Литье в кокиль

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Волжская академия водного транспорта»

Самарский филиал (Управление ВПО)

Кафедра: Естественных и технических дисциплин

Реферат

По дисциплине «Материаловедение»

Тема: Литье в кокиль

Выполнил: студент 2 курса

заочного обучения

Специальность 180405.65

СМ-13-2053 Уралбаева У.Б.

Проверил: Старший преподаватель Новосельцев М.Н.

Самара 2015



Содержание

1. Сущность процесса, основные операции, область использования

2. Кокиль

2.1 Общие сведения

2.2 Материалы для кокилей

2.3 Изготовление кокилей

2.4 Стойкость кокилей и пути ее повышения

3. Технология литья в кокиль

3.1 Технологические режимы литья

3.2 Особенности изготовления отливок из различных сплавов

3.3 Отливки из алюминиевых сплавов

3.4 Отливки из магниевых сплавов

3.5 Отливки из медных сплавов

3.6 Финишные операции и контроль отливок из цветных сплавов

3.7 Дефекты отливок из цветных сплавов и меры их предупреждения

Список литературы



1. Сущность процесса, основные операции, область использования

кокиль отливка сплав финишный

Сущность процесса, основные операции, область использования Кокиль (от франц. coquille) -- металлическая форма, которая заполняется расплавом под действием гравитационных сил. В отличие от разовой песчаной формы кокиль может быть использован многократно. Таким образом, сущность литья в кок или состоит в применении металлических материалов для изготовления многократно используемых литейных форм, металлические части которых составляют их основу и формируют конфигурацию и свойства отливки.

Кокиль (рис. 1) обычно состоит из двух полу форм 1, плиты 2, вставок 10.

Полуформы взаимно центрируются штырями 8, и перед заливкой их соединяют замками 9. Размеры рабочей полости 13 кокиля больше размеров отливки на величину усадки сплава. Полости и отверстия в отливке могут быть выполнены металлическими 11 или песчаными 6 стержнями, извлекаемыми из отливки после ее затвердевания и охлаждения до заданной температуры. Расплав заливают в кокиль через литниковую систему 7, выполненную в его стенках, а питание массивных узлов отливки осуществляется из прибылей (питающих выпоров) 3. При заполнении кокиля расплавом воздух и газы удаляются из его рабочей полости через вентиляционные выпоры 4, пробки 5, каналы 12, образующие вентиляционную систему кокиля.

Основные элементы кокиля -- полу формы, плиты, вставки, стержни т. д.-- обычно изготовляют из чугуна или стали. Выше рассмотрен кокиль простой конструкции, но в практике используют кокиле различных, весьма сложных конструкций.



Рис.1 (Кокиль)Основные операции технологического процесса.

Перед заливкой расплава новый кокиль подготовляют к работе: поверхность рабочей полости и разъем тщательно очищают от следов загрязнений, ржавчины, масла; проверяют легкость перемещения подвижных частей, точность их центрирования, надежность крепления. Затем на поверхность рабочей полости и металлических стержней наносят слой огнеупорного покрытия (рис. 2а) -- облицовки и краски.

Состав облицовок и красок зависит в основном от заливаемого сплава, а их толщина -- от требуемой скорости охлаждения отливки: чем толще слой огнеупорного покрытия, тем медленнее охлаждается отливка. Вместе с тем слой огнеупорного покрытия предохраняет рабочую поверхность формы от резкого повышения ее температуры при заливке, расплавления и схватывания с металлом отливки. Таким образом, облицовки и краски выполняют две функции: защищают поверхность кокиля от резкого нагрева и схватывания с отливкой и позволяют регулировать скорость охлаждения отливки, а значит, и процессы ее затвердевания, влияющие на свойства металла отливки. Перед нанесением огнеупорного покрытия кокиль нагревают газовыми горелками или электрическими нагревателями до температуры 423--453 К. Краски наносят на кокиль обычно в виде водной суспензии через пульверизатор. Капли водной суспензии, попадая на поверхность нагретого кокиля, испаряются, а огнеупорная составляющая ровным слоем покрывает поверхность. После нанесения огнеупорного покрытия кокиль нагревают до рабочей температуры, зависящей в основном от состава заливаемого сплава, толщины стенки отливки, ее размеров, требуемых свойств. Обычно температура нагрева кокиля перед заливкой 473--623 К. Затем в кокиль устанавливают песчаные или керамические стержни (рис. 2 б), если таковые необходимы для получения отливки; половины кокиля соединяют (рис. 2 в) и скрепляют специальными зажимами, а при установке кокиля на кокильной машине с помощью ее механизма запирания, после чего заливают расплав в кокиль. Часто в процессе затвердевания и охлаждения отливки, после того как отливка приобретет достаточную прочность, металлические стержни «подрывают», т. е. частично извлекают из отливки (рис. 2 г) до ее извлечения из кокиля. Это делают для того, чтобы уменьшить обжатие усаживающейся отливкой металлического стержня и обеспечить его извлечение из отливки. После охлаждения отливки до заданной температуры кокиль раскрывают, окончательно извлекают металлический стержень и удаляют отливку из кокиля (рис. 2 д). Из отливки выбивают песчаный стержень, обрезают литники, прибыли, выпоры, контролируют качество отливки. Затем цикл повторяется. Перед повторением цикла осматривают рабочую поверхность кокиля, плоскость разъема. Обычно огнеупорную краску наносят на рабочую поверхность кокиля 1--2 раза в смену, изредка восстанавливая ее в местах, где она отслоилась от рабочей поверхности. После этого при необходимости, что чаще бывает при литье тонкостенных отливок или сплавов с низкой жидко текучестью, кокиль подогревают до рабочей температуры, так как за время извлечения отливки и окраски рабочей поверхности он охлаждается. Если же отливка достаточно массивная, то, наоборот, кокиль может нагреваться ее теплотой до температуры большей, чем требуемая рабочая, и перед следующей заливкой его охлаждают. Для этого в кокиле предусматривают специальные системы охлаждения, как видно, процесс литья в кокиль -- мало операционные и. Манипуляторные операции достаточно просты и кратковременны, а лимитирующей по продолжительности операцией является охлаждение отливки в форме до заданной температуры. Практически все операции могут быть выполнены механизмами машины или автоматической установки, что является существенным преимуществом способа, и конечно, самое главное -- исключается трудоемкий и материалоемкий процесс изготовления формы: Кокиль используется многократно.

Рис.2 Последовательность изготовления отливки в кокиле

Особенности формирования и качество отливок. Кокиль --металлическая форма, обладающая по сравнению с песчаной значительно большей теплопроводностью, теплоемкостью, прочностью, практически нулевыми газопроницаемостью и газотворностью. Эти свойства материала кокиля обусловливают рассмотренные ниже особенности его взаимодействия с металлом отливки.

1. Высокая эффективность теплового взаимодействия между отливкой и формой: расплав и затвердевающая отливка охлаждаются в кокиле быстрее, чем в песчаной форме, т. е. при одинаковых гидростатическом напоре и температуре заливаемого расплава заполняемость кокиля обычно хуже, чем песчаной формы. Это осложняет получение в кокилях отливок из сплавов с пониженной жидко текучестью и ограничивает минимальную толщину стенок и размеры отливок. Вместе с тем повышенная скорость охлаждения способствует получению плотных отливок с мелкозернистой структурой, что повышает прочность и пластичность металла отливок. Однако в отливках из чугуна, получаемых в кокилях, вследствие особенностей кристаллизации часто образуются карбиды, феррит графитная эвтектика, отрицательно влияющие на свойства чугуна: снижается ударная вязкость, износостойкость, резко возрастает твердость в отбеленном поверхностном слое, что затрудняет обработку резанием таких отливок и приводит к необходимости подвергать их термической обработке (отжигу) для устранения отбела.

2. Кокиль практически неподатлив и более интенсивно препятствует усадке отливки, что затрудняет извлечение ее из формы, может вызвать появление внутренних напряжений, коробление и трещины в отливке. Однако размеры рабочей полости кокиля могут быть выполнены значительно точнее, чем песчаной формы. При литье в кокиль отсутствуют погрешности, вызываемые расталкиванием модели, упругими и остаточными деформациями песчаной формы, снижающими точность ее рабочей полости и соответственно отливки. Поэтому отливки в кокилях получаются более точными. Точность отливок в кокилях обычно соответствует 12--15-ам квалитетам по СТ СЭВ 145--75. При этом точность по 12-му квалитету возможна для размеров, расположенных в одной части формы. Точность размеров, расположенных в двух и более частях формы, а также оформляемых подвижными частями формы, ниже. Коэффициент точности отливок по массе достигает 0,71, что обеспечивает возможность уменьшения припусков на обработку резанием.

3. Физико-химическое взаимодействие металла отливки и кокиля минимально, что способствует повышению качества поверхности отливки. Отливки в кокиль не имеют пригара. Шероховатость поверхности отливок определяется составами облицовок и красок, наносимых на поверхность рабочей полости формы, и соответствует R z = 80-10 мкм, но может быть и меньше.

4. Кокиль практически газонепроницаем, но и газотворность его минимальна и определяется в основном составами огнеупорных покрытий, наносимых на поверхность рабочей полости. Однако газовые раковины в кокильных отливках -- явление не редкое. Причины их появления различны, но в любом случае расположение отливки в форме, способ подвода расплава и вентиляционная система должны обеспечивать удаление воздуха и газов из кокиля при заливке.

Эффективность производства и область применения. Эффективность производства отливок в кокиль, как, впрочем, и других способов литья, зависит от того, насколько полно и правильно инженер-литейщик использует преимущества этого процесса, учитывает его особенности и недостатки в условиях конкретного производства.

Ниже приведены преимущества литья в кокиль на основе производственного опыта.

1. Повышение производительности труда в результате исключения трудоемких операций смесеприготовления, формовки, очистки отливок от пригара. Поэтому использование литья в кокиле, по данным различных предприятий, позволяет в 2--3 раза повысить производительность труда в литейном цехе, снизить капитальные затраты при строительстве новых цехов и реконструкции существующих за счет сокращения требуемых производственных площадей, расходов на оборудование, очистные сооружения, увеличить съем отливок с 1 м площади цеха.

2. Повышение качества отливки, обусловленное использованием металлической формы, повышение стабильности показателей качества: механических свойств, структуры, плотности, шероховатости, точности размеров отливок.

3. Устранение или уменьшение объема- вредных для здоровья работающих операций выбивки форм, очистки отливок от пригара, их обрубки, общее оздоровление и улучшение условий труда, меньшее загрязнение окружающей среды.

4. Механизация и автоматизация процесса изготовления отливки, обусловленная многократностью использования кокиля. При литье в кокиль устраняется сложный для автоматизации процесс изготовления литейной формы. Остаются лишь сборочные операции: установка стержней, соединение частей кокиля и их крепление перед заливкой, которые легко автоматизируются. Вместе с тем устраняется ряд возмущающих факторов, влияющих па качество отливок при литье в песчаные формы, таких как влажность, прочность, газопроницаемость формовочной смеси, что делает процесс литья в кокиль более управляемым. Для получения отливок заданного качества легче осуществить автоматическое регулирование технологических параметров процесса. Автоматизация процесса позволяет улучшить качество отливок, повысить эффективность производства, изменить характер труда литейщика-оператора, управляющего работой таких комплексов.

Литье в кокиле имеет и недостатки.

1. Высокая стоимость кокиля, сложность и трудоемкость его изготовления.

2. Ограниченная стойкость кокиля, измеряемая числом годных отливок, которые можно получить в данном кокиле (см. Рис. 2.1). От стойкости кокиля зависит экономическая эффективность процесса особенно при литье чугуна и стали, и поэтому повышение стойкости кокиля является одной из важнейших проблем технологии кокильного литья этих сплавов.

3. ложность получения отливок с под ну трениями, для выполнения которых необходимо усложнять конструкцию формы -- делать дополнительные разъемы, использовать вставки, разъемные металлические или песчаные стержни.

4. Отрицательное влияние высокой интенсивности охлаждения расплава в кокиле по сравнению с песчаной формой. Это ограничивает возможность получения тонкостенных протяженных отливок, а в чугунных отливках приводит к отбелу поверхностного слоя, ухудшающему обработку резанием; вызывает необходимость термической обработки отливок.

5. Неподатливый кокиль приводит к появлению в отливках напряжений, а иногда к трещинам. Преимущества и недостатки этого способа определяют рациональную область его использования: экономически целесообразно вследствие высокой стоимости кокилей применять этот способ литья только в серийном или массовом производстве. Серийность при литье чугуна должна составлять более 20 крупных, или более 400 мелких отливок в год, а при литье алюминиевых -- не менее 400--700 отливок в год.

Эффективность литья в кокиль обычно определяют в сравнении с литьем в песчаные формы. Экономический эффект достигается благодаря устранению формовочной смеси, повышению качества отливок, их точности, уменьшению припусков на обработку, снижению трудоемкости очистки и обрубки отливок, механизации и автоматизации основных операций и, как следствие, повышению производительности и улучшению условий труда.

Таким образом, литье в кокиль с полным основанием следует отнести к трудно и Материала сберегающим, мало операционным и малоотходным технологическим процессам, улучшающим условия труда в литейных цехах и уменьшающим вредное воздействие на окружающую среду.



2. Кокиль

2.1 Общие сведения

В производстве используют кокиле различных конструкций.

Классификация конструкций кокилей. В зависимости от расположения поверхности разъема кокиле бывают: неразъемные (вытряхные); с вертикальной плоскостью разъема; с горизонтальной плоскостью разъема; со сложной (комбинированной) поверхностью разъема. Неразъемные, или вытряхные, кокиле (рис. 2.1) применяют в тех случаях, когда конструкция отливки позволяет удалить ее вместе с литниками из полости кокиля без его разъема. Обычно эти отливки имеют достаточно простую конфигурацию. Кокиле с вертикальной плоскостью разъема (см. рис.1) состоят из двух или более полу форм. Отливка может располагаться целиком в одной из половин кокиля, в двух половинах кокиля, одновременно в двух половинах кокиля и в нижней плите.

Рис.2.1(Кокиль Вытряхной) 1-стержень 2-кокиль



Рис.2.2 Кокиль с горизонтальным разъемом

Кокиле с горизонтальным разъемом (рис. 2.2) применяют преимущественно для простых по конфигурации, а также крупногабаритных отливок, а в отдельных случаях для отливок достаточно сложной конфигурации. Кокиле со сложной (комбинированной) поверхностью разъема (рис. 2.3) используют для изготовления отливок сложной конфигурации. По числу рабочих полостей (гнезд), определяющих возможность одновременного, с одной заливки, изготовления того или иного количества отливок, кокиле разделяют на одноместные (см. рис.1) и многоместные (см. рис. 2.2).

В зависимости от способа охлаждения различают кокиле с воздушным (естественным и принудительным), с жидкостным (водяным, масляным) и с комбинированным (водо-воздушным и т. д.) охлаждением. Воздушное охлаждение используют для мало теплонагруженных кокилей. Водяное охлаждение используют обычно для высоко теплонагруженных кокилей, а также для повышения скорости охлаждения отливки или ее отдельных частей. На рис. 2.4 представлен кокиль с воздушным охлаждением. Ребра на стенках кокиля увеличивают поверхность соприкосновения охладителя -- воздуха -- с кокилем и соответственно теплоотвод. На рис. 2.5 представлен вод охлаждаемый кокиль для отливки барабана шахтной лебедки из высокопрочного чугуна. Вода подается раздельно в обе половины кокиля, нижнюю плиту и верхнюю крышку.



Рис. 2.3 Кокиль со сложным разъемом

Рис. 2.4 Кокиль с воздушным охлаждением

Рис.2.5 Водоохлаждаемый кокиль а) и отливка б) 1-верхняя плита, 2-стержень, 3-питатель, 4-поддон, 5-труба охлаждения, 6-кожух, 7-половина кокиля

Формообразующие элементы -- половины кокилей, нижние плиты (поддоны), вставки, стержни; конструктивные элементы -- выталкиватели, плиты выталкивателей, запирающие механизмы, системы нагрева и охлаждения кокиля и отдельных его частей, вентиляционную систему, центрирующие штыри и втулки. Корпус кокиля или его половины выполняют коробчатыми, с ребрами жесткости. Ребра жесткости на тыльной, нерабочей стороне кокиля делают невысокими, толщиной 0,7--0,8 толщины стенки кокиля, сопрягая их галтелями с корпусом. Толщина стенки кокиля зависит от состава заливаемого сплава и его температуры, размеров и толщины стенки отливки, материала, из которого изготовляется кокиль, конструкции кокиля. Толщина стенки кокиля должна быть достаточной, чтобы обеспечить заданный режим охлаждения отливки, достаточную жесткость кокиля и минимальное его коробление при нагреве теплотой залитого расплава, стойкость против растрескивания. Размеры половин кокиля должны позволять размещать его на плитах кокильной машины. Для крепления на плитах машины кокиль имеет приливы. Стержни в кокилях могут быть песчаными и металлическими. Песчаные стержни для кокильных отливок должны обладать пониженной газотворностью и повышенной поверхностной прочностью. Первое требование обусловлено трудностями удаления газов из кокиля; второе -- взаимодействием знаковых частей стержней с кокилем, в результате чего отдельные песчинки могут попасть в полость кокиля и образовать засоры в отливке. Стержневые смеси и технологические процессы изготовления песчаных стержней могут быть различными -- по горячим ящикам (сплошные и оболочковые стержни), из холодно твердеющих смесей и т. д. В любом случае использование песчаных стержней в кокилях вызывает необходимость организации дополнительной технологической линии для изготовления стержней в кокильном цехе. Однако в конечном счете использование кокилей в комбинации с песчаными стержнями в большинстве случаев оправдывает себя экономически. Металлические стержни применяют, когда это позволяют конструкция отливки и технологические свойства сплава. Использование металлических стержней дает возможность повысить скорость затвердевания отливки, сократить продолжительность цикла ее изготовления, в отдельных случаях повысить механические свойства и плотность (герметичность). Однако при использовании металлических стержней возрастают напряжения в отливках, увеличивается опасность появления в них трещин из-за затруднения усадки. Металлические стержни, выполняющие наружные поверхности отливки, называют вкладышами (рис. 2.6, а). Вкладыши затрудняют механизацию и автоматизацию процесса, так как их устанавливают и удаляют вручную. Металлические стержни, выполняющие отверстии и полости простых очертаний (рис. 2.6, б, см. рис.1) до момента полного извлечения отливки «подрывают» для уменьшения усилия извлечения стержня. Полости более сложных очертаний выполняются разъемными (рис. 2.6, в) или поворотными (рис. 2.6, г) металлическими стержнями. Для надежного извлечения стержней из отливки они должны иметь уклоны 1--5°, хорошие направляющие во избежание перекосов, а также надежную фиксацию в форме. Во многих случаях металлические стержни делают вод охлаждаемыми изнутри. Водяное охлаждение стержня обычно включают после образования в отливке прочной корочки. При охлаждении размеры стержня сокращаются так, что между ним и отливкой образуется зазор, который уменьшает усилие извлечения стержня из отливки. Для извлечения стержней в кокилях предусматривают винтовые, эксцентриковые, реечные, гидравлические и пневматические механизмы. Конструкции этих устройств выполняют в соответствии с действующими ГОСТами.



Рис.2.6. Металлические стержни 1-вкладыш, 2- выступы на слитке, 3-стержень, 4-плита, 5-7- части стержня, 8,11- полу формы, 9- поворотный стержень, 10- отливка

Рис.2.7.Вентиляционная система кокиля

Вентиляционная система должна обеспечивать направленное вытеснение воздуха из кокиля расплавом. Для выхода воздуха используют открытые выпоры, прибыли, зазоры по плоскости разъема и между подвижными частями (вставками, стержнями) кокиля и специальные вентиляционные каналы: по плоскости разъема делают газоотводные каналы (см. Б -- Б на рис. 2.7), направленные по возможности вверх. В местных углублениях формы при заполнении их расплавом могут образовываться воздушные мешки (см. А -- А). В этих местах в стенке кокиля устанавливают вентиляционные пробки 2. При выборе места установки вентиляционных пробок необходимо учитывать последовательность заполнения формы расплавом. Центрирующие элементы -- контрольные штыри и втулки--предназначены для точной фиксации половин кокиля при его сборке. Обычно их количество не превышает двух. Их располагают в диагонально расположенных углах кокиля. Запирающие механизмы предназначены для предотвращения раскрытия кокиля и исключения прорыва расплава по его разъему при заполнении, а также для обеспечения точности отливок. В ручных кокилях применяют эксцентриковые, клиновые, винтовые замки и другие устройства, обеспечивающие плотное соединение частей кокиля. Закрытие и запирание кокилей, устанавливаемых на машинах, осуществляется пневматическим или гидравлическим приводом подвижной плиты машины. Системы нагрева и охлаждения предназначены для поддержания заданного температурного режима кокиля. Применяют электрический и газовый обогрев. Первый используется для общего нагрева кокиля, второй более удобен для общего и местного нагрева. Конструкции охлаждаемых кокилей рассмотрены выше. Удаление отливки из кокиля осуществляется специальными механизмами. При раскрытии кокиля отливка должна оставаться в одной из его половин, желательно в подвижной, чтобы использовать ее движение для выталкивания отливки. Поэтому выполняют на одной стороне отливки меньшие, а на другой большие уклоны, специальные технологические приливы и предусматривают несимметричное расположение литниковой системы в кокиле (целиком в одной половине кокиля). При изготовлении крупных отливок должно быть обеспечено удаление отливки из обеих половин кокиля. Отливки из кокиля удаляются выталкивателями, которые располагают на неответственных поверхностях отливки или литниках равномерно по периметру отливки, чтобы не было перекоса и заклинивания ее в кокиле. Выталкиватели возвращаются в исходное положение пружинами (небольшие кокиле) или контр толкателями.



2.2 Материалы для кокилей

В процессе эксплуатации в кокиле возникают значительные термические напряжения вследствие чередующихся резких нагревов при заливке и затвердевании отливки и охлаждений при раскрытии кокиля и извлечении отливки, нанесении на рабочую поверхность огнеупорного покрытия. Кроме знакопеременных термических напряжений под действием переменных температур в материале кокиля могут протекать сложные структурные изменения, химические процессы. Поэтому материалы для кокиля, особенно для его частей, непосредственно соприкасающихся с расплавом, должны хорошо противостоять термической усталости, иметь высокие механические свойства и минимальные структурные превращения при температурах эксплуатации, обладать повышенной рост устойчивостью и окалин стойкостью, иметь минимальную диффузию отдельных элементов при циклическом воздействии температур, хорошо обрабатываться, быть недефицитными и недорогими. Производственный опыт показывает, что для рабочих стенок кокилей достаточно полно указанным требованиям отвечают приведенные ниже материалы.

СЧ20, СЧ25	кокиле для мелких и средних отливок из алюминиевых, магниевых, медных сплавов, чугуна; кокиле с воздушным и водовоз душным охлаждением
ВЧ42-12, ВЧ45-5	Кокиле для мелких, средних и крупных отливок из чугунов: серого, высокопрочного, ковкого; кокиле с воздушным и водовоз душным охлаждением
Стали 10, 20, СтЗ, стали 15Л-П, 15ХМЛ	Кокиле для мелких, средних, крупных и особо крупных отливок из чугуна, стали, алюминиевых, магниевых, медных сплавов
Медь и ее сплавы, легированные стали и сплавы с особыми свойствами	Вставки для интенсивного охлаждения отдельных частей отливок; тонкостенные вод охлаждаемые кокиле; массивные металлические стержни для отливок из различных сплавов
АЛ9, АЛ11	Вод охлаждаемые кокиле с анодированной поверхностью для мелких отливок из алюминиевых, медных сплавов, чугуна



Наиболее широко для изготовления кокилей применяют серый и высокопрочный чугуны марок СЧ20, СЧ25, ВЧ42-12, так как эти материалы в достаточной мере удовлетворяют основным требованиям и сравнительно дешевы. Эти чугуны должны иметь ферритно-перлитную структуру. Графит в серых чугунах должен иметь форму мелких изолированных включений. В этих чугунах не допускается присутствие свободного цементита, так как при нагревах кокиля происходит распад цементита с изменением объема материала, в результате в кокиле возникают внутренние напряжения, способствующие короблению, образованию сетки разгара, снижению его стойкости. В состав таких чугунов для повышения их стойкости вводят до 1% никеля, меди, хрома, а содержание вредных примесей серы и фосфора должно быть минимальным. Например, для изготовления кокилей с высокой теплонагруженностью рекомендуется [14] серый чугун следующего химического состава, мае. %: 3,0--3,2 С; 1,3--1,5 Si; 0,6--0,8 Mn; 0,7--0,9 Cu; 0,3--0,7 Ni; 0,08--0,1 Ti; до 0,12 S; до 0,1 Р. Для изготовления кокилей используют низкоуглеродистые стали 10, 20, а также стали, легированные хромом и молибденом, например15ХМЛ. Эти материалы обладают высокой пластичностью, поэтому хорошо сопротивляются растрескиванию при эксплуатации. Кокиле для мелких отливок из чугуна и алюминиевых сплавов иногда изготовляют из алюминиевых сплавов АЛ9 и АЛ11. Такие кокиле анодируют, в результате чего на их рабочей поверхности образуется тугоплавкая (температура плавления около 2273 К) износостойкая пленка окислов алюминия толщиной до 0,4 мм. Высокая теплопроводность алюминиевых стенок кокиля способствует быстрому отводу теплоты от отливки.

Таблица 2.1 - Материалы для изготовления деталей кокилей

Детали кокиля	Условия работы	Материал
Стержни, штыри, обратные толкатели, тяги	Соприкасаются с жидким металлом, работают на	Сталь 45
Стержни, вставки, выталкиватели с резкими переходами в сечениях	истирание оформляют глубокие полости отливок и находятся под действием высоких температур	ЗОХГС, 35ХГСА, 35ХНМ, 4Х5МФС
Выталкиватели	Испытывают ударные нагрузки	У8А; У10А
Оси, валы, эксцентрики	Работают на истирание	Сталь 25*

* Подвергают цементации.

Эти кокиле обычно делают вод охлаждаемыми. Медь также часто используют для изготовления рабочих стенок вод охлаждаемых кокилей. Из меди делают отдельные вставки, вкладыши в местах, где необходимо ускорять теплоотвод от отливки и тем самым управлять процессом ее затвердевания. 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).

2.3 Изготовление кокилей

Кокиле 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 кокиле - 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 раз гарных трещин при эксплуатации. Однако решить эту задачу трудно, особенно если конфигурация рабочей полости сложная. Поэтому литые необработанные кокиле 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 Rz = 40ч10 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 вод охлаждаемых 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 кокиле 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. Старение и циклическую термическую обработку по указанным режимам используют также и для чугунных заготовок кокилей.

2.4 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. Например, 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.

Рис. 2.8 Кокиль с расчленением стенки: а) поперечным, б) продольным, в) вставка в кокиль, 1-вставки, 2- корпус

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. 2.8, б) или поперечном (рис. 2.8, 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. 2.8, 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.



Рис.2.9 Зависимость температуры кокиля от темпа работы

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 Тф кокиля зависит от темпа работы кокиля (рис. 2.9). При повышении темпа работы сокращается продолжительность tц цикла, в основном вследствие уменьшения времени t3an от выбивки отливки из кокиля до следующей заливки. Это приводит к тому, что в момент заливки кокиль имеет температуру несколько выше требуемой (рис. 2.9, а), с увеличением Ц кокиля уменьшается разность температур АГФ -- Тюл -- Тф и соответственно уменьшаются остаточные напряжения в кокилях из упругопластических материалов. Вместе с тем повышение Гф способствует интенсификации коррозии, структурных превращений и других процессов в материале кокиля, что снижает его стойкость.

Рис.2.10.Зависемость стойкости k кокиля от темпа работы m

При уменьшении темпа работы (рис. 2.10,6) продолжительность цикла возрастает также из-за увеличения времени t3an. Это приведет к тому, что перед очередной заливкой температура Т'ф будет ниже заданной, соответственно возрастет разность температур АГФ и увеличатся остаточные напряжения в кокиле, его стойкость понизится. Производственные данные показывают (рис. 2.10), что для данного конкретного кокиля существует оптимальный темп работы т, при котором стойкость его &зал наибольшая. На стойкость кокиля оказывает влияние температура заливаемого металла Гзал 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).



3. Технология литья в кокиль

3.1 Технологические режимы литья

Почти всегда, за исключением особых случаев, требуемое качество отливки достигается при условии, если литейная форма заполнена расплавом без не спаев, 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 процесс обеспечивает выполнение одного из общих принципов получения качественной отливки -- ее направленное затвердевание 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.

Рис. 3.1. Система распределения температур в системе отливка-кокиль 

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. 2.11). Для этого на поверхности полости кокиля наносят слой 3 огнеупорной облицовки и краски (табл. 2.3). Благодаря меньшей по сравнению с металлом кокиля теплопроводности лкр 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 л 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 3.1 - Составы огнеупорных покрытий (красок) кокилем

Назначение	Компоненты	Содержание, мас.%	Коэффициент теплопроводности, Вт/ (.ч -К)
Для отливок из алюминиевых 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 магниевых сплавок	3. Тальк	18	0,39
	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 калий 0,05 % (сверх 100 %)
Для отливок из стали	6. Огнеупорная составляющая (циркон, карбооунд, окись хрома)	30 --40	0,3
	Жидкое стекло	5 - 9
	Борная кислота	0,7--0,8
	Вода	Остальное до плотности 1,1-1,22 г/см3

* Составы применяют для покрытия поверхности литниковых каналов и выпоров. В соответствии с необходимой скоростью отвода теплоты от различных мест отливки толщину и теплопроводность лкр огнеупорного покрытия можно делать разными в различных частях кокиля, создавая условия для направленного затвердевания отливки, регулируя скорость ее охлаждения в отдельных местах.

Огнеупорное покрытие уменьшает скорость нагрева рабочей поверхности кокиля; благодаря термическому сопротивлению огнеупорного покрытия температура рабочей поверхности будет ниже, чем без покрытия. Это снижает разность температур по толщине кокиля, уменьшает температурные напряжения в нем и повышает его стойкость.

Огнеупорное покрытие на поверхности кокиля должно иметь заданную теплопроводность, хорошо наноситься и удерживаться на поверхности формы, противостоять резким колебаниям температуры, не выделять газов при нагреве, способных растворяться в отливке или создавать на ее поверхности газовые раковины. Покрытия приготовляют из огнеупорных материалов, связующих, активизаторов и стабилизаторов (см. табл. 2.3). В качестве огнеупорных материалов применяют пылевидный кварц, шамотный порошок, окислы и карбиды металлов, тальк, графит, асбест. Связующие для покрытий -- жидкое стекло, огнеупорная глина, сульфитный щелок.

Активизаторы применяют для улучшения схватывания с поверхностью кокиля. В качестве активизаторов используют для шамотных и асбестовых покрытий буру (Na2B4O7* lOH2O) и борную кислоту (Н3ВO4); для маршалитовых -- кремнефтористый натрий (Na2SiF6), для тальковых -- буру, борную кислоту или марганцевокислый калий. Перед приготовлением огнеупорные материалы просеивают через сито 016--01.Стабилизаторы применяют для того, чтобы уменьшить седиментацию огнеупорных составляющих покрытия. Чаще всего это поверхностно-активные вещества ОП5, ОП7. При литье в кокиль чугуна для устранения отбела в отливках на огнеупорное покрытие наносят копоть (сажу) ацетиленового пламени. Толщину слоя огнеупорного покрытия контролируют измерительными пластинами, проволочками, прямым измерением, электроконтактным способом. При прямом измерении толщину слоя облицовки определяют микрометром (рис. 3.2): измеряют расстояние от базовой поверхности 1 до поверхностей 2 и 3, соответственно не покрытой и покрытой облицовкой. Разность дает толщину слоя облицовки. Схема распределения температур в системе отливка -- покрытие -- форма практически реализуется только для поверхностей отливки, которые при усадке образуют плотный контакт с кокилем, между охватываемыми поверхностями отливки и кокилем образуется зазор, изменяющийся по мере усадки отливки. Этот зазор заполнен воздухом и газами, выделяющимися из покрытия. Образование зазора приводит к увеличению термического сопротивления переносу теплоты от отливки в кокиль. Поэтому со стороны внутренних стенок отливка охлаждается интенсивнее, чем со стороны внешних. В результате смещается зона образования осевой пористости отливки к наружной ее стенке, что следует учитывать при разработке системы питания усадки отливки. Рассмотренное явление используют для устранения отбела в поверхностных случаях чугунных отливок. Для этого после образования в отливке твердой корочки достаточной прочности кокиль слегка раскрывают гак чтобы между поверхностями отливки и кокиля образовался воздушный зазор. Тогда теплота затвердевания внутренних слоев отливки, проходя через затвердевающую наружную корку, разогревает ее и в результате происходит «самоотжиг» отливки -- она не имеет отбела.

Рис. 3.2. Измерение толщины краски или облицовки на кокиле

Скорость отвода теплоты от расплава и отливки зависит от разницы между температурами поверхностей отливки Т0 и кокиля Тп С повышением температуры заливаемого расплава возрастает температура То и скорость отвода теплоты от отливки; с повышением температуры Тn скорость отвода теплоты от отливки уменьшается. Поэтому на практике широко используют регулирование скорости отвода теплоты от расплава и отливки, изменяя температуры заливаемого сплава или кокиля перед заливкой. Однако чрезмерное снижение температуры заливаемого сплава приводит к ухудшению заполняемости кокиля. Повышение температуры кокиля увеличивает опасность приваривания отливки к кокилю, особенно при литье чугуна и стали, снижает стойкость кокиля. Практически установлено, что оптимальная температура кокиля перед заливкой зависит от заливаемого сплава, толщины стенки отливки и ее конфигурации (табл. 2.4). Температура заливки расплава в кокиль зависит от его химического состава, толщины стенки отливки, способа ее питания при затвердевании. Оптимальные температуры заливки в кокиль различных сплавов приведены ниже.

3.2 Особенности изготовления отливок из различных сплавов

Технологические режимы изготовления отливок из различных сплавов обусловлены их литейными свойствами, конструкцией отливок и требованиями, предъявляемыми к их качеству.

Таблица 3.2 - Температура нагрева кокилей перед заливкой

Сплавы	Отливки	Толщина стенки отливок, мм	Температура нагрева кокиля, К
Алюминиевые	Тонкостенные, ребристые	1,6--2,1	673--693
	Ребристые, корпусные	5--10	623--673
	Простые, без ребер	<8 >8	523--623 473--523
Магниевые	Тонкостенные, сложные		623--670
Медные	Толстостенные Средней сложности	5--10	523--620 393--473

3.3 Отливки из алюминиевых сплавов

Литейные свойства. Согласно ГОСТу литейные алюминиевые сплавы разделены на пять групп. Наилучшими литейными свойствами обладают сплавы I группы силумины. Они имеют хорошую жидкотекучесть, небольшую (0,9--1%) линейную усадку, стойки к образованию трещин, достаточно герметичны. Это сплавы марок АЛ2, АЛ4, АЛ9, их широко используют в производстве. Однако они склонны к образованию грубой крупнозернистой эвтектики в структуре отливки и растворению газов. При литье силуминов в кокиль структура отливок вследствие высокой скорости кристаллизации получается мелкозернистой. Основной недостаток сплавов I группы при литье в кокиль -- склонность к образованию рассеянной газовой пористости в отливках. Сплавы II группы (медистые силумины) также нередко отливают в кокиль. Эти сплавы обладают достаточно хорошими литейными свойствами и более высокой прочностью, чем силумины, менее склонны к образованию газовой пористости в отливках. Сплавы III -- V групп имеют худшие литейные свойства -- пониженную жидкотекучесть, повышенную усадку (до 1,3%), склонны к образованию трещин, рыхлот и пористости в отливках. Получение отливок из этих сплавов требует строгого соблюдения технологических режимов, обеспечения хорошего заполнения формы, питания отливок при затвердевании.

Все литейные алюминиевые сплавы в жидком состоянии интенсивно растворяют газы и окисляются. При затвердевании сплава газы выделяются из раствора и образуют газовую и газоусадочную пористость, которая снижает механические свойства и герметичность отливок. Образующаяся на поверхности расплава пленка окислов при заполнении формы может разрушаться и попадать в тело отливки, снижая ее механические свойства и герметичность. При высоких скоростях движения расплава в литниковой системе пленка окислов, перемешиваясь с воздухом, образует пену, попадание которой в полость формы приводит к дефектам в теле отливок.

Влияние кокиля на свойства отливок. Интенсивное охлаждение расплава и отливки в кокиле увеличивает скорость ее затвердевания, что благоприятно влияет на структуру -- измельчается зерно твердого раствора, эвтектики и вторичных фаз. Структура силуминов, отлитых в кокиль, близка к структуре модифицированных сплавов; снижается опасность появления газовой и газоусадочной пористости, уменьшается вредное влияние железа и других примесей. Это позволяет допускать большее содержание железа в алюминиевых отливках, получаемых в кокилях, по сравнению с отливками в песчаные формы. Все это способствует повышению механических свойств отливок, их герметичности. Кокиле для литья алюминиевых сплавов применяют массивные, толстостенные. Такие кокиле имеют высокую стойкость и большую тепловую инерцию: после нагрева до рабочей температуры они охлаждаются медленно. Это позволяет с большей точностью поддерживать температурный режим литья и получать тонкостенные отливки. Для отливок сложной конфигурации используют кокиле, имеющие системы нагрева или охлаждения отдельных частей. Это дает возможность обеспечить направленное затвердевание и питание отливок. Для получения точных отливок рабочую полость кокиля обычно выполняют обработкой резанием. Положение отливки в форме должно способствовать ее направленному затвердеванию: топкие части отливки располагают внизу, а массивные вверху, устанавливая на них прибыли и питающие выпоры.

Литниковая система должна обеспечивать спокойное, плавное поступление расплава в полость формы, надежное улавливание окисных плен, шлаковых включений и предотвратить их образование в каналах литниковой системы и полости кокиля, способствовать направленному затвердеванию и питанию массивных узлов отливки. Используют литниковые системы с подводом расплава сверху, снизу, сбоку, комбинированные и ярусные (рис. 2.13, а). Литниковые системы с верхним подводом используют для невысоких отливок типа втулок и колец (I, 1--3). Такие литниковые системы просты, позволяют достичь высокого коэффициента выхода годного. Заливка с кантовкой кокилей с такой литниковой системой обеспечивает плавное заполнение формы и способствует направленному затвердеванию отливок. Литниковые системы с подводом расплава снизу используют для отливок корпусов, высоких втулок, крышек (II, 1--3). Для уменьшения скорости входа расплава в форму стояк делают зигзагообразным (II, 1), наклонным (II, 2). Для задержания шлака устанавливают шлак задерживающие бобышки Б (II, 1); для удаления первых охлажденных порций расплава, содержащих шлаковые включения, используют промывники П (II 3). Литниковые системы с подводом расплав, а сбоку через щелевой литник (III, 1--3), предложенные акад. А. А. Бочваром и проф. А. Г. Спасским, сохраняют основные преимущества сифонной заливки и способствуют направленному затвердеванию Отливки. На практике используют несколько вариантов таких систем. Стояки выполняют также наклонными или сложной формы, так называемые гусиные шейки. Эти стояки снижают скорость, исключают захват воздуха, образование шла ков и пены в литниковой системе, обеспечивают плавное заполнение формы расплавом. При заливке крупных отливок обязательным элементом литниковой системы является вертикальный канал, являющийся коллектором.

I	1	2
II	1	2	3
III	1	2	3
IV	1	2	3
V	1	2	3

Рис. 3.3 Литниковые системы для алюминиевых и магниевых сплавов а), работа щелевой литниковой системы б), сечение элементов литниковой систем в)

...