Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Литейные сплавы и их свойства

1.1 Жидкотекучесть литейных сплавов

2. Технология получения сплавов

2.1 Выбор литейного сплава

2.2 Общие сведения о технологических процессах приготовления литейных расплавов

2.3 Классификация кокилей, литниковая система

2.3.1 Область применения кокильных отливок

2.3.2 Достоинства и технико-экономические показатели производства отливок в кокили

2.3.3 Технические требования к конструкции и материалу кокилей

2.3.4 Классификация кокилей

2.3.5 Литниковая система кокиля и ее элементы

2.3.6 Режим и способы подогрева кокиля

3. Виды и факторы разрушения кокиля, ремонт, изготовление

4. Изготовление кокильного литья из серого чугуна

4.1 Входной контроль исходных материалов для приготовления кокильных покрытий

4.2 Приготовление и нанесение на рабочие поверхности кокилей специальных покрытий. Подготовка кокиля к заливке

4.3 Заливка кокилей

4.4 Обрубка отливок, контроль качества литья

5. Требования безопасности при производстве кокильного литья

Литература



Введение

Литейное производство является одним из самых древних видов обработки металлов. Археологические исследования показывают, что уже за 5000 лет и более до нашей эры в древних центрах человеческой культуры литейное ремесло и искусство достигли высокого уровня. Об этом свидетельствуют найденные при раскопках древних городов античные вазы-амфоры, статуи и предметы домашнего обихода. Установлено, что первым литейным материалом была бронза.

В последние годы была найдено много стоянок древнего человека, на которых обнаружили литые наконечники копий и предметы домашней утвари. Это дало основание считать, что уже в последнюю эпоху каменного века предки умели выплавлять металл, владели литейным ремеслом. Археологи установили, что на берегу Исетского озера был металлургический «завод» с законченным циклом производства. Здесь отливали топоры, наконечники стрел, украшения и предметы домашнего обихода. Сейчас на этом месте установили своеобразный памятник древним металлургам.

Наивысшего расцвета литейное дело достигло в конце ХII- начало ХIII веков, когда стали применять двухсторонние формы из твердых пород камня, снабженные разветвленными литниковыми системами. Формовку производили в глине, а плавку металла в тиглях, для контроля жидкотекучести применяли специальные технологические пробы.

Параллельно с развитием технологии литейного производства происходило освоение новых литейных материалов (сплавов) чугуна, стали, ковкого чугуна, алюминиевых, магниевых и других цветных сплавов на основе редких металлов.

При современном уровне развития техники машины являются неотъемлемой частью нового вида производства. Повышая производительность труда и качества выпускаемого вида продукции, машины обеспечивают высокие темпы развития всех отраслей народного хозяйства нашей страны.

Процесс создания машины начинается в техническом отделе завода, а затем в цеховых технологических бюро, где технологи разрабатывают наиболее рациональные процессы производства отдельных деталей и сборки машины с учетом имеющихся на данном предприятии производственных условий и создают механическую документацию, определяющую характер и особенности производственных процессов, связанных с выпуском машин.

Заготовки деталей машин и другие металлические изделия можно получить различными способами: ковкой, сваркой, штамповкой. Однако наиболее распространенным и самым дешевым способом их производства следует считать литье, характерной особенностью которого является универсальность, возможность получать самые разнообразные по конфигурации и технологическим свойствам фасонные отливки из чугуна, стали и сплавов известных металлов.

В литейных цехах фасонные отливки получают путем заливки расплавленного расплава в песчано-глинистую форму. Такая форма служит для изготовления одной отливки и называется разовой.

Высокие механические и эксплуатационные свойства отливки обуславливают их широкое применение в различных отраслях промышленности и особенно в станкостроении, где литые детали составляют до 90% массы металлорежущего станка. Учитывая это, литейное производство по праву считают основой машиностроения.

В современных условиях литейные цеха машиностроительных заводов, а также входящие в структуру металлургических, строительных и других предприятий, производят фасонные отливки, масса которых колеблется в широких пределах - от нескольких граммов до 300 тонн. С учетом массы чугунные и стальные отливки принято подразделять на группы: мелкие до 100кг, средние до 1000 кг, крупные до 5000 кг, тяжелые до 15000 кг и особо тяжелые свыше 15000 кг.

Литейное производство характеризуется трудоемкостью, серийностью и номенклатурой выпускаемых отливок. Под трудоемкостью понимают время, затрачиваемое для производства отливок, под серийностью - количество ежемесячно выпускаемых одинаковых отливок, а под номенклатурой - их разнообразие.

Различают следующие основные типы литейного производства: единичное, серийное и массовое.

Единичное (индивидуальное) производство характеризуется выпуском в небольших количествах самых разнообразных отливок. При этом производство отдельных отливок может периодически повторяться. Примером единичного производства может служить выпуск отливок для ремонтных целей в литейных мастерских небольшой мощности или очень крупных единичных отливок массой в несколько десятков тонн (детали мощных экскаваторов, корпуса крупных турбин).

Серийное производство характерно периодическим выпуском отливок огромной или широкой номенклатурой, значительными или небольшими партиями. Примером серийного производства является выпуск отливок для различных типов металлорежущих станков в литейных цехах станкостроительных заводов. С учетом объема и номенклатуры выпуска отливок серийное производство принято подразделять на мелкосерийное и крупносерийное.

Массовое производство характеризуется непрерывным выпуском отливок предельной номенклатуры в больших количествах. Примером массового производства служит выпуск отливок литейными цехами автомобильных и тракторных заводов.

Тип производства оказывает большое влияние на выбор методов литья и технологию производства отливок, на характер производственного оборудования и организацию труда в литейном цехе.

Если единичное производство характеризуется применением ручных методов труда, частичной механизацией производственных процессов и незначительным количеством применяемой модельно-литейной технологической оснастки, то в серийном и особенно в массовом производстве рационально применять наиболее технически современное и высокопроизводительное оборудование, большое количество специальных приспособлений и приборов обеспечивающих качественное выполнение операций.



1. Литейные сплавы и их свойства

Наряду с физическими (плотность, теплопроводимость, температура плавления), механическими (прочность, твердость, пластичность) свойствами литейные сплавы должны также обладать определенными технологическими свойствами, основными из которых являются жидкотекучесть, усадка, склонность к ликвации и поглощению газов.

Жидкотекучесть - способность расплава полностью заполнять любые очертания полости формы. При недостаточной жидкотекучести расплав заполняет форму частично, отливка получается с недоливом и бракуется. Жидкотекучесть, прежде всего, зависти от химического состава сплава, то есть от того, какие и в каком количестве элементы входят в сплав. Известно, что фосфор улучшает, а сера ухудшает жидкотекучесть серого чугуна.

1.1 Жидкотекучесть литейных сплавов

Степень жидкотекучести	Линейные сплавы
Высокая	Сплавы алюминия с кремнием, бронзы, кремнистая латунь, серый чугун, цинковые и оловянные сплавы
Средняя	Углеродистые и низколегированные стали, белый чугун, латуни (кроме кремнистой), сплавы алюминия с медью и магнием
Пониженная	Магниевые сплавы

Жидкотекучесть оловянистой бронзы возрастает при увеличении в ней содержания олова, цинка и фосфора. Кроме того, на жидкотекучесть оказывает влияние температура перегрева расплава при плавке: чем она выше, тем больше жидкотекучесть расплава, то есть тем более тонкостенную отливку из него можно получить. Величина жидкотекучести определяется по технологической пробе - длине заполненной расплавом полости контрольной литейной формы. При литье из серого чугуна применяют технологическую пробу в виде спирали, канал которой имеет трапециевидную форму постоянного сечения.

В зависимости от толщины стенок отливок жидкотекучесть серого чугуна по спиральной пробе должна быть не ниже:

Толщина стенок отливок, мм	Наименьшая жидкотекучесть, мм
3-6	500-700
6-15	400-500
16-25	300-500
Свыше 25	200 - 300

Усадка - уменьшение литейных размеров и объема отливок при охлаждении, она определяется способностью тел расширяться при нагревании и сжиматься при охлаждении. Для удобства усадку отливок выражают в процентах по отношению к первоначальным размерам полости формы (линейная усадка). Величина усадки отливок зависит от химического состава сплава, от их конфигурации и других факторов. Изготовление разностенных отливок из сплавов, имеющих повышенную усадку, затруднительно, так как, кроме изменения размеров и объема, в отливках, имеющих различную толщину стенок и массивные места, образуются усадочные раковины, а также большие внутренние напряжения, вызывающие их коробление или даже разрушение - образование трещин.

Усадочные раковины образуются в результате объемной усадки расплава при непрерывном остывании отливок. Быстрее всего остывают наружные слои отливок, соприкасающиеся со стенками формы; внутри же наружной затвердевшей корки сплав в течение некоторого времени остается жидким. При дальнейшем охлаждении твердая наружная корка и расплав уменьшаются в размерах, но при различной величине усадки. Так как температура расплава выше, чем температура корки, то он уменьшается в объеме в большей степени, благодаря чему к концу затвердения во внутренние части отливки образуется полость неопределенной формы, которую называют усадочной раковиной. Для предупреждения образования усадочных раковин в литейной форме предусматривают прибыли, являющиеся резервуарами расплава для питания отливок во время их охлаждения.

Внутренние напряжения являются следствием неравномерного охлаждения отливок и торможения усадки. Обычно они образуются в фасонных отливках с различной толщиной стенок. В процессе затвердения температура отливки не везде одинакова: внутри и более массивных местах она выше, чем снаружи или в тонких сечениях. При различных температурах усадка в отдельных местах отливки различна по величине (чем горячее какая-нибудь часть отливки, тем большую усадку она должна дать к моменту окончательного охлаждения).

Так как части одной и той же отливки не могут сжиматься независимо, то они мешают друг другу совершать свободную усадку. Таким образом, в отливке возникают внутренние напряжения, которые могут деформировать (покоробить) отливку, а иногда и вызвать в ней образование трещин. Внутренние напряжения и трещины могут также возникнуть из-за сопротивления усадки затвердевающего расплава со стороны формы и стержней. Чтобы предупредить образование внутренних напряжений и трещин, необходимо создавать конструкции деталей машин равномерной толщиной стенок и плавными переходами, устранять препятствия усадке сплава со стороны формы и стержней путем повышения их податливости.

Ликвация - свойство расплавов образовывать при кристаллизации и охлаждении отливок с неоднородным химическим составом. Это объясняется тем, что расплав в форме остывает не одновременно по всему сечению: тонкая плотная корка с малым содержанием примесей образуется в начале у стенок формы, а легкоплавкие примеси (фосфор и сера) оказываются в середине отливки, там, где сплав застывает в последнюю очередь.

Газосодержание сплавов. Литейные расплавы обладают способностью поглощать газы: водород, азот, кислород. Последние попадают в расплав из окружающей среды, из влаги и окислов (ржавчина), плавящихся исходных шихтовых металлов, топлива. Степень растворимости газов зависит от состояния сплава: с повышением температуры твердого сплава она увеличивается крайне незначительно, несколько возрастает при плавлении и особенно резко повышается при перегреве расплава до температур превышающих температуру плавления. Во время заливки формы расплавы всегда содержат то или иное количество газов, а их выделение находится в прямой зависимости от степени увеличения вязкости охлаждающего расплава и свойств литейной формы (ее материал, газопроницаемость формовочных смесей, наличие или отсутствие газоотводных каналов в стержнях). При затвердевании расплава, когда выделяется наибольшее количество поглощенных газов (вследствие уменьшения растворимости), создаются условия для образования в отливках газовых раковин.

Таблица 1

Свойства применяемых литейных сплавов

Сплавы	Физические и технологические свойства	Механические свойства *
	плотность, т/мі	усадка, %	температура плавления,єС	Пределы прочности, кгс/ммІ	Относит. удлинение д, %	Твердость по Бринеллю НВ
				при разрыве дв	при изгибе дизг
Серый чугун (обыкновенный)	7,15	1,0	1150-1260	12-44	28-64	1,5-3,0	143-289
Ковкий чугун	7,25	1,5	1150-1350	30-63	-	2-12	163-269
Сталь литая углеродистая	7,80	2,0	1420-1520	40-60	-	10-24	109-199
Бронза	8,60	1,5	1000-1150	6-60	-	5-30	14-250
Латунь	8,60	1,5	900-950	20-65	-	6-20	40-150
Алюминиевые сплавы	2,55-2,83	1,0	580-630	12-25	-	1-9	40-100
Магниевые сплавы	1,8-1,83	1,2	600-650	10-30	-	1-6	3075

* Зависят от вида применяемых форм (песчаная, металлическая), а также метода получения отливок (литье статическое, центробежное, литье под давлением)

2. Технология получения сплавов

2.1 Выбор литейного сплава

Принимая во внимание, что долговечность литых деталей и машин в целом зависит главным образом от их материала, конструкторы уделяют огромное внимание выбору литейных сплавов.

Выбор вида и марки сплава производится с учетом условий эксплуатации литой детали машины. Если к детали не предъявляются повышенные требования, то для ее производства обычно выбирают наиболее дешевый сплав, чаще всего серый чугун. Ответственные детали металлорежущих станков и других машин, работающих на трении при высоких силовых нагрузках, отливают из серого чугуна. Для деталей, испытывающих в условиях эксплуатации ударные нагрузки, выбирают (в зависимости от их массы и назначения) высокопрочный или ковкий чугун, а также углеродистые стали. Если детали машин работают в условиях повышенных температур, в агрессивной и коррозийной среде, то в качестве их материала выбирают легированные стали.

Медные сплавы - бронзы и латуни отличаются высокими антикоррозийными свойствами. Поэтому для производства втулок, вкладышей подшипников и других, работающих на трение литых деталей, выбирают те или иные марки бронз, а для винтов теплоходов, паропроводной и водопроводной арматуры (краны, вентили) - латуни.

В авиационной и ракетной технике, где первостепенную роль играет масса деталей и объектов, основным показателем для выбора литейного сплава является высокая удельная прочность (отношение предела прочности при растяжении к плотности), в этих отраслях используют легкие алюминиевые и магниевые, а также тугоплавкие литейные сплавы.



2.2 Общие сведения о технологических процессах приготовления литейных расплавов

Заливаемый в литейную форму расплав должен иметь определенный химический состав, соответствующий производству данных отливок температуру и жидкотекучесть. Он не должен быть насыщен газами, не загрязнен шлаком и другими неметаллическими включениями. Кристаллизуясь в полости формы, литейный расплав должен обеспечить заданные свойства формирующейся отливки.

Поэтому в литейных цехах разрабатывают и тщательно осуществляют технологические процессы приготовления расплавов, которые включают следующие операции: подготовка исходных шихтовых металлических материалов, флюсов и топлива; шихтовка; плавка шихты; металлургическая обработка расплава.

Подготовка исходных шихтовых материалов. В качестве исходных металлических шихтовых материалов ив литейных цехах обычно используют чушковые металлы и сплавы, машинный чугунный и стальной лом, всевозможные отходы черных и цветных металлов и сплавов, а также возврат собственного производства (литники, прибыли). Кроме того, применяются специальные присадочные материалы - ферросплавы (ферросилиций, ферромарганец), а также легирующие добавки (хром, никель).

Для удобства загрузки в плавильные печи крупногабаритные металлические материалы и отходы измельчают и разрезают на более мелкие части с помощью специального оборудования (чушколомы, аллигаторные ножницы, копры). Крупные куски флюсов (известняк) измельчают щековыми дробилками и шаровыми мельницами. Применяемый для плавки в вагранках кокс предварительно просеивают для отделения мелочи. Возврат литейного цеха (литники, прибыли) подвергают очистке от приставшей формовочной смеси в барабанах непрерывного действия, что предупреждает засорение приготовляемого расплава.

Шихтовка. Под шихтовкой понимается операция по составлению определенной весовой порции (она называется калошей) шихты-смеси исходных материалов, обеспечивающей заданный химический состав, а, следовательно, и свойства приготавливаемого расплава. Составление шихты требует от литейщика серьезных теоретических знаний и большого практического опыта. Составить шихту - значит правильно подобрать наиболее рациональные и экономичные шихтовые материалы, точно рассчитать нужное количество каждого материала с учетом угара, заданного химического состава и требуемых свойств литейного сплава. В настоящее время расчеты шихты ведут с помощью электронно-вычислительных машин "Минск-2", а также методом линейного программирования.

Шихтовка производится на складе шихтовых материалов из суточных бункеров с помощью специальных весов или весовых тележек. Набранные калоши шихты с помощью бадей с раскрывающимся днищем скиповым или другим устройством передаются в плавильные печи.

Плавка шихты. Принимая во внимание температуры плавления и другие свойства литейных сплавов (склонность к окислению, газосодержанию) в литейных цехах используют большое количество плавильных печей, отличающихся видом применяемой энергии для создания высоких температур, а также конструктивными особенностями. Наиболее широко применяемыми плавильными печами являются вагранки, дуговые электрические печи, индукционные электрические печи и электрические печи сопротивления.

При получении особо ответственных отливок и других специальных сплавов применяются вакуумные, с расходуемым электродом и другие плавильные печи оригинальной конструкции, а также установки для электронно-лучевой и плазменно-индукционной плавки. В плазменных печах температура может повышаться до 15000°, что в пять раз превышает температуру плавки в электрических дуговых печах. Они позволяют приготавливать литой материал с повышенными пластическими свойствами и сверхчистые металлы, а также сплавы с низким содержанием неметаллических включений, что крайне важно при литье ответственных деталей из легированных сталей и специальных сплавов.

Металлургическая обработка расплава. Во время плавки происходит расплавление шихты - получение расплава. Вместе с тем расплавы могут насыщаться газами и засоряться неметаллическими включениями (шлаки, частицы футеровки). Полученные в плавильной печи расплавы подвергают дополнительной металлургической обработке: обессериванию, рафинированию, дегазации и модифицированию.

Обессеривание используют в чугунолитейном производстве для освобождения серого чугуна от части содержащейся в нем вредной примеси - серы, которая снижает жидкотекучесть расплава, повышает усадку чугуна, способствует образованию в отливках газовых раковин. Обессеривание осуществляют присадкой в ковш с расплавом кальцинированной соды, карбида кальция и других добавок, связывающих серу с последующим ее переводом в шлак.

Рафинирование наиболее часто применяют для цветных сплавов с целью их очищения от твердых окислов и посторонних неметаллических включений. Рафинирование ведут с помощью хлористых и фтористых солей и другими методами.

Дегазация - широко применяется для легких (алюминиевых и магниевых) сплавов при освобождении выплавленных в плавильной печи расплавов от растворенных в них газов. Дегазацию проводят различными методами: продувкой расплава хлором или азотом, обработкой его ультразвуком, вакуумированием и введением в расплав активных добавок.

Модифицирование - специальный метод металлургической обработки расплавов, осуществляемый для измельчения структурных составляющих, улучшения внутреннего строения и повышения механических свойств металла отливок. Модифицирование применяют для серого чугуна, стали, алюминиевых и магниевых сплавов.

2.4 Классификация кокилей, литниковая система

2.3.1 Область применения кокильных отливок

Способом литья в кокили изготавливают различные по назначению отливки из стали, чугуна и цветных металлов. Наиболее технологичны алюминиевые, магниевые и медные сплавы, менее - железоуглеродистые сплавы и особенно сталь. Это объясняется тем, что с повышением температуры плавления используемого для литья сплава уменьшается стойкость кокиля. Кроме того, большие скорости охлаждения расплава и затвердевшей отливки приводят к возникновению в ней повышенных напряжений, а в чугунной отливке возможен поверхностный или сквозной отбел по сечению стенки.

В ручных и механизированных кокилях чаще всего изготовляют стальные отливки простой конфигурации со стенками толщиной более 6 мм и массой от нескольких килограммов до 14 тонн; чугунные отливки простой конфигурации с отбеленной поверхностью, плотной структурой и повышенной герметичностью, а также отливки, к которым предъявляют каких-либо требований по структуре; отливки из чугуна с вермикулярной или шаровидной формой графита со стенками не менее 8 мм; отливки средней сложности до 100 кг массой из алюминиевых сплавов с толщиной стенок не менее 4 мм; простые и средней сложности отливки из магниевых сплавов массой не более 50 кг и толщиной стенки не менее 5мм; отливки из латуней со стенками не менее 4 мм и размерами в плане до 600х700мм. Перечисленные отливки можно изготовлять и на автоматизированных линиях.

При использовании в цехах автоматических кокильных машин, линий и комплексов, а также технологии литья в облицованные кокили и кокили с расплавляемой облицовкой ограничения для производства чугунных и стальных отливок по сложности их конфигурации снимаются. Это объясняется тем, что использование упомянутых видов облицовки уменьшает интенсивность теплоотвода от формирующейся и охлаждающейся отливки в материал и резко повышает его стойкость. Одновременно снижение скорости теплоотвода позволяет повысить жидкотекучесть заливаемого расплава, понизить температуру заливки и расширить диапазон получаемых отливок по сложности конфигурации.

Номенклатура производимых отливок в значительной степени определяется технологическими возможностями и экономической целесообразностью применения этого способа литья. Эти ограничения в ряде случаев обуславливаются имеющимся оборудованием. Например, большинство кокильных машин отечественного производства могут быть использованы для производства отливок из чугуна и стали массой примерно до 300 кг и их цветных сплавов до 30 кг.

Меньшие по массе отливки изготавливают на механизированных и автоматизированных линиях и комплексах. Отливки массой в несколько тонн изготавливают в кокилях, перемещение и заливку которых осуществляют с помощью кранового оборудования.

Технологическая возможность изготовления отливки в кокиле зависит от конструкции литой детали и литейных свойств используемого сплава. Так с уменьшением толщины стенки и размеров отливки возрастают трудности ее производства, и ухудшается технологичность литья. Полученные в кокиле отливки с тонкими стенками могут иметь недоливы, стальные и чугунные - трещины, а чугунные - поверхностный сквозной отбел. Технологичность литья ухудшается и с увеличением числа отливаемых в отливке отверстий и повышением температуры плавления используемого сплава.

2.3.2 Достоинства и технико-экономические показатели производства отливок в кокили

Изготовление отливок в кокили по сравнению с литьем их в песчаные разовые формы имеет несомненные достоинства и экономические преимущества:

- существенно повышается размерная точность и уменьшается шероховатость поверхностей отливки, что снижает припуск на ее механическую обработку. Последняя иногда полностью исключается, что повышает прочность отливки, так как литая поверхность всегда лучше сопротивляется изнашиванию и коррозии;

- практически все отливки имеют плотную и мелкозернистую структуру, что повышает их механические свойства и гидроплотность;

- кокильную литейную форму используют многократно;

- за счет уменьшения расхода металла на литниковую систему или ее отсутствия повышается выход годного литья;

- улучшаются условия труда, и повышается производительность;

- уменьшается брак отливок;

- создаются благоприятные предпосылки для комплексной механизации и автоматизации производства отливок, а также уменьшения их себестоимости.

Литье в кокили используют в условиях крупносерийного и массового производства. При изготовлении простых отливок из алюминиевых сплавов их партия должна быть не менее 1500 шт., а сложных - 12000-15000 шт. Если отливка может быть получена только литьем в кокиль, то серийность ее партии не ограничивает целесообразность использования этого вида обработки.

После принятия решения о целесообразности изготовления отливок в кокиле разрабатывают технологию их производства по переделам, которые показаны в виде схемы на рис.1.

2.3.3 Технические требования к конструкции и материалу кокилей

Кокиль - металлическая форма с естественным или принудительным охлаждением, заливаемая расплавом металла под действием гравитационных сил.



		Разработка чертежа отливки
		v
		Разработка технологии производства отливки
		v
		Конструирование кокиля, стержневого ящика, контрольных шаблонов		Приготовление стержневой смеси
		v
		Изготовление кокиля, стержневого ящика, контрольных шаблонов
Одогрев и покрытие кокиля огнеупорной облицовкой и краской		v		Изготовления стержня
		Простановка стержня и сборка кокиля
		v
Подготовка шихтовых материалов их плавка		Заливка расплава в кокиль
		Извлечение отливки из кокиля
		v
		v
		Удаление стержня из отливки		Отработанная смесь
		v
Литники и другие металлоотходы		Обрубка и очистка отливки
		v
		Контроль качества отливки		Исправление дефектов
		v
		Термическая обработка отливки
		v
		Грунтование отливки		На склад

Рис. 1



Кокили могут иметь песчаные и металлические литейные стержни и вставки. Однако большую часть рабочей поверхности кокиля выполняют металлическими сплавами, в качестве которых используют серый (СЧ15, СЧ20, и СЧ25) и высокопрочный чугуны, конструкционные низкоуглеродистые (15Л-25Л) и углеродистые (10, 20, Ст3) стали. Применяют также медные и алюминиевые (АЛ2, АЛ4, АЛ9, АЛ11) сплавы. Последние часто со стороны рабочей поверхности кокиля анодируют.

Многократно используемые стержни и вставки кокилей, испытывающие в работе большие тепловые нагрузки, выполняют из легированных (30ХГС, 35ХГСА, 4х5МФС), а выталкиватели - из инструментальных (У8А, У10А) сталей, которые обладают большой твердостью и хорошо при частых теплосменах противостоят изнашиванию.

Многие заготовки кокилей, их наиболее сложные вставки обычно изготавливают литьем, а рабочие и посадочные поверхности и отверстия доводят до необходимой точности и заданной шероховатости механической обработкой. Поэтому к материалу литых кокилей предъявляют высокие требования по литейным свойствам (повышенная жидкотекучесть, минимальная усадка, повышенная трещеноустойчивость) и обрабатываемости резанием. Именно этим объясняется необходимость использования для получения заготовок кокилей сплавов с перлитной структурой.

Внутреннюю рабочую полость кокиля выполняют по размерам отливки с плюсовой поправкой на линейную усадку и минусовую поправкой, учитывающей расширение материала кокиля при его нагреве и толщину слоя покрытия. Аналогичным образом определяют и назначают размеры формообразующих частей вставок, вкладышей и стержней.

По конструктивному исполнению любой кокиль должен быть технологичным; иметь минимально необходимое число разъемов и используемых стержней; состоять полностью или в основном из стандартных и унифицированных сборочных единиц и деталей. Конструкция кокиля должна обеспечивать:

- получение в нем одной или нескольких отливок с заданными размерами и высоким качеством поверхности;

- быстрое и полное удаление из рабочей полости кокиля газов через венты, подвижные соединения, разъемы, а также выпор или прибыль;

- удобную замену вышедших из строя частей или деталей;

- высокую стойкость, которая в зависимости от числа заливок, вида сплава, массы отливок и температуры заливаемого расплава должна находиться в заданных пределах или превышать их;

- удобное и легкое удаление из кокиля металлических стержней, вставок и отливок с элементами литниковой системы.

Если для производства отливки используют один или несколько стержней, то в полости кокиля должны быть выполнены полости под знаки стержней.

Кокили должны иметь элементы искусственного, водяного, воздушного или смешанного охлаждения. Для удаления из полости кокиля газов в его стенках должны быть выполнены различные вентиляционные каналы (венты, тонкие сквозные каналы по плоскости разъема и в других местах).

Для смыкания и размыкания частей кокиля без перекоса в нем имеются центрирующие штыри и отверстия, а также фиксирующие шпонки и обычно цилиндрические, реже квадратные, направляющие. Конструкция кокиля должна иметь по разъему или в стержне каналы элементов литниковой системы для заливки расплава.

Чтобы исключить возможное размыкание частей кокиля в момент заливки в него расплава и при последующим охлаждением отливки в его полости, в конструкции кокиля предусмотрены различные запорные устройства. Для подъема и установки кокиля на машину предназначены специальные приспособления. Ручные кокили для этих целей снабжают ручками, рым-болтами, цапфами.

Отливки с элементами литниковой системы и стержнями удаляются из кокиля одним или несколькими выталкивателями, которые должны выполняться из прочных сплавов, например низкоуглеродистых инструментальных сталей (У8А, У10А) и высокопрочного чугуна.

Кокили для производства мелких и средних по массе отливок с искусственным воздушным или водо-воздушным охлаждением, а также двухслойные кокили рекомендуется изготавливать из серого чугуна марок СЧ18, СЧ20, и СЧ25; кокили для производства средних и крупных отливок с водо-воздушным и воздушным охлаждением, а также кокили в двухслойном исполнении - из высокопрочного чугуна марок ВЧ 42-12 или ВЧ 45-5; кокили с жидкостенным охлаждением, а также вкладыши двухслойных кокилей - из стали марок 15Л, 15ХМЛ и Ст3.

Водоохлаждаемые кокили с анодируемой поверхностью, а также кокили с анодируемой поверхностью и естественным охлаждением целесообразно изготавливать из алюминиевых сплавов (АЛ9, АЛ12, АЛ11), а вставки и стержни, подверженные интенсивному термогидродинамическому изнашиванию, - из меди и ее сплавов, а также легированных сталей.

2.3.4 Классификация кокилей

В табл. 2 приведены основные разновидности кокилей с тонкослойным покрытием, а в табл.3 подразделение разъемных кокилей по конструктивному исполнению.

Таблица 2

Признак	Разновидность
Отношение глубины рабочего гнезда к среднему габаритному размеру и поверхности разъема	1. Плоские 2. Цилиндрические
Расположение в пространстве поверхности разъема	1. Неразъемные (вытряхные) 2. С горизонтальной плоскостью разъема 3. С вертикальной плоскостью разъема 4. С комбинированной поверхностью разъема
Число рабочих гнезд	1. Одноместные 2. Многоместные
Конструктивное исполнение рабочих стенок	1. Цельные 2. Составные из элементов: унифицированных и неунифицированных
Способ охлаждения	1. С воздушным охлаждением (естественным и принудительным) 2. С жидкостным охлаждением 3. С комбинированным охлаждением (водовоздушный, чередующимся водяным, воздушным)
Способ подвода охлаждающей среды к рабочей стенке	1. Однослойные 2. Двухслойные
Материал рабочей стенки	1. С периодически наносимым защитным покрытием 2. С постоянным защитным покрытием (чугунные и стальные с плазменным напылением, алюминиевые с анодированной поверхностью)

Таблица 3

Тип и конструкция кокиля	Область применения и конструктивные особенности кокиля
С одним горизонтальным разъемом	Для производства отливок небольшой высоты из любых сплавов. Литниковая система отсутствует или выполняется в песчаном стержне
С тремя горизонтальными разъемами	Для производства сложных высоких отливок. Литниковая система выполняется в песчаном стержне
С одним вертикальным разъемом	Для производства отливок из любых сплавов на машинах и ручных кокильных станках. Литниковая система выполняется в стенках кокиля по разъему или в песчаном стержне
С криволинейным разъемом	Для производства сложных отливок из любых сплавов. Литниковая система выполняется по разъему в стенках кокиля
Со створчатым разъемом	Для производства из цветных сплавов мелких по массе отливок, имеющих большие уклоны на поверхностях или имеющих форму тел вращения. Литниковая система выполняется по разъему в стенках кокиля
Комбинированный	Для производства из цветных сплавов сложных отливок. Собирают кокиль из нескольких частей. Литниковая система выполняется по разъему в стенках кокиля

литейный литниковый кокиль чугун



2.3.5 Литниковая система кокиля и ее элементы

Для заливки расплава в песчаные и металлические (для специальных способов литья) формы чаще всего используют литниковую систему. Исключение составляет открытая заливка расплава в кокиль без литниковой системы, когда точность получаемой верхней части отливки не регламентирована или в этой части предусмотрена механическая обработка для снятия большого припуска. Литниковая система - это система каналов и устройств для подвода жидкого металла к полости литейной формы, отделения неметаллических включений и обеспечение питания отливки при затвердении. Кокильная литниковая система может быть горизонтальной и вертикальной. В горизонтальной литниковой системе питатели расположены в горизонтальной плоскости разъема литейной формы. Ее чаще всего применяют для литья отливок из различных сплавов в неразъемных кокилях.

Вертикальная литниковая система имеет питатели, расположенные в вертикальной плоскости разъема литниковой формы по положению при заливке. Ее наиболее часто используют в кокилях с вертикальным разъемом для получения отливок из различных сплавов. Вертикальную литниковую систему, предназначенную для подачи расплава в полость кокиля сверху, называют верхней. Ее часто применяют в кокилях, если необходимо обеспечить направленное затвердевание отливки снизу вверх. Вертикальную верхнюю литниковую систему, по которой подвод расплава производится несколькими рассредоточенными питателями, называют дождевой.. Применяют такую литниковую систему в кокилях для направленного затвердевания отливок снизу вверх при использовании расплавов, которые слабо окисляются при контакте с воздухом, а также для уменьшения термодинамического воздействия струи заливаемого расплава на стержни и дно, расположенные внутри полости кокиля. Снижение термодинамического воздействия струи достигается разделение ее на несколько мелких.

Вертикальную или горизонтальную литниковую систему, по которой производят подачу расплава в полость кокиля снизу, называют сифонной. Ее используют, если необходимо обеспечить плавное и спокойное заполнение расплавом полости кокиля снизу, а также при литье крупных по размерам и массе отливок. Вертикальную литниковую систему, по которой расплав подают в полость кокиля на нескольких уровнях, называют ярусной. Ее применяют для производства в кокилях высоких отливок.

Литниковая система состоит в основном из следующих элементов: чаши, стояка, шлакоуловителя, выпора, прибыли, литникового хода и редко литникового дросселя. Литниковая чаша предназначена для приема струи жидкого металла и направления его в литниковый стояк или непосредственно в рабочую полость литейной формы. Для кокилей чаще применяют воронку (рис. 2). Литниковый стояк представляет собой вертикальный (реже наклонный) прямой или изогнутый канал для подачи расплава из чаши (или воронок) к другим элементам литниковой системы.

Шлакоуловитель задерживает шлак и неметаллические включения, содержащиеся в потоке заливаемого металла.

Литниковый ход примыкает к нижней части стояка и выполняется в виде горизонтально расположенного канала либо системы каналов, служащих для распределения металла в плоскости разъема формы.

Питатель - прямой канал, предназначенный для непосредственного подвода металла к рабочей полости литейной формы.

Литниковый дроссель - местное сужение литниковой системы в виде щелевидных каналов, предназначенных для регулирования скорости движения расплава и для заполнения им полости литейной формы.

Выпор предназначен для вывода газов из полости литейной формы для контроля заполнения ее жидким металлом.

Прибыль - открытая или закрытая полость в литейной форме, примыкающая к наиболее массивным частям отливки и служащая для питания ее жидким металлом в период затвердевания и усадки.



2.3.6 Режим и способы подогрева кокиля

Режим подогрева. От начальной температуры кокиля перед заливкой зависит качество получаемой отливки, безопасность рабочих, стойкость стенок, вкладышей и стрежней.

На холодных стенках кокиля, особенно на защитных покрытиях из краски и облицовки, щелях по разъему, вентах и других местах конденсируется влага. При заливке такого кокиля может произойти выброс расплава, и даже разрушение кокиля в результате диссоциации воды и взрыва гремучего газа. Поэтому кокиль, в котором есть конденсат влаги, должен быть подогрет до температуры не менее 360-370К. Такой подогрев достаточен для испарения влаги, но не обеспечивает получение качественных отливок.

Холодный кокиль с тонкослойным теплоизоляционным покрытием быстро отводит теплоту заливаемого расплава, в результате чего рабочая полость кокиля может не полностью заполниться расплавом. Этим объясняется также появление, в особенности на стальных отливках, неспаев, трещин, усадочных раковин и пор, а в чугунных отливках поверхностного или сквозного отбела. Кроме того, холодный кокиль испытывает максимальный по силе термический удар, который ускоряет разрушение литейной формы и ее элементов.

Для предотвращения недоливов, неспаев и отбела чугуна рекомендуется производить максимальный подогрев кокиля до температуры 390-760 К. Этот интервал рекомендуемых температур обобщен на основе учета вида заливаемого сплава, массивности и сложности отливок, а также толщины ее стенки, материала кокиля и толщины теплоизоляционного покрытия. Например, для тонкостенных отливок принимают верхний предел нагрева кокиля, а для толстостенных - нижний. Во всех случаях оптимальный температурный режим подогрева кокиля в определенном темпе работы устанавливают на основе опыта.

Необходимо отметить, что предварительный нагрев кокиля свыше 820 К может вызвать в отливках усадочные раковины, поры и повышенную ликвацию, особенно в толстостенных и массивных отливках. Раковины в железоуглеродистых сплавах могут образовываться и в результате разложения гидроксида железа. По данным А.М. Петриченко, этот дефект чаще всего возникает при литье в кокиль, у которого на рабочей поверхности имеются сетки и трещины разгара. Образование раковин при литье в кокиль, нагретый примерно до 1040К, объясняется также выгоранием углерода в чугуне кокиля.

Следует отметить, что в подогретом кокиле величина термических напряжений, обусловленная заливкой в него расплава, всегда меньше, чем в холодном, а поэтому его стойкость всегда выше. При этом, чем лучше теплоизоляционные свойства и соответственно больше толщина слоя покрытия, тем выше стойкость кокиля.

Способы подогрева. Подогрев кокиля - ответственная технологическая операция, которая может выполняться различными способами. При этом всегда необходимо выбирать тот способ, который позволяет выполнять эту операцию в минимально короткий срок и с наименьшими затратами.

Ниже приведены основные способы подогрева кокиля перед его заливкой:

1. Теплотой остывающих отливок производят подогрев малых по массе ручных кокилей для удаления из них сконденсированной влаги и высушивания краски покрытия. С этой целью в полость кокиля помещают только что выбитые из других форм отливки или нагретые любым способом металлические предметы. Недостатком способа является неравномерный подогрев стенок кокиля, возможные повреждения его поверхности и покрытия.

2. Теплотой сливаемого расплава подогревают мелкие и средние по размеру кокили. Для этих целей используют остатки расплава от заливки других форм. В условиях массового производства часто производят две-три промывочные заливки. При этом после получения первой отливки без недоливов и неспаев кокиль используют в заданном режиме его работы. Необходимую температуру кокиля поддерживают подобранным темпом повторных заливок, увеличением или сокращением продолжительности охлаждения отливки в кокиль, а также уменьшением или увеличением продолжительности остывания его на воздухе или в условиях регулируемого искусственного охлаждения.

3. Задержкой выбивки отливок подогревают кокиль до заданной температуры после перерыва в работе, а также при необходимости создания более высокого подогрева. Последнее часто практикуют, например, при литье тонкостенных стальных отливок, а также отбела в чугунных отливках.

4. Для подогрева кокилей используют газовые горелки и несложные переносные и стационарные нагревательные устройства. Газовые горелки позволяют нагревать кокиль равномерно или избирательно с регулируемым перепадом температуры по рабочим частям. Недостатками способа являются загрязнение окружающей среды продуктами горения, а также возможный местный перегрев рабочих частей кокиля пламенем ацетиленокислородных горелок, часто приводящий к его деформации и даже разрушению.

5. Электрический подогрев используют для кокилей, эксплуатируемых в составе кокильных машин, линий и роботизированных комплексов. Способ позволяет осуществить дифференцированный нагрев различных частей кокиля перед началом его эксплуатации. Нагреватели (ТЭНы) в этом случае помещают в полость кокиля или, что реже, встраивают его в стенки.

6. Специальные устройства для подогрева, которые обычно не универсальны, могут представлять собой систему газовых и электрических нагревателей или специальных подогревательных камер и термостатов.

7. Экзотермические покрытия для подогрева используют редко. Сущность способа заключается в том, что рабочую поверхность кокиля покрывают экзотермической краской или облицовкой и заливают в него расплав без предварительного подогрева. При этом резко уменьшается или прекращается на определенное время отвод теплоты от расплава, а выделяемая теплота от экзотермической реакции, а после прекращения и от охлаждающегося расплава и отливки, идет на подогрев кокиля.



3. Виды и факторы разрушения кокиля, ремонт, изготовление

Виды разрушений. Принято различать следующие виды разрушений: сквозные трещины (трещины первого рода), ориентированные трещины (трещины второго рода), сетка разгара (трещины третьего рода), размыв рабочей поверхности и приваривание к ней сплава, коробление и механические повреждения.

Трещины первого рода появляются при первых заливках со стороны наружной поверхности стенки кокиля под действием растягивающих термических напряжений. Такие трещины обычно возникают в кокиле, изготовленном из хрупкого сплава, то есть из серого чугуна различных марок, а также при наличии на наружных поверхностях кокиля концентраторов напряжений (раковин, острых углов).

Трещины второго рода, образующиеся на рабочей поверхности кокиля, по мере увеличения числа теплосмен расширяются и удлиняются в направлении наружной поверхности кокиля. В первую очередь они появляются на участках, где имеются концентраторы напряжений, а также на поверхностях каналов литниковой системы, которые соприкасаются с расплавом, имеющим максимальную температуру.

Трещины третьего рода расположены на рабочей поверхности кокиля и представляют собой густую сеть мелких по глубине трещин. Они ухудшают извлечение отливки из кокиля и часто являются причиной образования газовых поверхностных раковин и пор.

Размыв рабочей поверхности кокиля и приваривание к ней сплава связаны с высокотемпературным эрозионным воздействием струи расплава. Такое воздействие возрастает по мере повышения температуры расплава при отсутствии или недостаточной толщине теплоизоляционного покрытия.

Коробления кокиля увеличивается по мере его эксплуатации и связано с необратимыми пластическими деформациями. Причиной коробления прежде всего являются неравномерный по толщине нагрев стенок кокиля и обусловленные этим остаточные напряжения. Следует отметить, что кокили из чугуна с увеличением числа теплосмен увеличиваются в размерах («растут»).

По мере коробления кокиля уменьшается размерная точность получаемых отливок, увеличиваются заливы по разъему, а также повышается трудоемкость их обрубки.

Механические повреждения кокиля появляются в результате нарушений технологии его эксплуатации и, особенно при затрудненной выбивке отливок. Механические повреждения являются источником и концентраторами напряжений, на месте которых могут появиться различные трещины.

Виды разрушений

Механические повреждения		Коробление		Сетка разгара и трещины на рабочих поверхностях кокиля

Формы и размеры кокиля

Теплозащитные покрытия и их свойства		Материал кокиля и его свойства		Напряженное состояние кокиля

Температура заливки расплава в кокиль		Температура контакта расплава с кокилем		Температурное поле кокиля

Продолжительность заливки расплава в кокиль		Материал отливки и его свойства		Продолжительность выдержки отливки в кокиле

Форма и размеры отливки

Диаграмма преобладающих факторов разрушения кокиля и их взаимные связи

4. Изготовление кокильного литья из серого чугуна

4.1 Входной контроль исходных материалов для приготовления кокильных покрытий

1. Для защиты кокилей от теплового воздействия жидкого металла и увеличения срока их службы, а также для улучшения качества поверхности получаемых отливок, применяются кокильные краски (покрытия) на основе материалов с низкой теплопроводимостью.

2. Входному контролю подлежат ниже перечисленные материалы для приготовления кокильных красок:

мармаллит (пылевидный кварц);

бентонит (глины формовочные бентонитовые);

стекло жидкое;

графит черный.

3. Исходные материалы поступают на завод в готовом виде, хранить исходные материалы необходимо в закрытых емкостях, исключающих возможность контакта с водой и другими жидкостями.

4.2 Приготовление и нанесение на рабочие поверхности кокилей специальных покрытий. Подготовка кокиля к заливке

1. При производстве кокильного литья из чугуна применяют теплоизоляционное покрытие кокилей и противопригарную краску.

2. Теплоизоляционное покрытие целесообразно наносить в качестве облицовочного слоя на рабочие поверхности кокилей один - два раза в смену.

3. Противопригарная краска наносится на рабочую поверхность кокилей перед каждой заливкой металла.

4. Теплоизоляционное покрытие и противопригарная краска наносится на рабочую поверхность кокилей инжекционным воздушным распылителем (пульверизатором).

5. Приготовление теплоизоляционного покрытия и противопригарной краски, нанесение их на рабочие поверхности кокиля:

5.1 Состав теплоизоляционного покрытия:

- пылевидный кварц - 50% (42 кг.);

- бентонит - 25% (21кг.);

- жидкое стекло (модуль) - 25% (21кг.);

- вода (сверх 100%) - до плотности 1,10-1,15 г/смі.

5.2 Залить в смеситель 40-50 литров воды и 21 кг. жидкого стекла, интенсивно перемешать раствор в течение 2-3 минут.

5.3 Продолжая интенсивное перемешивание раствора, ввести в него небольшими порциями предварительно взвешенное количество пылевидного кварца. Раствор интенсивно перемешать в течение не менее 5 минут.

5.4 Залить в смеситель 20-30 литров воды, интенсивно перемешивая раствор ввести в него небольшими порциями расчетное количество бентонита. Раствор перемешивать не менее 5 минут, после чего произвести отбор полученной краски для контроля плотности. Отбор краски из смесителя производить открытием вентиля в нижней части смесителя.

5.5 При необходимости довести плотность теплоизоляционного покрытия до требуемых параметров (1,10-1,15 г/смі).

5.6 Теплоизоляционное покрытие должно быть однородным, не содержать сгустков и комков, плотность краски (покрытия) определять с помощью денсиметра.

6. Приготовление противопригарной краски:

6.1 Состав противопригарной краски приведен ниже в таблице 4:

6.2 Залить в смеситель для противопригарной краски 60-80 литров воды и 17 килограмм жидкого стекла, интенсивно перемешать раствор в течение 2-3 минут.



Таблица 4

Графит черный	-70%	- 120 кг.
Пылевидный кварц	- 10%	- 17 кг.
Стекло жидкое	- 10%	- 17 кг.
Бентонит	- 10%	- 17 кг.
Вода (всверх100%) до плотности 1,25-1,28 г/смі.

6.3 Продолжая интенсивное перемешивание раствора, ввести в него небольшими порциями предварительно взвешенное количество пылевидного кварца и бетонита. Перемешать полученный раствор в течение не менее 5 минут.

6.4 Залить в смеситель дополнительно 30-40 литров воды, интенсивно перемешивая раствор загрузить в него мелкими порциями расчетное количество графита черного. После окончания загрузки графита перемешать раствор в течение не менее 15 минут, после чего произвести отбор полученной краски для контроля ее плотности. Отбор краски из смесителя производить открытием вентиля в нижней части смесителя.

6.5 При помощи денсиметра произвести контроль плотности краски, при необходимости довести ее водой до требуемых параметров (1,25-1,28 г/смі.).

6.6 Краска должна быть однородной, не содержать сгустков и комков, плотность краски должна соответствовать требуемым параметрам.

7. Краску (покрытие) хранить в закрытой металлической емкости. Время хранения краски практически не ограничено.

8. Перед использованием краску (покрытие) следует интенсивно перемешать в течение не менее 15 минут и замерить плотность.