, чем для массивных и толстостенных.
Составы кокильных покрытий.
Покрытия, наносимые на рабочие поверхности кокиля, позволяют регулировать интенсивность теплообмена между отливкой и кокилем, защищают поверхность кокиля от химического взаимодействия с жидким металлом и обеспечивают литейной формы за счет их газопроницаемости.
В состав покрытия исходят огнеупорные наполнители связующие, активизаторы и вода. В качестве наполнителей используют мел, окись цинка, асбест, тальк, двуокись титана, шамот, графит. Все наполнители предварительно размалывают и просеивают через сито с ячейками размером не более 0,3-1,0 мм2. Асбест предварительно прокаливают при температуре 1000-1100 oС и просеивают через сито с ячейками 2-3 мм2. для магниевых сплавов применяют наполнители более грубого помола, чем алюминиевых.
В качестве связующего чаще всего используют жидкое стекло, в качестве активизатора — борную кислоту.
При приготовлении покрытия наполнители замешивают в подогретую до 70-80 oС воду; борную кислоту вводят в виде отдельно приготовленного раствора, а жидкое стекло — после охлаждения суспензии до комнатной температуры.
Важнейшей характеристикой покрытия является теплопроводность. Она зависит от теплопроводности наполнителя, пористости покрытия и состава газообразных продуктов, находящихся в порах. Увеличение пористости на 33 % снижает теплопроводность на 45 %, а замена азота в порошковом пространстве на водород приводит к росту теплопроводности почти на порядок. Теплопроводность покрытия равна 0,12-0,54 Вт/ (м * oС); теплопроводность анодной пленки на кокиль из сплава АЛ9 — 0,5 Вт/ (м * oС).
Способность покрытия выдерживать термохимические воздействия при литье оценивают параметром:
zн = (σв * (1 — Р)) / αЕ8 (4)
где, р — коэффициент Пуассона; α — коэффициент линейного расширения;
Е — модуль упругости; 8 — разность температур заливаемого металла и покрытия
Из (4) следует, что стойкость покрытия повышается при уменьшении α, увеличении σ в и снижении температуры заливки металла. Значения µ и Е изменяются в менее широких пределах и их роль менее значительна.
Покрытия наносят на рабочие поверхности кокиля (литники, прибыли) кистью или с помощью пульверизатора. При нанесении покрытия кистью температура кокиля не должна превышать 130 oС. Окрашивание из пульверизатора осуществляют на расстоянии 350-500 мм от окрашиваемой поверхности при давлении сжатого воздуха 0,25-0,35 МПа; температура кокиля не должна превышать 200 oС.
Толщина (мм) наносимого покрытия на поверхность литниковой системы составляет 0,5-1,0, на поверхность прибылей — 2,0-3,0; на рабочую поверхность кокиля — 0,1-0,3.
Покрытия на основе окиси цинка при нанесении ложатся тонким ровным слоем и обеспечивают низкую шероховатость поверхности отливки. Поверхность с большой шероховатостью покрывают мелом и тальком; еще более грубую поверхность — асбестом (обеспечивает хорошую заполняемость формы). Вентилируемость кокиля улучшается при использовании покрытий с более грубым смолом составляющих.
Особенности технологии литья в кокиль цветных сплавов.
При литье в кокиль алюминиевых сплавов вследствие повышенной скорости затвердевания газоусадочная пористость подавляется, что способствует получению плотных отливок. Положительно сказывается повышенная скорость затвердевания на дисперсность структурных составляющих и фазовом составе сплавов: измельчается эвтектика, уменьшаются размеры и улучшается форма железосодержащих фаз. Однако кокиль хуже заполняется сплавом, чем песчаная форма, поэтому необходима повышенная температура металла при заливке (табл. 6). Улучшению заполняемости способствует также повышение температуры кокиля и применение покрытий с высокими теплоизолирующими свойствами. Большое значение имеют условия теплообмена между отливкой и кокилем для алюминиевых сплавов с широким температурным интервалом затвердеванием.
Высокопрочные алюминиевые сплавы склонны к образованию горячих трещин, поэтому при изготовлении отливок на этих сплавов рекомендуется податливые песчаные или оболочковые стержни вместо металлических или применять комбинированные литейные формы: нижнюю — металлическую, верхнюю — облицованную или полностью песчаную. Вследствие повышенной склонности к окислению и малой плотности необходимо проводить фильтрацию алюминиевых сплавов при заливке в кокиль. Чаще всего для этого используют сетки из стеклоткани или из перфорированной металлической ленты.
Для магниевых сплавов из-за их повышенной склонности к окислению, большой усадки и низкого теплосодержания предусматривают специальные средства защиты от окисления, повышенного перегрева металла перед заливкой, а также усиленное питание затвердевающей отливки из массивных прибылей и ускоренные подрыв стержней и раскрытие формы по сравнению с литьем в кокиль алюминиевых сплавов.
Для предотвращения возгорания жидкого металла полость кокиля припудривают серым цветом, иногда им достаточно присыпать кромки кокиля у литниковой чаши и выпора. Заливочный инструмент перед использованием промывают в расплавленном флюсе.
При конструировании кокилей необходимо учесть, что линейная усадка отливок на магниевых сплавах составляет, %: для мелких отливок (до 100 мм) 1,0-1,3; для средних отливок (100-400мм)0,8-1,2%; для крупных (400-1000 мм) 0,6-1,1.
Отливки из медных сплавов склонны к образованию трещин, что затрудняет их изготовление в кокилях. Медные сплавы имеют низкую жидкотекучесть. Из медных сплавов наибольшую жидкотекучесть имеют кремнистые бронзы, наиболее низкую — марганцевые. Для свинцовых бронз характерна ликвация компонентов, поэтому при изготовлении отливок из этих сплавов рекомендуют применять водоохлаждаемые кокили.
Температура заливки оловянных бронз 1080-1200 oС; латуней 950-1100 oС.
Кокильные машины. Специальные технологические приемы и способы заливки кокилей. Основным технологическим оборудованием при литье в кокиль являются однопозиционные кокильные машины и многопозиционные карусели.
Характеристики некоторых серийно изготовляемых кокильных машин и каруселей приведены в табл.7.
При гравитационной заливке используют машины с поворачивающимся или наклоняемым кокилем. Угол поворота составляет 15-180 oС. Поворот кокиля способствует устранению турбулентности потока, улучшению направленности питания и затвердеванию отливок, расширению диапазона допустимых отклонений технологического процесса по различным параметрам. В кокильной машине повторного типа объединены раздаточная печь — миксер и кокиль (рис.6). электронагреватели герметизированы трубой из силицированного графита и обеспечивают подогрев жидкого металла в тигле. Регулируемый поворот миксера приводит к заливке жидким металлом металлической формы. в процессе затвердевания миксер играет роль обогреваемой прибыли.
Таблица 1. Классификация кокилей.
| Классификационный признак | Тип кокиля | Изготовление отливки |
| Плоскость разъема | Вытряхной (неразъемный) | Массивные простой конфигурации, cложные, требующие нескольких плоскостей разъема и изготавливаемые в песчаных стернях. |
| С одним горизонтальным разъемом | Небольшой высоты | |
| С несколькими горизонтальными разъемами | Сложной конфигурации, с выступами на внешней поверхности при значительной высоте | |
| С криволинейным разъемом | Сложной конфигурации | |
| С «книжным» разъемом | Имеющие форму тел вращения | |
| С вертикальными разъемами | Сложной конфигурации, требующие применения нескольких отъемных частей | |
| С вертикальным и горизонтальным разъемами | Сложной конфигурации | |
| Подготовка рабочей поверхности к заливке | Без покрытия | Простые массивные при мелкосерийном производстве |
| С тонкослойным периодически наносимым покрытием | Основной номенклатуры | |
| С постоянным теплозащитным покрытием (плазменным, анодированным) | Из сплавов с высокой температурой плавления | |
| с разовым облицовочным покрытием | Из сплавов, склонных к большой усадке и трещинообразованию при массовом производстве | |
| Применяемые стержни | С металлическими стержнями | Простой конфигурации с внутренними полостями |
| С песчаными стержнями | Тонкостенные с внутренними полостями сложной конфигурации |
Таблица 2. Рекомендуемые зазоры в подвижных частях кокилей при литье алюминиевых сплавов
| Номинальные размеры (от -до) | Зазоры | Допуски на изготовление | |||
| средние, учитываемые в отверстиях | максимальные | минимальные | отверстий | стержней | |
| 30-50 | 0,2 | 0,3 | 0,2 | +0,050 | -0,050 |
| 50-80 | 0,2 | 0,32 | 0,2 | +0,060 | -0,060 |
| 80-120 | 0,2 | 0,34 | 0,2 | +0,070 | -0,070 |
| 120-180 | 0,3 | 0,46 | 0,3 | +0,080 | -0,080 |
| 180-260 | 0,4 | 0,58 | 0,4 | +0,090 | -0,090 |
| 260-360 | 0,5 | 0,7 | 0,5 | +0,1 | -0,1 |
| 360-500 | 0,6 | 0,84 | 0,6 | +0,120 | -0,120 |
| 500-560 | 0,7 | 0,98 | 0,7 | +0,140 | -0,140 |
| 560-630 | 0,8 | 1,08 | 0,8 | +0,140 | -0,140 |
| 630-710 | 0,9 | 1,2 | 0,9 | +0,150 | -0,150 |
| 710-800 | 1,0 | 1,3 | 1,0 | +0,150 | -0,150 |
| 800-900 | 1,1 | 1,44 | 1,1 | +0,170 | -0,170 |
| 900-1000 | 1,2 | 1,54 | 1,2 | +0,170 | -0,170 |
| 1000-1120 | 1,2 | 1,7 | 1,3 | +0,200 | -0,200 |
Таблица 3. Зазоры между направляющими частями кокилей и металлическими стержнями при литье легких сплавов
| 0,5 (а+b) или D | s |
| свыше — до | |
| До 25 | До 0,08 |
| 25-40 | 0,08-0,13 |
| 40-60 | 0,13-0,21 |
| 60-100 | 0,21-0,33 |
| 100-160 | 0,33-0,53 |
| 160-250 | 0,53-0,82 |
Таблица 4. Зазоры между песчаных стержней и элементами кокиля
| Высота знака h (свыше — до) | s при длине или диаметре стержня (свыше — до) | ||||
| До 50 | 50-150 | 150-300 | 300-500 | 500-750 | |
| До 25 | 0,15 | 0,15 | 0,25 | - | - |
| 25-50 | 0,25 | 0,25 | 0,50 | 1,00 | 1,00 |
| 50-100 | 0,50 | 0,50 | 1,00 | 1,00 | 1,50 |
| 100-300 | 1,00 | 1,00 | 1,00 | 1,50 | 2,00 |
Таблица 5. Рабочая температура кокилей
| Сплавы | Толщина стенки отливки, мм | Температура кокиля, oС | |
| Начальная | Рабочая | ||
| Алюминиевые | До 6 Св.6 |
150-250 120-250 |
300-470 200-350 |
| Магниевые | До 6 Св.6 |
200-250 200-250 |
350-450 250-300 |
| Медные: латуни бронзы |
Любая | До 100 | 150-250 50-150 |
Таблица 6. Температуры заливки некоторых алюминиевых и магниевых сплавов при литье в кокиль
| Сплав | Температура заливки, oС | Сплав | Температура заливки, oС |
| АЛ2 | 720-800 | МЛ2 | 750-800 |
| АЛ4 | 700-820 | МЛ3 | 700-800 |
| АЛ9 | 700-800 | МЛ4 | 780-800 |
| АЛ5 | 720-780 | МЛ5 | 710-800 |
| АЛ7 | 700-750 | МЛ6 | 700-800 |
| АЛ8 | 700-750 | МЛ7 | 720-780 |
| АЛ11 | 700-750 | МЛ9 | 710-800 |
| АЛ12 | 700-750 | МЛ10 | 710-800 |
| МЛ11 | 700-800 | - | - |
Таблица 7. Кокильные машины и карусели
| Параметры | Машины | Карусели | |||||
| 5955А | 82А503 | 52А505 | 52А507 | 59К613 (шесть позиций) | 81745 (восемь позиций) | ||
| Размеры рабочего места на основных плитах для крепления кокиля (ширина х высота), мм | 630х500 | 500х400 | 800х630 | 1250х1000 | 500х400 | 800х630 | |
| Наименьшее расстояние между основными плитами, мм | 700 | 500 | 630 | 800 | 500 | 630 | |
| Ход, подвижной плиты мм: | основной | 320 | 250 | 320 | 400 | 400 | 250 |
| торцовой | 160 | 160 | 200 | 250 | - | 20 | |
| Металлоемкость кокиля для алюминия, кг | 30 | 16 | 40 | 100 | 10 | 20 | |
| Установленная мощность, кВт | 13 | 5,5 | 5,5 | 7,5 | 21 | 48 | |
| Габаритные размеры (длина х ширина х высота), мм | 3300х х2020х х2570 |
2700х х1800х х2300 |
3400х х2000х х3250 |
3400х х2600х х3960 |
4600х х4600х х2000 |
7600х х7600х х5700 |
|
| Масса, кг | 7300 | 4400 | 9200 | 11800 | 25000 | 62000 | |
Добрая ссылка: утилизация шин