Безопочная формовка

Сущность этого способа заключается в том, что опоки применяют только для изготовления формы. После ее сборки опоки снимают и используют для приготовления новой формы. Этот способ находит широкое применение в производстве мелких деталей до 3—5 кг. При ее применении значительно уменьшается количество таких взаимозаменяемых опок, что дает большую экономию. При этом облегчается выбивка отливок. Безопочную формовку также широко применяют так же при машинной формовке в массовом производстве.

На нижнюю опоку по направляющим штырям устанавливают двустороннюю модельную плиту, а на ней верхнюю опоку. Сборку переворачивают и начинают формовать с нижней опоки. Затем, положив пруток, сборку снова переворачивают и набивают верхнюю опоку. Модели питателя и шлакоулавителя расположены на модельной плите. Стояк и литниковую чашу прорезают конической трубкой. После этого верхнюю опоку поднимают, снимают модельную плиту и собирают форму, ставят по штырям верхнюю опоку на нижнюю. Затем с формы снимают обе опоки. На линию разъема одевают металлический кожух-жакет, предохраняющий форму от разрушения и ставят безопочную форму под заливку металлом (рис. 6, е), положив груз в виде плиты с отверстием против литниковой воронки.

Машинная формовка

Машинная формовка используется в серийном, массовом, и крупносерийном производствах.

По характеру уплотнения смеси машины делят на прессовые, вытряхивающие с подпрессовкой, пескодувные, пескострельные и пескометные.

Прессовые машины бывают с верхним и нижним прессованием. При верхнем прессовании наибольшая степень уплотнения находится у прессовой колодки, при нижнем прессовании наибольшее уплотнение формовочной смеси находится и поверхности модели.

Прессовые машины применяют для полуформ в невысоких опоках 200-250 мм. Этот недостаток может быть устранен применением профильных прокладок, обеспечивающих более равномерное уплотнение формовочной смеси во всем объеме. Равномерное уплотнение смеси можно осуществить так же прессованием с эластичной резиновой мембраной. Здесь смесь уплотняется давлением сжатого воздуха (или жидкости) через эластичную мембрану, повторяющую рельеф поверхности модели. В обычных прессовых машинах Р = 0,5 МН/м² (5 атм), применяют прессование и под высоким давлением до 2 МПа.

Вытряхивающие машины уплотняют формовочную смесь за счет инерционных сил, возникающих при многократно повторенном вытряхивании. Эти машины уплотняют смесь неравномерно, в наибольшей степени у поверхности модели. Для дальнейшего уплотнения в верхних слоях осуществляют подпрессовку.

Пескометы – высокопроизводительные формовочные машины (уплотняющие до 40 м³ смеси в час), использующиеся преимущественно для форм крупных отливок.

Они производят две операции: заполнение опоки формовочной смесью и ее уплотнение.

Пескодувные машины применяют в основном для приготовления стержней. Здесь стержневая смесь заполняет стержневой ящик и уплотняется под давлением сжатого воздуха 5-6 атм.

В пескострельных машинах стержневая смесь уплотняется при мгновенном ее перемещении под давлением сжатого воздуха из пескострельного резервуара в стержневой ящик через сопло.

Заливка форм

Разливные ковши в зависимости от литейного сплава, смеси отливок и условий заливки имеют различную конструкцию и емкость. Сплав перед заливкой в форму некоторое время выдерживают в ковше для выделения газов, всплывания шлака и неметаллических включений. Заливку производят не прерывая струи, литниковая чаша должна поддерживаться полной. При перерывах струи расплав поступает в полость формы отдельными порциями, может охладиться и отслоиться, тогда в отливках образуются дефекты – спаи. Струя при разливе не должна размывать формовочную смесь, шлак не должен попадать в форму.

1.6 Физическая сущность литейного процесса и его влияние на качество отливок

Чрезвычайно затрудняет получение точных и высококачественных отливок процесс усадки. В процессе затвердевания отливки внутри ее могут образоваться раковины, пористости, трещины – так называемые усадочные пороки. Их возникновение связано с неодновременным затвердеванием металла в объеме отливки. Отдавая тепло окружающей среде, отливка начинает охлаждаться и затвердевать с поверхности, в то время как сердцевина остается жидкой. При дальнейшем охлаждении и затвердевании сердцевина претерпевает большее относительно сжатие, чем раннее затвердевшая корка. Вследствие этого сплошность металла нарушается, внутри отливки образуются вакуумные пустоты - усадочные раковины. В слитках усадка металла вызывает образование воронкообразной внешней усадочной раковины. Величина, форма и расположение усадочных раковин определяется природными свойствами сплава и рядом других факторов.

Размеры и форма отливки оказывают влияние как на величину, так и на расположение раковин в отливке. Теоретическая величина раковины оказывается пропорциональной объему отливки. Поэтому мелкие отливки в значительно меньшей степени склонны к образованию усадочных пороков.

Раковины образуются там, где заканчивается затвердевание отливки. Как правило, это более массивная часть отливки. При отсутствии массивных узлов усадочные пустоты сосредотачиваются в центральной зоне стенок, расположенных приблизительно в верхней части отливок. Большое искривление стенки вызывает неравномерное охлаждение ее с той и другой стороны. Внешняя сторона обычно охлаждается быстрее, чем внутренняя.

Если радиус кривизны вогнутой стенки мал, то вследствие нагрева стержня теплообмен с внутренней стороны может совсем прекратиться. Тогда внутренняя поверхность отливки затвердеет последней и на ней образуется открытая усадочная раковина.

Для борьбы с усадочными пороками в отливках применяют питание их за счет металла литниковой системы.

Возможность образования различных структур в зависимости от затвердевания наблюдается и многих сплавов. Наиболее характерным из них является чугун. Величина и расположение усадочных пороков здесь в большой степени зависит от структурного состояния углерода. В структуре отливки из серого чугуна объем усадочных пустот тем меньше, чем полнее пройдет графитизация углерода (т. к. удельный объем цементита меньше, чем объем составляющих его элементов Fe и С). В частности по этой причине белый чугун имеет большую усадку, чем серый.

Сильным средством регулирования процесса затвердевания служит целесообразный выбор места подачи металла к отливке.

Подвод в тонкую часть применяют для отливок из серого чугуна, который в меньшей степени склонен к образованию усадочных раковин и поэтому не нуждается в сильных средствах питания. Такие отливки имеют минимальные внутренние напряжения и, как правило, пускаются в эксплуатацию без термообработки. Кроме того, в этом случае они имеют однородную структуру, т. к. возможность образования различных структур минимальна.

Для отливок из ковкого чугуна и стали, весьма склонных к образованию усадочных пороков, оптимальным является подвод металла в толстую часть. Образующиеся при этом внутренние напряжения снимаются при обязательном высокотемпературном отжиге.

Удельный вес сплава оказывает значительное влияние на процесс формирования отливки. Чем больше удельный вес, тем больше будет гидростатическое давление в незатвердевшей части отливки, способствующее проникновению жидкости в жидкокристаллические поры. В связи с этим число, количество и объем пор (в особенности в нижней части отливки) уменьшается за счет увеличения концентрированной раковины. Помимо этого разница температур способствует возникновению внутри отливки конвективных потоков, сосредотачивающих наиболее горячий (и легкий) металл в верхней части отливки благодаря чему и усадочные раковины смещаются в эту часть.

Атмосферное давление играет значительную роль в формировании усадочных пороков. Воздействуя на затвердевающую отливку с развивающимися в ней вакуумными пустотами, атмосферное давление может вызвать перемещение жидкости внутри затвердевшей корки и деформировать ее, а так же давит на гибкое ядро через свободные пустоты чаши и прибылей.

С затвердеванием этих поверхностей, атмосферное давление деформирует только что затвердевшую корку. Если по коркой образуется усадочная пустота, то атмосферное давление часто прорывает корку и вновь вступает в контакт с жидкостью способствуя уплотнению отливки.

В тех случаях, когда на каком-либо участке поверхности отливки корка оказывается более слабой, чем в чаше стока, атмосферное давление деформирует отливку в этом месте, оставляя на ее поверхности вмятину - так называемую утяжку. Утяжки так же образуются при преждевременном затвердевании питателей и в тех случаях, когда какая-либо часть затвердевающей отливки оказывается отключенной от литниковой системы и прибылей соседними, ранее затвердевшими участками. Утяжка считается дефектом литья.

Газы, растворенные в металле во время плавки, в процессе охлаждения выделяются из раствора и оказывают влияние на формирование усадочных раковин. Газы в атоммарном состоянии выделяются на границах усадочных раковин и занимают ограниченное ими пространство. Если внутреннее давление достигает суммы атмосферного и столба жидкого металла над раковиной, то объем жидкостей увеличивается и принимает округлую форму.

Условия охлаждения отливки сказываются прежде всего на характере образующихся усадочных пустот. Чем интенсивнее охлаждается отливка, тем пористость отливки оказывается меньше, а сосредоточенная раковины более развитой, при этом структура материала будет более плотной. С помощью интенсивного охлаждения отдельных частей отливки (более массивных) или дополнительного нагрева более тонких частей отливки можно регулировать процесс затвердевания, перенося усадочную раковину в другое, менее ответственное место или выводя ее в литник или прибыль.

1.7 Специальные виды литья

Литье в металлические формы (кокили).

Литье в металлических формах многократного использования отличается высокими механическими свойствами и равномерным мелкозернистым строением, а так же большой точностью и чистотой поверхности. Форму изготавливают из чугуна или стали.

Кокиль - 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 кокили состоит в применении металлических материалов для изготовления многократно используемых литейных форм, металлические части которых составляют их основу и формируют конфигурацию и свойства отливки.

Кокиль обычно состоит из двух полу форм, плиты, вставок. Полуформы взаимноцентрируются штырями, и перед заливкой их соединяют замками. Размеры рабочей полости кокиля больше размеров отливки на величину усадки сплава. Полости и отверстия в отливке могут быть выполнены металлическими или песчаными стержнями, извлекаемыми из отливки после ее затвердевания и охлаждения до заданной температуры. Расплав заливают в кокиль через литниковую систему, выполненную в его стенках, а питание массивных узлов отливки осуществляется из прибылей (питающих выпоров). При заполнении кокиля расплавом воздух и газы удаляются из его рабочей полости через вентиляционные выпоры, пробки, каналы, образующие вентиляционную систему кокиля. Основные элементы кокиля: полуформы, плиты, вставки, стержни т. д. обычно изготовляют из чугуна или стали.

Перед заливкой расплава на поверхность рабочей полости и металлических стержней наносят слой огнеупорного покрытия 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 150 -180 С. 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, зависящий в основном от состава заливаемого сплава, толщины стенки отливки, ее размеров, требуемых свойств. Обычно температура нагрева кокиля перед заливкой 200 - 350 С. Затем в кокиль устанавливают песчаные или керамические стержни если таковые необходимы для получения отливки; половины кокиля соединяют 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 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. Из отливки выбивают песчаный стержень, обрезают литники, прибыли, выпоры, контролируют качество отливки. Затем цикл повторяется.

Недостатки кокильного литья.

1) Сложность получения отливок со сложными внутренними и внешними очертаниями.

2) Невозможность получения тонкостенных отливок вследствии падения жидкотекучести сплава при соприкосновении его с теплопроводными формами.

3) Получение у отливок из серого чугуна отбеленной труднообрабатываемой поверхности.

Кокили изготавливают как неразъемными, для простых по форме отливок, так и разъемные. Полость в отливках получают с помощью стержневой смеси или металла.

Литье в оболочковые формы

При этом способе литья деталь получают в тонкостенных формах – оболочках толщиной 6-15 мм. изготовленных из высокопрочных песчано-смоляных смесей. Форма состоит из двух полуформ, соединенных по горизонтальной или вертикальной линии разъема путем склеивания или скрепления при помощи скоб или струбцин. Для получения внутренних полостей в отливках или при сборке формы в нее устанавливают сплошные или полые песчано-глинистые или песчано-смоляные стержни.

Формовочные смеси для оболочковых форм состоят из песка (92-96%), термореактивной смолы (4-6%) и некоторых добавок.

Тепловая технология получения оболочковой формы такова: металлическую подмодельную плиту и модель нагревают до 200-250⁰С и покрывают разделительным составом (силиконовая жидкость, смесь мазута с керосином). Затем модель и плиту посыпают и уплотняют формовочную смесь (например сжатым воздухом). Смола плавится и начинает затвердевать и за 10-20 с. полутвердая оболочка толщиной 6-15 мм. Излишек смеси удаляют (переворачивая модель вместе с плитой). Оболочку вместе с плитой помещают в печь при температуре 300-350⁰С на 1-3 минуты для окончательного отвердевания смолы, после чего полуформу снимают с плиты и делают вторую полуформу. Литье в оболочковые формы применяется в крупносерийном и массовом производствах деталей из сталей, чугуна и цветных металлов.

Литье по выплавляемым моделям

Литье по выплавляемым моделям с давних времен применяли для получения литых скульптур, украшений и т. д.

В качестве модельных составов применяют различные легкоплавкие и легкорастворимые составы (ПС50-50) (парафин 50%, стеарин 50%) такой состав имеет температуру плавления 55⁰С, хорошую жидкотекучесть. Возврат смеси составляет 90-95%.

Модели изготавливают в одно-многоместных формах запрессовкой и реже заливкой модельных составов.

Оболочка общей толщиной 5-6 мм. состоит из 3-8 последовательно наносимых слоев. Для образование каждого слоя модель окунают в жидкую суспензию, затем обсыпают мелкозернистым песком и сушат.

Суспензия состоит из гидролизированного этилсиликата (одной части) и пылевидного кварца (2-3 части).

Сушку проводят на воздухе после каждого слоя в течении 2-3 часов. Отвердение можно ускорить осуществляя сушку в парах аммиака.

Окончательную прочность оболочка принимает при последующем прокаливании.

Для производства керамических оболочек в качестве связующего так же применяют жидкое стекло Na₂O_nSiO₂ c модулем 2,5-3 (48 частей) и пылевидного кварца (52 части). В этих формах качество поверхности хуже, чем на этилсиликатной суспензии.

Выплавление моделей осуществляется в волнах с горячей водой (85-90⁰С) или горячим воздухом.

После выплавки моделей оболочки формуют – оболочки устанавливают в опоки и пустые объемы заполняют наполнителями (SiO₂, шамотная крошка и т. д. или жидкими быстро твердеющими SiO₂ – 80-88%, 12-20% цемента и 30-40 частей Н₂О)

Стержни и жидкие наполнители уплотняют на вибрационных столах.

Прокаливание оболочковых форм до 900-1000⁰С проводят для удаления остатков модельных составов из материала оболочки, завершения процессов ее растворения. Кроме того, нагревание формы способствует лучшему заполнению ее при разливке.

Разливку производят обычно сразу же в горячие формы для стали температура формы 800-1000⁰С, у алюминиевых сплавов 300-400⁰С. При получении толстостенных отливок заливку проводят в остывшие формы для получения более мелкозернистой структуры сплава.

Удаление остатков керамической оболочки в частности в полостях и отверстиях, и окончательную очистку поверхности отливок осуществляют в результате кипячения в 50% растворе КОН.

Литье под давлением

Этот метод заключается в том, что металл заполняет металлические формы под давлением поршня машины или сжатого воздуха и застывает в них. Извлеченные отливки после удаления литника являются совершенно готовыми к применению почти без обработки.

При литье под давлением сплав поршнем машины запрессовывается в разъемную стальную форму, называ­емую пресс-формой. Литье под давлением применяют главным образом для алюминиевых, магниевых и цинковых сплавов, реже для медных сплавов. Детали выходят точными (11—13 квалитеты) и с малой степенью шероховатости. Масса отливок от нескольких граммов до десятков килограммов. Давление поршня при прессова­нии до 200 МПа. Механическая обработка отливок незначительная или вообще не нужна. Стоимость пресс-формы высокая, поэтому литье под давлением применяют в массовом производстве, когда в одной форме получают тысячи отливок. Производительность машин очень высокая — до 3000 отливок в час при работе в автомати­ческом режиме. Машины для литья под давлением имеют холодную или горячую камеру прессования.

Центробежное литье