2. 4. Специальные способы литья

Отличительными особенностями отливок, получаемых спе­циальными способами, по сравнению с литьем в песчаные формы, являются, как правило, их более высокая точность, лучшее качество поверхности, меньшие величины припусков на механическую обработку.

Литье в кокиль. Кокиль—это литейная форма, изготов­ленная из металла. Основные достоинства кокилей по сравнению с песчаными формами — более высокие произво­дительность труда, точность отливок, качество их поверх­ности.

Кокили бывают неразъемные (вытряхные) и разъемные (рис. 2.6). Все применяемые типы кокилей могут быть одногнездные и многогнездные (т. е. для получения одной отливки или нескольких), немеханизированные (ручные), механизированные, автоматизированные и автоматические.

Рис. 2.6. Разновидности кокилей: а—вытряхной; б— с горизонтальной плоскостью разъема; в — с верти­кальной плоскостью разъема; г—створчатый с верти­кальной плоскостью разъема; д — створчатый с гори­зонтальной плоскостью разъема

Материалы, используемые для изготовления кокилей, должны хорошо противостоять термическим ударам, возни­кающим при заливке металла, иметь высокие механические свойства при повышенных температурах, хорошо обрабаты­ваться, быть недефицитными и недорогими. Наиболее полно этим требованиям удовлетворяет чугун, иногда используют сталь, алюминиевые и другие сплавы. Для мелких отливок из чугуна и стали материалом кокилей является чугун, леги­рованный хромом и никелем. Кокили для средних и круп­ных отливок из черных сплавов изготавливают из сталей, легированных хромом, молибденом и никелем. Формы для отливок из алюминиевых и магниевых сплавов выполняют из серого чугуна, а также из алюминиевых сплавов.

Удаление газа из рабочей полости кокиля во время за­ливки металла осуществляется по разъему формы. Кроме этого, в плоскости разъема делают специальные каналы, а в стенках формы — вентиляционные пробки, через которые дополнительно удаляется газ.

Подвод металла в кокилях осуществляют сверху, снизу (сифоном) или сбоку через щелевые питатели. При подводе металла сверху возможно его разбрызгивание в полости формы. Поэтому такой подвод осуществляется для неслож­ных отливок, имеющих небольшую высоту.

При подводе ме­талла снизу (сифоном) металл поступает плавно (рис. 2.7). Для ослабления удара падающей струи применяют зигзаго­образные стояки.

Для предотвращения физико-химического взаимодей­ствия металла с формой на рабочую поверхность кокиля на­носят огнеупорное покрытие (кистью или пульверизатором). Полости, выполняющие литниковую систему, выпоры, прибыли и т. п., окрашивают более толстым слоем краски или покрывают специальными обмазками, чтобы предотвратить чрезмерное охлаждение металла при движении в каналахлитниковой системы. В качестве огнеупорной основы красок используют пылевидный кварц, шамот, графит, окись цинка, тальк и другие материалы, связующим чаще всего является жидкое стекло. При литье сплавов на основе титана на ра­бочие поверхности кокилей напыляют плазменным методом вольфрам и молибден. При литье чугунных отливок хоро­шие результаты наблюдаются, если кокиль коптят ацетиле­новым пламенем.

Перед заливкой металла кокиль должен быть подогрет до необходимой температуры.

Литье по выплавляемым моделям. Сущность способа со­стоит в получении специальных моделей из легкоплавких материалов, сборке их в блоки, покрытии модельных бло­ков огнеупорной оболочкой, удалении моделей, прока­ливании оболочковых форм и заливке в них жидкого металла. К преимуществам литья по выплавляемым мо­делям относят возможность получения сложных отли­вок из разнообразных спла­вов, в том числе трудно обрабатываемых резанием и ковкой.

Перевод поковок на литье по выплавляемым мо­делям, например, снижает трудоемкость механической обработки на 30…80 %, по­вышает коэффициент использования металла, снижает себестоимость изготовления деталей. Литьем по выплавляемым моделям получают отливки массой до 100 кг. Разберем более подробно некоторые этапы этого метода формообразования.

Рис.7 Кокиль с зигзагообразным стояком и щелевым питателем.

В зависимости от механизмов удаления моделей из оболочек их материалов можно разделить на выплавляемые, растворяемые и выжигаемые. Наиболее широко распространенные составы выплавляемых моделей содержат парафин, стеарин, буроугольный и торфяные воски(битумы), этилцеллюлозу, натуральный и синтетический церезин. Основными составляющими растворяемых моделей являются: карбамид, азотные и азотно-кислотные соли щелочных металлов и некоторые другие вещества. К третьей группе модельных материалов следует отнести вспенивающиеся и компактные термопласты.

Изготовление моделей осуществляют свободной заливкой расславленного модельного состава обычно в металлические пресс-формы, запрессовкой под давлением пастообразного модельного состава специальными шприцами и на машинах-автоматах. Готовые модели собирают в блоки (припаиванием к модели литниковой системы либо в специальных кон­дукторах).

Огнеупорная оболочка, наносимая на поверхность мо­дельного блока, может быть получена поочередным нанесе­нием нескольких перемежающихся слоев (суспензии и обсыпки) и электрофорезом. При многослойном нанесении оболочки суспензия состоит из гидролизованного раствора этилсиликата и огнеупорного наполнителя. Этилсиликат (С₂Н₅О)₄Si после гидролиза (взаимодействие с водой) вы­деляет гель кремниевой кислоты Si(ОН)₄, который за счет реакции поликонденсации становится связующим, соединяя воедино зерна огнеупорного наполнителя суспензии и обсыпочного материала. Огнеупорным наполнителем суспензии служит пылевидный кварц, дистенсиллиманит, электрокорунд и др. В процессе получения огнеупорной оболочки мо­дельные блоки путем окунания смачивают суспензией, обсы­пают зернистым материалом (кварцевый песок, зерна плав­леного кварца, электрокорунд и т. п.) и сушат до отверждения. Так наносят четыре—шесть слоев (при производстве крупных отливок—более десяти). При получении оболочек на модельных блоках электрофоретическим способом на­чальный слой наносят так же, как и при первом способе. Затем начальный слой смачивают суспензией с электролитом (например, с соляной кислотой) и связующим материалом (к примеру, с кальцийалюмохромфосфатом). Благодаря та­кой обработке первый (или лицевой) слой становится элек­тропроводным. На этот слой из грубодисперсной суспензии электрофоретическим способом осаждают второй слой, обсы­пая его зернистым материалом, и сушат. Для получения бо­лее толстой оболочки цикл повторяется. Обсыпку модельных блоков зернистым материалом осуществляют в пескосыпах или аппаратах псевдокипящего слоя. Сушку слоев произво­дят на воздухе, в парах аммиака или в вакууме.

Модельный состав, его водный раствор или продукты термодеструкции удаляются через открытый торец литнико­вой воронки. Выплавление производят в воде с температу­рой выше точки плавления модельного материала, в рас­плавленном модельном материале (того же состава, что и модели), продувкой блоков горячим воздухом или перегре­тым водяным паром, нагревом блоков в термостатах. Удале­ние соляных моделей осуществляют растворением в воде, пенополистироловых—выжиганием в газовых печах (иногда их растворяют в смеси ацетона с толуолом). После удале­ния моделей растворением оболочки промывают в проточ­ной воде.

Для окончательного удаления остатков модельного со­става оболочки прокаливают при температуре 800... 1100° С в окислительной атмосфере (для лучшего выгорания).

При литье по выплавляемым моделям большинство спла­вов заливают в горячие формы, позволяющие получать. тонкостенные отливки. Температура форм при этом должна быть при заливке сплавов на основе: никеля—1000 ±50° С, железа — 850 ± 50° С, меди—650 ± 50° С, алюминия и маг­ния — 225 ± 25° С. Это обстоятельство вынуждает производить прокалку форм в опорном наполнителе, необходимом для обеспечения устойчивого положения оболочки во время заливки ее металлом, и для предотвращения разрушения за счет металлостатического напора. Там, где возможна за­ливка в холодные формы, оболочки прокаливают без опор­ного наполнителя. Установку оболочек в опорный наполни­тель под заливку Производят после их прокалки и охлажде­ния.

Центробежное литье. Центробежным литьем называют способ изготовления отливок, при котором металл залива­ется в форму и затвердевает в ней под действием центро­бежных сил. Расплавленный металл заливается во вращаю­щуюся форму, приводимую в движение специальной машиной, называемой центробежной. Различают машины с вращением формы вокруг вертикальной и горизонтальной (или наклон­ной) оси (рис. 1.8).

Рис. 8. Схемы процесса изготовления отливок при вра­щении формы вокруг вертикальной (а) и горизонталь­ной (б) оси

Центробежным способом литья с вращением формы вокруг горизонтальной оси получают отливки типа тел вра­щения: трубы, кольца, втулки, гильзы и т. д. На машинах с вращением формы вокруг вертикальной оси, кроме отли­вок типа тел вращения, получают также фасонные отливки,имеющие сравнительно тонкие стенки. Центробежные силы в этом случае используют для улучшения заполняемости формы металлом и получения более плотной отливки. Центробежный способ литья позволяет изготовлять также двухслойные биметаллические отливки (отливки из двух различных сплавов). При нем заливают сначала сплав одного состава, затем другого.

Центробежным способом получают корпуса полых валов из коррозионностойких сталей диамет­ром до 1500 мм, длиной до 10 м, массой до 60 т; налажено производство биметаллических прокатных валков (с наруж­ным слоем, имеющим повышенную износостойкость, и внут­ренним слоем с повышенной пластичностью); выпускают крупные биметаллические втулки диаметром более 1000 мм для подшипников жидкостного трения и многие другие отливки.

При центробежном литье применяют в основном три типа литейных форм: металлические нефутерованные, ме­таллические футерованные и разовые формы, изготовляемые различными методами. Металлические футерованные формы применяют при литье труб, втулок и т. д., имеющих слож­ный наружный профиль, затрудняющий свободную усадку.

Разовые формы применяют при изготовлении центробеж­ным литьем фасонных отливок. При этом формы могут быть получены различными способами: по выплавляемым моде­лям, из керамических стержней, из песчаных смесей. При необходимости такие формы заливают в вакууме или среде нейтральных газов. С этой целью вращающееся устройство, в котором установлена форма, закрывается герметично не­подвижным кожухом, соединенным с устройством для вакуумирования или баллонами с нейтральными газами. Так заливают турбинные лопатки, турбинные колеса из легко окисляющихся сплавов и т. п. детали.

Литье под давлением. Сущность процесса состоит в том, что жидкий металл поступает в рабочую полость металли­ческой формы (пресс-формы) под давлением, составляющим (З00...3000)-10⁵ Па. Скорость впуска металла в полость формы составляет 0,5... 140 м/с. Литьем под давлением по­лучают отливки массой от нескольких граммов до несколь­ких десятков килограммов, по сложности—от элементов замка «молния» до блока цилиндров в автомобиле «Волга». При массовом производстве литье под давлением является весьма рентабельным. Отливки, получаемые этим способом, имеют самый высокий коэффициент использования металла. Получение ряда деталей литьем под давлением оказывается в 50 раз и более дешевым, чем их изготовление из проката механической обработкой.

При литье под давлением используют различные маши­ны, классификация которых приведена в табл. 2.4.

Таблица 2.4

Классификация машин литья под давлением

Классификационный признак	Варианты машин
Принцип прессования Конструкция камер прессования по способу подачи металла Расположение камеры прессования	Поршневые
	Компрессорные
	С холодной камерой
	С горячей камерой
	Комбинированные С горизонтальней камерой С вертикальной камерой

Работа поршневой машины с холодной вертикальной ка­мерой прессования (рис. 2.9) состоит в следующем. Ось ка­меры прессования 1 этой машины располагают параллельно плоскости разъема пресс-формы 3. Металл заливают на нижний поршень 4 камеры, который не позволяет проникать ему в форму. Жидкий металл будет заходить в литниковое отверстие 5 и полость формы после опускания вниз прессую­щего поршня 2, в результате чего нижний поршень 4, отжи­маясь вниз, откроет литниковое отверстие.

Рис. 2.9. Схемы холодной вертикальной (а) и горизонталь­ной (б) поршневых камер прессования машин литья под давлением

Металл, войдя в контакт со стенками формы, затвердевает. Прессующий поршень поднимается вверх, освобождая путь нижнему поршню, который при подъеме отрезает пресс-остаток от лит­ника, выталкивая его из камеры прессования. Форма очищается, смазывается и закрывается. Цикл повторяется.

Ось горизонтальной холодной камеры прессования 1 (рис. 2.9, б) располагают перпендикулярно плоскости разъема формы. Горизонтальная камера связана с неподвижной полуформой 2. Жидкий металл заливают в горизонтальную камеру через специальное окно 3. Поршень 4, двигаясь вправо, запрессовывает металл в полость формы. Пресс-остаток захватывается поршнем при холостом ходе и выбра­сывается из камеры прессования.

Машины с холодной камерой прессования используют для изготовления отливок из сплавов на основе алюминия, магния и меди.

В поршневых машинах с горячей камерой прессования (которые являются только вертикальными) иное заливочное устройство (рис. 2.10). Ци­линдр1 прессующего порш­ня 2 таких машин находится в расплавленном металле 3, который заполняет камеру прессования через отверстие прессового цилиндра 4. При прессовании это отверстие перекрывается поршнем. По окончании прессования оста­ток жидкого металла сливается в камеру прессования. Обогрев расплавленного ме­талла в тигле — электриче­ский. Остальные операции технологического процесса такие же, как и на машинах с холодной камерой прессования.

Рис. 2.10 Схема горячей камеры прессования

Машины с горячей камерой прессования применяют главным образом для изготовления отливок из легкоплавких сплавов на основе цинка, свинца и олова. Эти машины позволяют более легко автоматизировать процесс литья, здесь меньше потери металла, выше производительность труда (10... 12 запрессовок в минуту).

Для съема и удаления отливок от формы используют различные механизмы, в том числе роботы-манипуляторы. Универсальные роботы-манипуляторы со счетно-решающими и запоминающими устройствами могут последовательно вы­полнять до 200 различных команд. На некоторых машинах устанавливаются роботы для заливки жидкого металла в ка­меру прессования.

В настоящее время продолжается совершенствование литья под давлением стали в направлении повышения стойкости форм, улучшения качества отливок, механизации и автоматизации процесса.

Литье в оболочковые формы. Литейная форма здесь пред­ставляет собой оболочку толщиной 6...10 мм, изготовлен­ную из дискретной огнеупорной основы (наполнитель) и синтетической смолы в качестве связующего. Принцип получения оболочек заложен в свойствах связующего материала, способного необратимо отверждаться при нагревании. Литьем в оболочковые формы изготовляют отливки средней массы 5...15 кг (редко 100...150 кг) практически из лю­бых сплавов. Расход смеси уменьшается в 10...12 раз по сравнению с литьем в обычные песчаные формы.

В качестве огнеупорной основы широко используют кварцевый песок. Повышение содержания примесей в песке при­водит к увеличенному расходу связующего, повышенной газотворности смеси, пониженному качеству поверхности отливок. Ввиду малого расхода и возможности регенерации, несмотря на значительное удорожание, при литье в оболоч­ковые формы, становится рентабельным применять Корунд, электрокорунд и в особенности циркон. Качество отливок при этом значительно повышается.

Связующим материалом являются фенолоформальдегидные синтетические смолы. Эти смолы при нагревании конденсируются, проходя три стадии: резольную А, резитольную В и резитную С. Смола в стадии А плавится, жидкоподвижна, способна обволакивать тонкой пленкой поверхность зерен огнеупорной основы. Температура плавления составляет 100.. 200° С. Дальнейший нагрев переводит смолу в стадию В, когда она сначала становится вязкой, затем резиноподобной. В стадии С смола окончательно отверждается. Начиная с температуры выше 400 °С фенолоформальдегидная смола подвергается деструкции (т. е. разлагается под воздействием теплоты на элементарные вещества).

Кроме огнеупорной основы и связующего в смеси вводят специальные добавки: растворители (керосин, ацетон, неко­торые спирты и другие вещества, уменьшающие количество пыли в смесях и их сегрегацию), смазывающие материалы (стеарат цинка, озокерит и др., предотвращающие пригорание смесей к модельной оснастке) и некоторые другие до­бавки.

Существует несколько способов изготовления оболочек: бункерный (рис. 2.11), пескодувный и др.

Рис. 11. Бункерный способ получения оболочковых полуформ

При бункерном способе на поворотном бункере 1 со смесью 2 закрепляется предварительно нагретая до 200...270° С модельная метал­лическая плита С моделью 3 (рис. 2.11, а), после чего бункер поворачивается на 180° С. Смесь падает на модельную плиту, облегая всю ее рабочую поверхность (рис. 2.11, б). Синтетическая смола прилегающей к модельной плите смеси нагревается, расплавляется, затем отверждается. Толщина слоя зависит от времени выдержки смеси на модели, ее температуры и теплофизических свойств наполнителя. При достиже­нии необходимой толщины бункер поворачивается в исходное положение. Непрореагировавшая смесь с модельной плиты ссыпается вниз (рис. 2.11, в). Для лучшего и более быстрого отверждения смеси модельная плита с оболочкой подается в печь, нагретую до температуры 280 ... 320 °С, где идет окончательный процесс конденсации смолы. После отверждения оболочка снимается с модельной плиты и направляется на сборку форм. Весь процесс получения оболочек длится несколько минут.

Съем оболочек осуществляется специальными толкателями, монтируемыми на каждой мо­дельной плите. Параллельно по такой же технологии изго­тавливают вторую полуформу (оболочку), а также стержни, которые могут быть сплошными или полыми. Полые или оболочковые стержни, полученные рассматриваемым процессом, в последние годы начали использовать не только при литье в оболочковые формы, но и при обычном литье в песчаные формы. Масса таких стержней на 40... 80 % меньше массы сплошных, они легко выбиваются из отливок, формируют высокое качество поверхности и т. д.

При сборке формы производят установку стержней, затем соединяют (спаривают) две полуформы. Соединение осуществляют склеиванием или скобами. Литниковая система формируется при изготовлении оболочек.

Собранные формы перед заливкой устанавливают в ме­таллические коробки (контейнеры), где свободное пространство между оболочками засыпают опорным материалом — песком или чугунной дробью. Заливка форм чаще всего про­исходит на конвейере. После заливки металла и затвердевания отливки оболочковые формы и стержни легко разру­шаются за счет термодеструкции связующего.

Литье в керамические формы. Существует несколько спо­собов изготовления керамических стержней, из которых со­бирают соответствующие формы. Разберем один из них.

В гидролизованный раствор этилсиликата (см. литье по выплавляемым моделям) при непрерывном перемешивании засыпают смесь кварцевого песка и пылевидного кварца. При достижении однородного состава сметанообразной кон­систенции к ней добавляют отвердитель (например, водный раствор NаОН или NH₄ОН), продолжая перемешивать (смесь готовится в специальных смесителях). Далее суспен­зию выливают в заранее подготовленные стержневые ящики, в которых она отверждается. Отвержденные стержни извле­кают из стержневых ящиков, устанавливают на металлические плиты и поджигают. Горит выделяющийся в результате реакции гидролиза и отверждения этиловый спирт. После этого при температуре 900...1000 °С стержни прокаливают для более полного удаления из них материалов, повышающих газотворность. Из прокаленных и охлажденных стержней собирают формы, подготавливая их к заливке ме­таллом. Так получают отливки повышенной точности с хорошим качеством поверхности массой от нескольких граммов до нескольких тонн (штампы, кокили, пресс-формы и т. п.).

Кристаллизация под давлением. В металлическую непод­вижную форму (матрица или металлоприемник) нали­вают жидкий металл, на который затем давят пуансоном. Удельное давление при этом, как правило, составляет (10000...2500)-10⁵ Па. Здесь могут быть два варианта:

а) металл не перетекает по матрице, а кристаллизуется под давлением, уплотняясь при этом; б) металл перетекает по матрице под действием пуансона. Второй вариант кристаллизации под давлением чаще называют штамповкой жидкого металла.

Литье по газифицируемым моделям. При этом способе литья модель заформовывается в песчаную неразъемную форму и не извлекается из нее. В качестве материала моде­лей используют пенополистирол (углеводород, содержащий примерно 92 % углерода и 8 % водорода). Во время заливки благодаря теплу металла материал модели испаряется (температура испарения полистирола составляет 316 °С). Место испаряющейся модели занимает заливаемый в форму металл. Основное преимущество процесса состоит в том, что отливка имеет очень малые припуски на механическую обработку (вследствие неразъемной неизвлекаемой из формы модели). Этим способом получают единичные отливки массой от нескольких килограммов до 30 т.