Литьё цветных металлов в металлические формы (кокили)

Стержни простой конфигурации изготовляют  из конструкционных углеродистых сталей, а сложной конфигурации — из легированных сталей, для прочих деталей — осей, валов, болтов и т. д.— используют конструкционные стали (табл. 2.1).

Изготовление кокилей

Кокили небольших размеров для  мелких отливок из алюминиевых, магниевых, цинковых, оловянных сплавов изготовляют  литыми из чугуна, а также часто из поковок обработкой резанием с электрофизической и электрохимической обработкой рабочих полостей. Более крупные кокили - выполняют литыми. При отливке рабочих стенок кокилей особое внимание обращают на то, чтобы заготовки не имели внутренних напряжений, что обеспечивается технологией литья, а также .снижением уровня остаточных напряжений соответствующей термической обработкой.

Желательно выполнять литую  заготовку кокиля такой, чтобы не требовалось обработки резанием рабочих полостей, в крайнем случае производилась бы их зачистка. Это обеспечивает снижение стоимости кокиля и повышение стойкости рабочей поверхности к появлению сетки разгарных трещин при эксплуатации.

Однако решить эту задачу трудно, особенно если конфигурация рабочей полости сложная. Поэтому литые необработанные кокили применяют для отливок несложной конфигурации. Рабочую полость кокиля выполняют стержнями, которые для получения чистой поверхности кокиля, без пригара, обязательно окрашивают или натирают противопригарными пастами. Без окраски используют лишь стержни, получаемые по нагреваемой оснастке из смесей со связующим ПК-104, а также стержни из песков зернистости не выше 016, стержни из цирконовых песков.

Для получения литых  кокилей из стали используют СО₂ — процесс, а также керамические формы, изготовляемые по постоянным моделям [11]. Последний способ позволяет получать рабочие полости кокилей сложной конфигурации без обработки резанием. Точность размеров рабочих полостей в этом случае достигает 12 — 14-го квалитетов по СТ СЭВ 145—75, а шероховатость поверхности

R_z = 40÷10 мкм по ГОСТ 2789—73. Использование керамических форм для изготовления рабочих стенок кокилей позволяет снизить объем обработки резанием на 50—60%.

Литые заготовки стальных кокилей  после отливки подвергают термической обработке — нормализации. Термическую обработку стальных водоохлаждаемых кокилей проводят после приварки к ним кожухов и коробок для подачи жидкости, так как при сварке в конструкции неизбежно возникнут внутренние напряжения, которые могут привести к короблению кокиля при эксплуатации.

Для стабилизации размеров и формы  стальные кокили перед окончательной  обработкой резанием подвергают старению по режиму: нагрев до 773—873 К, выдержка 2 ч на каждые 25 мм толщины стенки, охлаждение с ночью до 473— 573 К и далее на воздухе. Используют также «тренировку» — циклическую термическую обработку: в печь, нагретую до 1173 К, помещают кокиль и нагревают до 573 К, затем охлаждают обдувкой воздуха. Этот цикл повторяют 3—4 раза. Стареыие и циклическую термическую обработку по указанным режимам используют также и для чугунных заготовок кокилей.

Стойкость кокилей и пути ее повышения

Стойкость кокилей измеряется числом отливок требуемого, качества, полученных в данном кокиле до выхода его из строя. Приблизительная стойкость кокилей приведена в табл. 2.2.

Увеличение стойкости  кокиля при литье чугуна, стали, медных сплавов позволяет повысить эффективность  производства отливок благодаря  снижению затрат на изготовление кокиля, расширить область применения этого перспективного технологического процесса.

Таблица 2.2

Приблизительная стойкость кокилей

Заливаемый  сплав	Отливки	Материал кокиля	Стойкость   кокиля (число отливок)
Медные	Мелкие Средние	Чугун	1000—10000 1000—8000
		Мелкие Средние	Сталь	1 000— 1 500 500 - 3000
Алюминиевые, магниевые, цинковые	Мелкие Средние Крупные	Чугун	Сотни  тысяч Десятки  тысяч Несколько тысяч

Основной причиной разрушения кокиля являются сложные термохимические процессы, вызываемые неравномерным циклическим нагревом и охлаждением рабочей стенки кокиля во всех трех ее измерениях (по толщине, длине, ширине). Это приводит к появлению неоднородного, изменяющегося с изменением температуры поля напряжений в стенке кокиля, вызывающего ее упругие и пластические деформации. Последние приводят к остаточным деформациям и напряжениям. Теоретически показано, что в поверхностном слое кокиля нереализованная термическая деформация обычно в 2 раза превосходит деформацию, соответствующую пределу текучести материалов при определенной температуре. Поэтому в каждом цикле нагружения (заливка — выбивка) деформация сжатия сменяется деформацией растяжения, что приводит к термической усталости материала кокиля. Термические напряжения возникают также вследствие структурных превращений и роста зерна материала кокиля, протекающих тем интенсивнее, чем выше температура его нагрева.

Способность кокиля выдерживать термические  напряжения зависит от механических свойств его материала при температурах работы кокиля. Эти свойства резко снижаются при нагреве. Напри- : мер, предел текучести стали 15 при нагреве до 900 К уменьшается в 3 раза.

Уровень возникающих в кокиле напряжений зависит также от конструкции  кокиля — толщины его стенки, конструкции ребер жесткости  и т. д. Например, тонкие ребра жесткости большой высоты приводят к появлению трещин на рабочей поверхности кокиля, а низкие ребра могут не обеспечить жесткость кокиля и привести к короблению.

Стойкость кокилей обеспечивается конструктивными, технологическими и эксплуатационными методами.

Конструктивные методы основаны на правильном выборе материалов для кокилей в зависимости от преобладающего вида разрушения, разработки рациональной конструкции кокиля.

 Термические напряжения, приводящие к снижению стойкости кокиля, являются следствием нереализованной термической деформации: менее нагретые части кокиля (слои рабочей стенки, прилегающие к внешней нерабочей поверхности, ребра жесткости) препятствуют расширению нагревающейся металлом отливки части кокиля. Уменьшить напряжения возможно, если термическая деформация нагретой части происходит беспрепятственно. Этого можно достичь, если расчленить рабочую стенку кокиля на отдельные элементы (вставки) в продольном (рис. 2.10, 6) или поперечном (рис. 2.10, а) направлениях. Тогда вследствие зазоров между элементами кокиля каждый из них при нагреве расширяется свободно.

 Для повышения стойкости кокилей  используют сменные вставки 1, оформляющие рабочую полость кокиля (рис. 2.10, в). Благодаря зазорам между корпусом 2 и вставкой 1 термическая деформация вставки протекает свободно, возникающие в ней напряжения снижаются, стойкость кокиля возрастает. Наиболее эффективно использование сменных вставок в многоместных кокилях.

Технологические методы направлены на повышение стойкости поверхностного слоя рабочей полости, имеющего наибольшую температуру при работе кокиля. Для этого используют армирование, поверхностное легирование, алитирование, силицирование, термическую обработку различных видов, наплавку, напыление на рабочую поверхность материалов, повышающих стойкость кокиля. Каждый из этих способов предназначен для повышения стойкости кокиля к разрушениям определенного вида.

 Эксплуатационные методы повышения стойкости кокилей основаны на строгой регламентации температурного режима кокиля, зависящего от температуры кокиля перед заливкой, температуры заливаемого металла, состава, свойств и состояния огнеупорного покрытия на его рабочей поверхности, темпа (частоты заливок) работы кокиля. Перед заливкой кокиль нагревают или охлаждают (если он был нагрет) до оптимальной для данного сплава и отливки температуры T_Ф (см. табл. 2.4). Начальная температура Т_ф кокиля зависит от темпа работы кокиля (рис. 2.11). При повышении темпа работы сокращается продолжительность t_ц цикла, в основном вследствие уменьшения времени t_3an от выбивки отливки из кокиля до следующей заливки. Это приводит к тому, что в момент заливки кокиль имеет температуру несколько выше требуемой (рис. 2.11, а), С увеличением Ц кокиля уменьшается разность температур АГ_Ф — Т_юл — Тф и соответственно уменьшаются остаточные напряжения в кокилях из упруго-пластических материалов. Вместе с тем повышение Г_ф способствует интенсификации коррозии, структурных превращений и других процессов в материале кокиля, что снижает его стойкость.

 При уменьшении темпа работы (рис. 2.11,6) продолжительность цикла возрастает также из-за увеличения времени t_3an. Это приведет к тому, что перед очередной заливкой температура Т'ф будет ниже заданной, соответственно возрастет разность температур АГ_Ф и увеличатся остаточные напряжения в кокиле, его стойкость понизится. Производственные данные показывают (рис. 2.12), что для данного конкретного кокиля существует оптимальный темп работы т, при котором стойкость его &_зал наибольшая.

На стойкость кокиля оказывает  влияние температура заливаемого металла Г_зал. Повышение температуры металла выше требуемой по технологии для данной отливки приводит к снижению стойкости кокиля и ухудшению качества отливки — усадочным раковинам, рыхлотам, трещинам.

 Стойкость кокиля может быть повышена при надлежащем уходе за ним при  эксплуатации. Это обеспечивается системой планово-предупредительного ремонта (ППР).

ТЕХНОЛОГИЯ ЛИТЬЯ В КОКИЛЬ

Технологические режимы литья

Почти всегда, за исключением особых случаев, требуемое качество отливки  достигается при условии, если литейная форма заполнена расплавом без неспаев, газовых и неметаллических включений в отливке, а при затвердевании в отливке не образовалось усадочных дефектов — раковин, пористости, трещин — и ее структура и механические свойства отвечают заданным. Из теории формирования отливки известно, что эти условия достижения качества во многом зависят от того, насколько данный технологический прооцесс обеспечивает выполнение одного из общих принципов получения качественной отливки — ее направленное затвердеание и питание. Направленное затвердевание и питание усадки отливки обеспечивается комплексом мероприятий: рациональной конструкцией отливки, ее расположением в форме, конструкцией ЛПС, технологическими режимами литья, конструкцией и свойствами материала формы и т. д., назначаемых технологом с учетом свойств сплава и особенностей взаимодействия формы с расплавом. Напомним, что при литье в кокиль главная из этих особенностей — высокая интенсивность охлаждения расплава и отливки. Это затрудняет заполнение формы расплавом, ускоряет охлаждение его в форме, что не всегда благоприятно влияет на качество отливок, особенно чугунных.

 Интенсивность теплового взаимодействия между кокилем и расплавом или отливкой возможно регулировать в широких пределах. Обычно это достигается созданием определенного термического сопротивления на границе контакта отливки 1 (расплав) — рабочая поверхность полости кокиля 2 (рис. 2.13). Для этого на поверхности полости кокиля наносят слой 3 огнеупорной облицовки и краски (табл. 2.3). Благодаря меньшей по сравнению с металлом кокиля теплопроводности λ_кр огнеупорного покрытия между отливкой и кокилем возникает термическое сопротивление переносу теплоты:

,

_где - коэффициент тепловой проводимости огнеупорного покрытия- — толщина слоя огнеупорного покрытия.

Огнеупорное покрытие уменьшает скорость q отвода теплоты от расплава  и отливки,  зависящую от тепловой  проводимости огнеупорного покрытия и разности между температурой поверхности отливки и температуры  поверхности кокиля:

.

Величины  и λ_кр возможно изменять в самых широких пределах, регулируя коэффициент тепловой проводимости огнеупорного покрытия и соответственно скорость охлаждения отливки, а следовательно, ее структуру, плотность, механические свойства.

 

 

Таблица 2.3

Составы огнеупорных  покрытий (красок) кокилем

Назначение	Компоненты	Содержание, мас.%	Коэффициент теплопроводности, Вт/ (.ч -К)
Для   отливок   из   алюми- ниевых сплавок	1   Окись цинка	15	0,41
	Асбест          прокаленный (пудра)	5
	Жидкое стекло	3
	Вода	77
	2. * Асбест      прокаленный	8.7	0,27
	Мел молотый	17,5
	Жидкое стекло	3,5
	Вода	70,3
Для   отливок  id   магние-	3. Тальк	18	0,39
вых сплавок	Борная  кислота	2,5
	Жидкое стекло	2,5
	Вода	77
Для   отливок   из   чугуна	4.  Пылевидный кварц	10— 15	0,58
	Жидкое стекло	3 - 5
	Вода	87—80
	5. * Молотый шамот	40	0,25
	Жидкое стекло	6
	Вода	54
	Марганцевокйслый     ка-
	лий 0,05 % (сверх 100 %)
Для    отливок    из    стали	6. Огнеупорная составляю-	30 —40	0,3
	щая (циркон, карбооунд,
	окись хрома)
	Жидкое стекло	5 - 9
	Борная  кислота	0,7—0,8
	Вода	Остальное до  плотно- сти 1,1-1,22 г/см3