Тема 3. Литейные формы и заливка металла

В зависимости от размера и конфигурации деталей, химического состава металла и сплава, идущего на их изготовление. Литье производят в разовые или постоянные металлические формы.

Более 75% массы отливок осуществляют в разовые формы. Они используются только единожды и разрушаются при извлечении из них изделий. Их применяют при литье «в землю», а также в некоторых специальных видах (литье в оболочковые формы, литье по выплавляемым моделям). Для получения отливок в разовые формы необходимо иметь: модели, стержни, опоки и материалы для приготовления форм и стержней (инструмент и приспособления).

Модели

Нужны для получения внешнего контура формируемой детали. Они бывают металлические, деревянные, керамические и пластмассовые. Деревянные наиболее дешевые. Применяются при небольших объемах литья, т.к. относительно недолговечны из-за коробления и растрескивания. Др. материалы модели более долговечны, обеспечивают также повышенную точность отливки. Поскольку залитые в форму металлы при остывании уменьшаются в объеме, то размер модели должен быть больше размеров охлажденной отливки. Для удобства извлечения из опоки после набивки ее формовочной смесью модель делают неразъемной.

Стержни

Необходимы для получения внутренних полостей отверстий выема и выступов отливки. Их изготавливают из особых стержневых материалов.

Оппоки

Это жесткие рамы из чугуна, стали или алюминиевых сплавов. В них набивают формовочную смесь при изготовлении литейной формы.

Формовочныеые стержневые смеси

Состоит из различных материалов – песка, глины, связующих и противопригарных добавок. Основу формовочных смесей составляет песок (80-90%) и глина (10-20%). Применяются чистые пески с минимальным содержанием Fe₂O₃, Na₂O и др. вредных примесей, снижающих огнеупорность. Глина обеспечивает прочность и пластичность формовочных смесей. Формовочные смеси используются неоднократно, но в каждом цикле ее облагораживают добавкой 15-20% свежей формовочной смесью. Для улучшения свойств песчано-глинистых смесей (ПГС) в них включают добавки:

- чтобы уменьшить пригар применяют угольную пыль (для чугунных отливок) или пылевидный кварц (маршаллит), для стальных отливок;

- для повышения газопроницаемости формы вводят древесные опилки. Для этого же и как связующее используют сульфид – спиртовую барду (ССБ) и др. каллоидные растворы органических веществ.

Технология изготовления песчано-глинистых смесей

Включает в себя:

- подготовку свежего песка;

- подготовку свежей глины;

- др. исходных материалов:

- подготовку оборотных смесей.

Свежий песок и глину сушат при 200-250⁰ в барабанных печах, глину размалывают в шаровых мельницах или бегунах, и тот и др. материал просеивают. Смешивание песка и глины ведут лопасными смесителями.

Смесь, выбитую из опок (горелую) разминают на валках, подвергают магнитной сепарации от чугуна и стали и просеивают. После смешивания компонентов формовочные смеси ее увлажняют и выдерживают в течении 2-5 часов в бункере с целью равномерного распределения влаги, а перед формированием рыхлят.

Схема технологического процесса

Изготовление модельного комплекта

Приготовление формовочных и стержневых смесей

Изготовление нижней полуформы

Изготовление верхней полуформы

Сушка, подсушка, хим. упрочнение полуформы

Изделие модели. Отделка полуформы

Изготовление стержней

Сборка формы

Упрочнение стержней

Заливка расплава в форму

Подготовка шихтовых материалов и их сплава

Охлаждение отливки в форме

Выбивка отливок из форм

Очистка, обрубка отливки

Контроль качества отливки

Рис. 1

Аналогично готовят и многие другие смеси. Для самотвердеющих смесей используют быстроходные смесители, устанавливаемые непосредственно у рабочих мест формовки.

Стержневые смеси. К ним предъявляются более высокие требования, чем к формовочным, т.к. при заливке формы они испытывают значительные термомеханические воздействия расплава. Рецептура стержневых смесей подразделяется на 5 классов: 1 наполнителями являются свежий песок с минимальным содержанием глинистых веществ. В качестве связующих применяется например раствор растительных масел. Для стержня менее ответственного назначения 2, 3 класс используется смесь песка и глины с добавкой ССБ (3-5%), древесного пека и т.д. Стержни 4, 5 класса можно изготавливать из композиций, содержащих кроме свежего песка 20-60% оборотной смеси, до 10% глины и древесный пек.

Модели, стержни и опоки набитые формовочной смесью создают литейную форму, состоящую обычно их 2 полусфер: верхней и нижней.

Изготовление литейных форм производится вручную или на формовочных машинах. Ручная формовка тяжела и трудоемка. Она находит некоторое применение при получении мелких и средних единичных отливок или небольших партий. Более важное значение ручная формовка приобретает в производстве крупных отливок в почву (в землю), форма для которых трудна или невозможно изготовить методом машинной формовки. Машинная формовка является основной в производстве отливок (92% от общей массы). Она обеспечивает массовое, единичное, крупносерийное и серийное производство, снижает брак, облегчает условия работы формовщикам. Внедрению формовочных машин привело к созданию полуавтоматических и автоматических линий в литейном производстве.

Машинную формовку в зависимости от характера уплотнения смеси, производят на прессовых, встряхивающих машинах, пескометов и др. Пескометы производительностью не менее 10-15 м³ используют преимущественно для

изготовления форм крупных отливок, они обеспечивают одновременно и засыпку

и уплотнение смеси.

Изготовленные формы поступают на сборку и последующую заливку металла.

Сырые формы используются для мелкого и среднего литья, в них получают около 45% чугунных отливок и 40 остальных. Их приготавливают из формовочных смесей, содержащих до 10-12% глины с хорошей связующей способностью во влажном состоянии. Влажность смеси 4-5%. Преимущество: хорошая пластичность смеси, легкая выбиваемость, меньшая стоимость изготовления. Недостатки: повышенная влажность, невысокая прочность стенок, большой расход формовочной смеси (1-2т на 1т отливок).

При этом около 70% подготовительной смеси не принимает непосредственно в участии процесса.

Сухие формы. Применяются для крупных и толстостенных отливок или изделия повышенного качества. В них получают около 20% чугунного литья и 15% стального. Изготавливают сухие формы из формовочных смесей сод. до 15% глины с влажностью 6-8%. Нагревание осуществляется в камерных сушилах при 300-350⁰ в течении 4-6 часов, а крупных форм – 24 часа и более. Прогрессивной является сушка горячим воздухом, подаваемым в полость формы. Иногда используется инфракрасный обогрев. В любом случае сушка резко повышает прочность форм.

Упрочняющей сушке подвергаются и стержни. t⁰ термообработки 150-350⁰ в зависимости от типа связующего. При продолжительности процесса до нескольких часов.

Сушка стандартных форм и стержневых смесей усложняет технологию, и повышают стоимость литья. Поэтому при изготовлении форм очень широко применяют специальные формовочные смеси (СФС), использование которых увеличивает производительность труда и поднимает качество изделия. В этих смесях основным компонентом служит кварцевый песок с минимальным содержанием глинистых веществ. Связующим является синтетические смолы, жидкое стекло, цемент, ССБ (сульфид спиртовая барда), СДБ (сульфидно дрожжевая бражка) и др. В современном металлургическом производстве известно более 40 видов связующих с добавками-ускорителями процесса. По оптимальным условиям твердения различают несколько групп специальных формовочных смесей:

- упрочняемые карбонизацией;

- упрочняемые сушкой (горячее отверждение);

- самоотверждение: ХТС (холодно твердеющие смеси) и ЖТС (жидко самотвердеющие смеси.

1. Смеси, упрочняемые карбонизацией, обычно содержит:

95-97% песка;

3-5% глины;

3-7% жидкого стекла.

При общей влажности около 4% жидкое стекло – это силикат натрия или калия.

Na₂O · 2SiO₂ + CO₂ → Na₂CO₃ + 2SiO₂

(продувка углекислым газом, реакция упрочнения).

Образуется SiO₂ цементирующий частицы песка. Смесь затвердевает за 5-15 минут. Преимущество: отсутствие токсичных выделений. Недостаток: большая гигроскопичность и плохая выбиваемость смеси.

2. Смеси горячего отверждения, используются в основном при производстве стержней.

Они содержат:

100% песка;

3-4% смолы;

и добавки-ускорители.

Смеси отверждаются за 1-2 минуты, при нагревании 250-280⁰ в горячих стержневых ящиках электричеством и газом. Преимущество: возможность максимальной автоматизации процесса в литейном производстве. Недостаток: возможность коробления стержней при их охлаждении.

3. Холодно-твердеющие смеси (ХТС). Готовят из кварцевого песка с

добавлением синтетических смол и отвердителей. Продолжительность 30-60 секунд (от момента укладки их в форму до извлечения из нее моделей). Окончательное отверждение происходит в течении нескольких часов.

В зависимости от свойств различают пластичные и сыпучие ХТС.

Формы и стержни имеют высокую прочность после отверждения, но при заливке расплава смола выгорает, прочность их резко падает, и они легко выбиваются. Преимущество: высокая точность и чистота поверхности отливок, что существенно снижает степень их последующей механической обработки. Недостатки: часть смол дорога и дефицитна; проблема регенерации отработанных формовочных смесей эффективна, не решена.

4. Жидко-твердеющие смеси (ЖТС). Разработанный в нашей стране, они нашли очень широкое применение. В отличие от др. способов, формы и стержни в данном случае изготавливаются не методом уплотнения, а путем заливки. Смесь затвердевает через 30-40 мин.

Основным наполнителем является кварцевый песок 95-97%, в качестве связующих используются жидкое стекло, феррохромовый шлам, портланд и цемент. Вводят также ускорители твердения. Для перевода смеси в жидкоподвижное состояние применяются преобразователи. Преимущества:

- исключают формовку;

- возможность организации поточных и механизированных линий;

- снижает трудоемкость;

- повышает качество изделий и производительность труда.

Недостаток: выделение при литье токсичных соединений от разложения смол, отвердителей и др. органических веществ.

После изготовления формы и стержней их подвергают сборке. Это важная технологическая операция, определяющая геометрическую правильность и точность размера отливки. Она начинается с извлечения из формовочных смесей модели, обычно разъемной. Мелкие и средние стержни ставят в форму вручную, крупные – при помощи крана. В форме они крепятся знаками.

Заливку форм в механизированных литейных цехах осуществляется из ковшей на конвейерах или рольгангах (роликовые транспортеры), через литниковую систему, непрерывая струи, иначе в отливках образуется специфические дефекты – спай. Воздух и выделяющиеся газы удаляются через выпар. Ковши имеют вместимость до 100т.