Литье под давлением. 1. Общие сведения о технологических процессах получения отливок

1. Общие сведения о технологических процессах получения отливок

специальными способами литья.

3. Литье под давлением.

Сущность процесса литья под давлением заключается в том, что форма заполняется расплавом под давлением внешних сил, превосходящих силы гравитации, а затвердевание протекает под избыточным давлением. Преимущества и недостатки литья. Преимуществами данного способа литья являются: возможность изготовления отливок с малой толщиной стенок (менее 1 мм);

повышение качества отливок – отливка получается с высокой точностью размеров и чистой поверхностью, с малой шероховатостью, практически не требует обработки, имеет достаточно высокие механические свойства; полное исключение трудоемких операций и хорошие предпосылки для полной автоматизации производства;

значительное улучшение санитарно-гигиенических условий труда из за устранения из производства формовочных материалов, меньшее загрязнение окружающей среды. Наряду с преимуществами литье под давлением имеет ряд недостатков:

ограничение габаритных размеров и массы отливок мощностью машины, усилием, развиваемым механизмом запирания пресс-формы; высокую стоимость пресс-формы, сложность и трудоемкость ее изготовления; низкую стойкость пресс-формы при литье тугоплавких сплавов, что ограничивает область его использования; наличие в отливках газовоздушной пористости, что снижает их герметичность, затрудняет термообработку. Основные операции. В процессе литья расплавленный металл заливается в камеру прессования специальной машины, а затем под воздействием поршня, перемещающегося в этой камере, через литниковый канал заполняет полость металлической пресс-формы, затвердевает под избыточным давлением и образует отливку. После затвердевания и охлаждения до определенной температуры из отливки сначала извлекаются стержни, а затем пресс форма раскрывается, и толкатели удаляют отливку из пресс-формы.

Область использования. Заполнение пресс-формы и кристаллизация под давлением позволяют получать отливки высокого качества. Чистая поверхность и точные размеры металлической формы, высокая скорость движения расплава дают возможность резко сократить продолжительность заполнения, улучшить заполняемость и получить отливки сложной конфигурации с чистой поверхностью.

Внешнее давление на затвердевающий металл и высокие скорости его охлаждения в металлической форме способствуют измельчению структуры металла в отливке, уменьшению усадочных дефектов, повышению механических свойств. Литьем под давлением изготавливают отливки для различных отраслей машинои приборостроения из цинковых, алюминиевых, магниевых, медных сплавов, реже из чугуна и стали, массой от нескольких граммов до десятков килограммов, обычно тонкостенные, сложной конфигурации с раз витой поверхностью.

Автоматизация литья под давлением. Размеры и масса отливок зависят от мощности машин, на которых они отливаются. Чем больше усилие запирания пресс-формы, тем большее давление и скорость перемещения развивает прессующий механизм машины, тем больших размеров отливки можно получить. В зависимости от устройства камеры прессования различают процессы литья на машинах с холодной (рис. 1.19) и горячей камерами прессования (рис. 1.20). В горячекамерных машинах камера прессования располагается в тигле и сообщается с ним отверстием, через которое в нее поступает расплав. При движении поршня отверстие перекрывается, и расплав поступает в полость формы. После затвердевания отливки поршень возвращается в исходное положение, и остатки расплава сливаются в камеру. После извлечения отливки пресс-форма закрывается, и цикл повторяется.

Машины с горячей камерой прессования более производительны, однако камера прессования и поршень на этих машинах работают в тяжелых условиях, быстро изнашиваются и требуют замены. Такие машины обычно используют для литья цинковых, свинцово-сурьмянистых, магниевых и других сплавов, не взаимодействующих с материалом поршня и камерой прессования.

Машины с горизонтальной холодной камерой прессования позволяют развивать значительные усилия запирания и прессования, поэтому они чаще используются для изготовления отливок из алюминиевых, медных сплавов, чугуна и стали. Однако на таких машинах труднее получить мелкие точные отливки, так как расплав быстро охлаждается и заполняемость формы ухудшается.

Машины для литья под давлением являются сложными автоматизированными агрегатами, работающими в комплексе со вспомогательным оборудованием. К вспомогательному оборудованию относятся: раздаточные печи, дозаторы жидкого металла, манипуляторы для простановки арматуры, смазывания камер прессования и пресс-формы, удаления отливки, устройства для подогрева и стабилизации температуры пресс-формы, пресс для обрезки литников и облоя.

Эффективность производства отливок под давлением зависит от того, насколько полно используются его преимущества и как учтены его недостатки.

Дефекты отливок. Причины образования дефектов при литье под давлением могут быть связаны как с качеством приготовления сплава, так и с нарушениями специфических технологических требований, присущих данному способу литья. Различают дефекты в виде несплошностей тела отливки, несоответствия геометрических размеров требованиям чертежа и дефекты поверхности отливки.

Наиболее распространенными дефектами отливок, вызванными плохим качеством сплава, являются трещины, привар, низкие механические свойства, коррозия отливок. К специфическим дефектам отливок при литье под давлением можно отнести узорчатую поверхность, следы потоков металла, привар, задиры на поверхности отливки, нечеткие контуры отливки, газовые раковины и пористость.

Литье под низким давлением. Этим способом изготовляют отливки преимущественно из алюминиевых и реже из медных сплавов. Сущность данного способа литья состоит в вытеснении газом жидкого металла из тигля раздаточной печи в литейную форму с регулированием давления сжатого газа по заданной программе. Помимо принудительного заполнения литейной формы, позволяющего получать крупногабаритные тонко стенные детали, в этом методе литья эффективно используют питание затвердевающей отливки жидким металлом из естественной прибыли – металлопровода. При этом необходимо обеспечить затвердевание отливки сверху вниз. Регулирование динамики потока металла осуществляется давлением сжатого газа в герметичной раздаточной печи.

Воздух или инертный газ под давлением до 0,1 МПа давит на зеркало расплава. Вследствие разницы между давлением в печи и атмосферным давлением расплав по металлопроводу поступает в форму. По окончании заполнения формы и затвердевания отливки давление газа над расплавом в печи снижается до атмосферного и остаток жидкого металла из металлопровода сливается в тигель. Форма раскрывается, отливка извлекается, после чего цикл повторяется.

При литье под низким давлением отливку можно изготавливать в кокиле, песчаной или комбинированной (кокиль с песчаными или оболочковыми стержнями) форме. Основными преимуществами процесса литья под низким давлением являются: автоматизация трудоемкой операции заливки формы; возможность регулирования скорости потока расплава в полости формы; улучшение питания отливки; повышение ее плотность, благодаря избыточному давлению на расплав; снижение расхода металла на литниковую систему, так как незатвердевший металл из металлопровода сливается в тигель, что повышает коэффициент выхода годного до 90 %.

Наряду с указанными преимуществами способ литья под низким давлением имеет ряд недостатков: невысокую стойкость металлопровода, по груженного в расплав, что затрудняет использование способа для литья из сплавов с высокой температурой плавления; сложность системы регулирования скорости потока расплава в форме, вызванную динамическими процессами, происходящими в установке при заполнении ее камеры воздухом.

Преимущества и недостатки способам определяют рациональную область его применения и перспективы развития.

Контрольные вопросы и задания

1. Опишите сущность процесса литья под давлением.

2. Какие отливки изготовляют литьем под давлением?

3. Назовите основные недостатки процесса литья под давлением.

4. В чем заключается принцип литья под низким давлением?

Центробежное литье – это способ изготовления отливок, при котором заполнение формы расплавом и его затвердевание происходит в поле действия центробежных сил.

Основные операции. Форма может вращаться вокруг горизонтальной, вертикальной или наклонной осей, а также одновременно вокруг горизонтальной и вертикальной осей. Наиболее распространен способ литья во вращающиеся металлические формы с горизонтальной осью вращения (рис. 1.21). По этому способу отливка формируется со свободной поверхностью в поле центробежных сил, а формообразующей поверхностью служит внутренняя поверхность изложницы. Расплав заливается в изложницу через заливочный желоб и растекается по внутренней поверхности формы, образуя под действием центробежных сил пустотелый цилиндр.

После полного затвердевания металла и остановки машины отливка извлекается из формы. Этот способ обладает наиболее высоким коэффициентом выхода годного (≈ 100 %). При получении отливок со свободной поверхностью при вращении формы вокруг вертикальной оси (рис. 1.22) расплав заливают в форму, укрепленную на шпинделе, приводимом в движение электродвигателем. Расплав под действием центробежных сил отбрасывается к стенкам формы и затвердевает. Отливки с внутренней поверхностью сложной конфигурации получают с использованием стержней в формах с вертикальной осью вращения (рис. 1.23). Расплав через заливочное отверстие и стояк попадает в центральную полость формы, выполненную стержнями. Затем через щелевые питатели под действием центробежных сил расплав попадает в полость формы.

Центробежное литье принадлежит к литейным процессам, основные операции которых выполняются с использованием машин. В зависимости от назначения машины для центробежного литья разделяют на универсальные, предназначенные для изготовления отливок общего назначения; труболитейные, предназначенные для изготовления чугунных и стальных труб, в том числе труб большого диаметра; специального назначения, используемые для изготовления однотипных отливок в массовом производстве (гильзы двигателей внутреннего сгорания, биметаллические отливки и др.).

В зависимости от расположения в пространстве оси вращения различают машины с горизонтальной, вертикальной и наклонной осью вращения. По конструктивному исполнению различают шпиндельные и роликовые машины и центробежные столы. Основные требования, предъявляемые к машинам для центробежного литья: обеспечение вращения формы с требуемой частотой, регулирование частоты вращения в заданных условиях технологического процесса. Машина должна работать плавно, без вибраций, иметь прочные и удобные устройства для крепления и фиксации форм, устройство для подогрева и охлаждения изложниц.

Преимущества и недостатки литья. Заливка вращающейся формы и затвердевание отливки под действием центробежных сил обуславливают главные преимущества данного способа литья: затвердевание металла под действием центробежных сил способствует получению плотных (без газовых, усадочных раковин и рыхлот) отливок с высокими механическими свойствами; отсутствие литниковых систем и прибыльных надставок обеспечивает высокий коэффициент выхода годного; при литье полых цилиндров и труб не требуется стержней для образования центрального отверстия. Основными недостатками центробежного литья являются: неточность размеров свободных поверхностей отливок, повышенная склонность к ликвации компонентов сплава, повышенные требования к прочности литейной формы.

Область использования. Центробежным литьем получают литые за готовки, имеющие форму тел вращения: втулки, венцы червячных колес, барабаны бумагоделательных машин, трубы различного назначения, роторы электродвигателей, камеры сгорания реактивных двигателей, деталей пусковых установок. В некоторых случаях метод центробежного литья является единственно возможным.

Наибольшее применение центробежное литье находит при изготовлении втулок из медных сплавов, преимущественно оловянных бронз, и сложных фасонных отливок из титановых и других жаропрочных сплавов. Втулки из медных сплавов получают в металлических изложницах, а отливки из титановых сплавов – в графитовых формах, изготовленных прессованием или по выплавляемым моделям. Венцы червяных колес из оловянистых бронз получают в песчаных формах, а рабочие колеса центробежных насосов – в металлических формах с песчаными стержнями.

Свойства металла, отлитого центробежным способом. Главная особенность процесса формирования отливок при центробежном литье заключается в том, что заполнение формы и затвердевание отливки происходят в поле действия центробежных сил, во много раз превосходящих силу тяжести. При изготовлении отливок со свободной поверхностью расплав охлаждается в изложнице неравномерно по объему. Часть теплоты отводится от расплава в стенку изложницы и ее крышку, другая часть – конвекцией и излучением со стороны свободной поверхности. Воздух в полости отливки вовлекается во вращение и выходит из ее полости; на его место вдоль оси вращения поступает холодный воздух. Такая неравномерность охлаждения отливки приводит к возникновению конвекции в расплаве. Охлажденный более плотный расплав перемещается к стенкам формы, а горячий и менее плотный – к свободной поверхности расплава. Вследствие этого в расплаве возникают конвекционные потоки, циркулирующие в радиальном направлении, что способствует направленному затвердеванию в радиальном направлении и тем больше, чем больше частота вращения.

При направленном затвердевании от стенок изложницы фронт растущих в радиальном направлении кристаллов все время соприкасается с расплавом, что способствует улучшению питания отливок. Свободная поверхность расплава затвердевает в последнюю очередь и остается геометрически правильной. Инородные включения (газы, шлак и т.д.), имеющие меньшую плотность, чем расплав, под действием силы, обусловленной разностью плотностей и гравитационным коэффициентом, интенсивно всплывают на свободную поверхность. Это приводит к необходимости назначать большие припуски на обработку свободных поверхностей отливки.

Центробежные силы способствуют направленному затвердеванию только тогда, когда выделяющиеся на свободной поверхности кристаллы твердой фазы имеют плотность большую, чем плотность остающегося расплава. Для большинства сплавов это условие соблюдается. Исключение составляют два случая: когда сплав затвердевает с увеличением объема (например, серый чугун) и когда выделяющиеся подвижные кристаллы обогащены компонентами сплава, имеющими меньшую плотность, чем остающийся расплав. Ликвация сплавов под действием центробежных сил происходит при изготовлении отливок из сплавов, компоненты которых взаимно нераствори мы и не образуют эвтектик и химических соединений. К таким сплавам относится, например, свинцовистая бронза. Дефекты отливок и меры по их предупреждению. В процессе производства отливок способом центробежного литья возникает ряд характерных дефектов: мелкие спаи на поверхности при низкой температуре формы и металла, горячие трещины, плены в наружных слоях втулок, сквозные раковины при литье оловянных бронз.

Надежный контроль технологических параметров литья, автоматизированная дозировка металла позволяют до минимума свести потери от брака.

Контрольные вопросы и задания

1. Назовите основные типы отливок, получаемые центробежным литьем.

2. Опишите типы литейных машин, предназначенных для получения отливок центробежным литьем.

3. Как влияют центробежные силы на структуры отливок?

4. Назовите основные требования, предъявляемые к машинам для центробежного литья.

5. Каковы главные преимущества и недостатки центробежного литья?