Изготовление кокильного литья

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:

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.

Табл.1 Свойства применяемых литейных сплавов

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

Технология получения сплавов

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.

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.

литейный кокиль чугун отливка

Классификация кокилей, литниковая система

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. 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.

Рис. 1.

Технические требования к конструкции и материалу кокилей

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

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.

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

Табл.2

Табл.3

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.

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 неуниверсальны, 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.

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.

Диаграмма преобладающих факторов разрушения кокиля и их взаимные связи

Изготовление кокильного литья из серого чугуна

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.

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:

Табл.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.

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.

9.Нанесаение теплоизоляционного покрытия и противопригарной краски на рабочие поверхности кокилей.

9.1.Рабочие поверхности верхней и нижней половины кокиля очистить металлической щеткой от ржавчины, мусора, остатков предыдущих покрытий. При помощи воздушного инжектора удалить с рабочей поверхности кокилей пылевидные остатки материалов.

9.2.Внимательно осмотреть состояние рабочих поверхностей кокилей. Рабочие поверхности не должны иметь трещин, разгара, поднутрений, заливов металла, наслоений предыдущих слоев краски.

9.3.В течение 1,5-2 часов произвести равномерный газовый нагрев кокилей.

9.4.Температуру нагрева кокиля контролировать контактной термопарой ТХА, закаченной в кокиль. При достижении температуры кокиля 110-150єС отключить газ и приступить к нанесению красок на рабочие поверхности кокиля (максимально допустимая температура кокиля перед нанесением краски 180-200єС.

9.5.Вначале на разогретый кокиль наносится теплоизоляционное (белое) покрытие. Покрытие наносится на поверхность кокиля вручную инжекционным распылителем, угол наклона оси факела распыла к рабочей поверхности кокиля ~45є. Оптимальное расстояние от головки распылителя до окрашиваемой рабочей поверхности кокиля 180-200мм.

9.6.Толщина слоя покрытия не должна вызвать искажение размеров отливок, слой краски должен быть равномерным, без наплывов и подтеков (ориентировочная толщина слоя - 0,2-0,5 мм.).

9.7.В течение рабочей смены теплоизоляционное покрытие наносится на рабочую поверхность кокилей дважды: в начале смены и в середине.

9.8.При помощи воздушного инжектора нанести на теплоизоляционное покрытие кокиля противопригарную (черную) краску. При этом необходимо соблюдать требования, аналогичные при нанесении теплоизоляционного покрытия - угол наклона оси факела распыла к рабочей поверхности кокиля ~45єС, расстояние от головки распылителя до окрашиваемой рабочей поверхности кокиля 180-200мм. Слой краски должен быть равномерным, без наплывов и подтеков, ориентировочная толщина слоя - 0,2-0,5 мм.

9.9.При помощи мостового крана и бесконечных цепных чалок грузоподъемностью 2,0-1,5 тонн произвести сборку кокиля.

9.10.На предварительно разогретую до 110-150єС литейную чашу нанести распылителем теплоизоляционное покрытие и противопригарную краску. Установить литейную чашу в собранный кокиль.

Заливка кокилей.

1.Требуемый химический состав чугуна и его ковшовая обработка (модифицирование) регламентированы данными таблицы 5: