Особенности формирования и качество отливок
Металлическая форма по сравнению с песчаной обладает значительно большими теплопроводностью, теплоемкостью, прочностью, практически нулевыми газопроницаемостью и газотворностью. Этими свойствами материала кокиля обусловлены рассмотренные далее особенности его взаимодействия с металлом отливки.
1. Высокая эффективность теплового взаимодействия отливки и формы: расплав и затвердевшая отливка охлаждаются в кокиле быстрее, чем в песчаной форме, т.е. при одинаковых гидростатическом напоре и температуре заливаемого расплава заполняемость кокиля обычно хуже, чем песчаной формы. Это осложняет получение в кокилях отливок из сплавов с пониженной жидкотекучестью и ограничивает минимальную толщину стенок и размеры отливок. Вместе с тем повышенная скорость охлаждения способствует получению плотных отливок с мелкозернистой структурой, что повышает прочность и пластичность металла отливок. Однако в отливках из чугуна, получаемых в кокилях, вследствие особенностей кристаллизации часто образуются карбиды, феррито-графитная эвтектика, отрицательно влияющие на свойства чугуна, так как снижают показатели ударной вязкости и износостойкости. Резко возрастающая твердость в отбеленном поверхностном слое затрудняет обработку резанием таких отливок и приводит к необходимости подвергать их термической обработке (отжигу2. Кокиль практически неподатлив и более интенсивно препятствует усадке отливки, что затрудняет извлечение ее из формы и может вызвать появление внутренних напряжений, коробления отливки и трещин в ней. В то же время неподатливая форма не деформируется по причине увеличения объема некоторых расплавов при кристаллизации из-за предусадочного расширения, например, в результате выделения графита в чугуне. В этом случае уменьшается опасность формирования усадочной пористости при затвердевании отливки.
При литье в кокиль отсутствуют погрешности, вызываемые упругими и остаточными деформациями песчаной формы, снижающими точность ее рабочей полости и соответственно отливки. Размеры рабочей полости кокиля могут быть выполнены значительно точнее, чем размеры песчаной формы, и отливки в кокилях соответственно получаются более точными. Точность отливок в кокилях обычно соответствует классам 5 – 9 для отливок из цветных сплавов и классам 7 – 11 для отливок из черных металлов (ГОСТ 26645-85 (изм. № 1, 1989)). При этом наибольшая точность обеспечивается для размеров в одной части формы. Точность размеров в двух и более частях формы, а также размеров, оформляемых подвижными частями формы, ниже. Точность отливок, полученных в кокиле, по массе примерно на один класс выше по сравнению с песчаными формами, при этом обеспечивается возможность уменьшения припусков на обработку резанием.
3. Физико-химическое взаимодействие металла отливки и кокиля минимально, что определяет высокое качество поверхности отливки. Отливки в кокиль не имеют пригара. Шероховатость поверхности отливок зависит от состава облицовок и красок, наносимых на поверхность рабочей полости формы, и соответствует Rz = 40 – 10 мкм, но может быть и меньше.
4. Кокиль практически газонепроницаем и имеет минимальную газотворность, определяемую в основном составами огнеупорных покрытий, наносимых на поверхность рабочей полости. Однако газовые раковины в кокильных отливках – явление нередкое. Причины их появления различны, но в любом случае расположение отливки в форме, способ подвода расплава и вентиляционная система должны обеспечивать удаление воздуха и газов из кокиля при заливке.
Эффективность производства и область применения
Эффективность кокильного производства отливок, как и производства отливок другими способами литья, зависит от полноты и правильности использования преимуществ этого процесса с учетом его особенностей и недостатков в условиях конкретного производства.
Ниже приведены преимущества литья в кокиль в сравнении с литьем в песчаные формы.
1. Обусловленное использованием металлической формы повышение качества отливки и стабильности показателей качества, в частности: механических свойств, структуры, плотности, шероховатости, точности размеров отливок.
2. Использование в металлических формах разовых песчаных стержней. Это существенно расширяет возможности способа при производстве фасонных отливок со сложными внешними и внутренними поверхностями.
3. Повышение производительности труда в результате исключения трудоемких операций приготовления смеси, формовки и очистки отливок. Поэтому использование литья в кокиль, по данным различных предприятий, позволяет в 2 – 3 раза повысить производительность труда в литейном цехе, снизить капитальные затраты при строительстве новых цехов и реконструкции существующих за счет сокращения требуемых производственных площадей, расходов на оборудование и очистные сооружения.
4. Устранение тяжелых и вредных операций выбивки форм, очистки от-ливок от пригара, их обрубки, общее оздоровление и улучшение условий труда, меньшее загрязнение окружающей среды.
5. Возможность механизации и автоматизации процесса изготовления отливки благодаря многократному использованию кокиля. При литье в кокиль устраняется процесс изготовления литейной формы, остаются лишь сборочные операции: установка стержней, соединение частей кокиля и их крепление перед заливкой, которые легко автоматизируются. Устраняются также такие возмущающие факторы, влияющие на качество отливок при литье в песчаные формы, как влажность, прочность, газопроницаемость формовочной смеси, т.е. процесс литья в кокиль является более управляемым. Для получения отливок заданного качества в кокильном производстве легче осуществить автоматическое регулирование технологических параметров процесса. Автоматизация процесса позволяет изменить характер труда литейщика-оператора, управляющего работой таких комплексов.
Однако способ литья в кокили имеет и недостатки, в числе которых следующие.
1. Высокая стоимость кокиля, сложность и трудоемкость его изготовления. Стоимость кокиля возрастает при получении отливок с под внутреними, для выполнения которых необходимо усложнять конструкцию формы – делать дополнительные разъемы, использовать вставки, разъемные металлические или песчаные стержни.
2. Ограниченная стойкость кокиля, измеряемая числом годных отливок, которые можно получить в данном кокиле. От стойкости кокиля зависит экономическая эффективность процесса, особенно при литье чугуна и стали. Поэтому проблема повышения стойкости кокиля относится к важнейшим при решении технологических задач кокильного литья этих сплавов.
3. Высокая интенсивность охлаждения расплава в кокиле в сравнении с песчаной формой. Данный фактор ограничивает возможность получения тонкостенных протяженных отливок, а в чугунных отливках дополнительно приводит к отбелу поверхностного слоя, ухудшающему обработку резанием; вызывает необходимость термической обработки отливок.
4. Неподатливость кокиля, которая приводит к появлению в отливках напряжений, а иногда и трещин.
5. Использование в кокиле большого числа песчаных стержней. Этот фактор снижает точность получаемых отливок и повышает в этих местах шероховатость их поверхности.
Преимущества и недостатки кокильного способа определяют в итоге рациональную область его использования. Вследствие высокой стоимости кокилей экономически целесообразно применять этот способ литья только в серийном или массовом производстве. Серийность при литье чугуна должна составлять более 20 крупных или более 400 мелких отливок в год, а при литье алюминия – не менее 400 – 700 отливок в год.
Эффективность литья в кокиль обычно определяют в сравнении с литьем в песчаные формы. Экономический эффект достигается благодаря устранению формовочной смеси, повышению качества отливок, их точности, уменьшению припусков на обработку, снижению трудоемкости очистки и обрубки отливок, механизации и автоматизации основных операций и, как следствие, повышению производительности и улучшению условий труда.
Таким образом, литье в кокиль с полным основанием можно отнести к трудо- и материалосберегающим, малооперационным и малоотходным технологическим процессам, улучшающим условия труда в литейных цехах и уменьшающим вредное воздействие на окружающую среду.
1. Вакуумная формовка
Широко распространено производство отливок в разовых песчаных формах. Этот способ применяется для изготовления из различных сплавов отливок широкого диапазона размеров и конфигураций. Технологический процесс литья в песчаные формы состоит из ряда последовательных операций: подготовка материалов, приготовление формовочных и стержневых смесей, изготовление форм и стержней, установка стержней и сборка форм, плавка металла, и заливка его в формы, охлаждение металла и выбивка готовой отливки, очистка отливки, термообработки и отделки.
Материалы, применяемые для изготовления разовых литейных форм и стержней делятся на исходные формовочные материалы и на формовочные смеси; их масса равна в среднем 5-6 тонн на 1 тонну годных отливок. При изготовлении формовочной смеси используют отработанную формовочную смесь, выбитую из опок, свежие песчаноглинистые материалы, добавки, улучшающие свойства смеси, воду. Приготовление смеси производят в определенной последовательности на смесеприготовительном оборудовании: ситах, сушилах, дробилках, мельницах, магнитных сепараторах, смесителях и т. п.
Формы и стержни изготавливают на специальном формовочном оборудовании. Насыпанная в опоки смесь уплотняется встряхиванием, прессованием или совместно тем и другим способом. Крупные формы заполняют с помощью пескометов. Формы в опоках подвергаются тепловой сушке в литейных сушилах.
После заливки форм жидким металлом и его отвердения отливки обычно выбивают из форм на вибрационных решетках. Полученные отливки поступают в очистное отделение, в котором отделяют пригоревшую смесь, элементы литниковой системы, зачищают остатки литников. Крупные отливки очищают гидравлическим способом в специальных камерах.
Самым многооперационным процессом производства отливок является формовка, реализация которой требует применение большого количества по массе и номенклатуры исходных материалов, а также задействования парка специализированного оборудования.
Особенностью вакуумной формовки является использование только кварцевого песка, пленки и вакуумного насоса. Сущность способа вакуумной формовки и последовательность операций иллюстрируется схемой, представленной на рисунке 1. Модельная плита 1 с закрепленной на ней моделью 2 монтируется на вакуумируемой камере 3, полость которой соединена сквозными каналами с поверхностью плиты и модели (рис. 1 а)
Полимерную пленку 4 толщиной 0,05-0,10 мм в течение нескольких секунд нагревают электрическим нагревателем 5 до перевода пленки в пластическое состояние (рис. 1 б).
Пленку накладывают сверху на модель (рис. 1 в), а полость камеры 3 подключают к вакуумному насосу. При этом пленка плотно облегает поверхность модельной плиты и модели, точно воспроизводя её контур.
На модельную плиту устанавливают опоку 6, которая через вытяжную камеру соединена с трубопроводом 7 и коллектором 8 (рис. 1 г). В опоку засыпают сухой мелкозернистый песок без связующего и предварительно уплотняют песок легкой вибрацией (рис. 1 д).
Далее отформовывают литниковую чашу, удаляют избыток песка из полуформы, накладывают на её поверхность полимерную пленку (без предварительного её нагрева) и уплотняют формовочный материал отсосом воздуха (вакуумированием формовочного материала) (рис. 1 е).
После вакуумирования полуформа приобретает необходимую прочность. Полуформу отключают от вакуумной системы и отделяют от модельной плиты (рис. 1 ж).
Вторую полуформу изготовляют аналогично, затем собирают из них форму. После сборки формы можно выполнять заливку. В процессе сборки формы, заливки металла и затвердевания отливки опоки подключены к вакуумному насосу (рис. 1 з). Как только температура отливки достигает значения, необходимого для сохранения её прочности, насос отключают, а песок, удаляемый из опок, через охладительное и пылеулавливающее устройство поступает в бункер (рис. 1 и).
Рисунок 1 — Последовательность операций при вакуумной формовке
При заливке пленка испаряется либо сгорает под влиянием заливаемого металла. Под воздействием вакуума продукты деструкции пленки проникают в форму и вместе с частицами песка образуют тонкую оболочку, которая упрочняет граничный слой формы. Это наряду с противопригарным покрытием обеспечивает получение отливок с низкой шероховатостью поверхности, что не требует дополнительных затрат на финишные операции очистки отливок.