45. Технология литья в песчано-глинистые смеси.

Одним из основных видов литейной технологии является получение от-ливок в песчано-глинистых смесях (или как говорят «по земле»). Это один из старейших процессов получения изделий литьем, поэтому ему присущи те же недостатки, что и были в прошлое время. Однако от этого процесса до сих пор нельзя отказаться, и он, наряду с новыми технологиями, широко исполь-зуется, в частности, и для получения художественного литья.

Технологическая схема стандартного процесса получения отливок ме-тодом литья в «землю» представлена на рис. 1. Согласно этой схеме, если ис-ключить подготовительные этапы перед собственно получением отливки, а именно: вопросы проектирования, конструирования и изготовления моделей, оснастки, стержневых ящиков, то для получения отливок одним из важней-ших этапов является приготовление формовочных материалов и собственно их формовка, т.е. получение отпечатка модели изделия.

Формовочные смеси.

Для получения качественных отливок в песчаных формах большое зна-чение имеют формовочные смеси - т.е. материал, из которого делают форму и в которую затем заливают металл для получения отливки. Качество формо-вочных смесей зависит от качества исходных материалов. Формовочная сме-сь, как правило, состоит из трех компонентов: наполнителя, связующего и специальных добавок.

Разработка технической документации

Изготовление форм, стержней. Сборка форм.

Разработка чертежей отливок

Разработка чертежей

стержневых ящиков

Проектирование литейной оснастки

Изготовление моделей и оснастки, стержневых ящиков

Приготовление формовочных и стержневых смесей

Заливка форм металлом, затвердевание металла, охлаждение форм.

Выбивка отливок из форм, удаление прибылей, очистка поверхности и исправление поверхностных дефектов отливки

Контроль качества отливок (ОТК)

Исправление вновь обнаруженных дефектов

Рис. 1. Схема технологического процесса получения отливок в формах

из песчано - глинистых смесей.

Наполнители – основные по объему компоненты формовочной смеси, обладающие относительно высокой огнеупорностью, термической стой-костью, инертностью к расплавленному металлу, механической прочностью, низким коэффициентом термического расширения, однородным зерновым составом и минимальной стоимостью. На первых этапах развития литейного производства в качестве наполнителей применялись кварцевые пески и пыле-видный кварц (маршалит). В связи с ростом требований к качеству отливок стали использовать и другие природные, а также искусственные материалы.

Связующие материалы являются компонентами, которые скрепляют наполнитель, не давая ему рассыпаться. Основными характеристиками связу-ющих являются прочность на сжатие смеси связующего с наполнителем в отвержденном состоянии, температура начала деструкции и количество вы-деляющихся при этом газов, т.е. газотворность. В литейном производстве в качестве связующих используется большое количество материалов - прежде всего, огнеупорная глина, а также портландцемент, жидкое стекло, синтети-ческие смолы; а при изготовления стержней – жидкое стекло с порошкооб-разными и жидкими отвердителями, фенолфурановые, фенолформальдеги-дные, карбамидно-фурановые, а также фосфатные связующие.

Добавки – компоненты, которые служат для регулирования технических свойств смесей. Добавки к наполнителям используют обычно в виде тонкодисперсных материалов (порошков), увеличивающих плотность смеси. Они повышают прочность смеси за счет активации системы «наполнитель – связующее», препятствуют проникновению металла в форму как порозаполнители. Добавки к связующему бывают нескольких типов: отвердители, пенообразователи (поверхностно-активные вещества – ПАВ) и модификаторы.

В разрыхленном состоянии смесь, выпущенная из смесителя, имеет очень малую прочность, поэтому ее необходимо уплотнить для увеличения ее прочности. Для уплотнения смеси применяют различные способы: уплот-нение трамбовками, прессование, вибропрессование, встряхивание, вдувание и выстреливание смеси (пескодувный и пескострельный способы), метание порций смеси (пескометный способ), вакуумирование форм и др. В процессе уплотнения смеси изменяется ее структура и возрастает плотность.

Общее положение состоит в том, что в большинстве случаев качествен-ные отливки получаются при относительной плотности смеси 85-90 % от максимально возможной для данного состава.

Далее возникает вопрос выбора состава формовочной смеси, так как она может быть как высококачественной, так и не очень. На практике выбор состава смеси обусловлен ее назначением. Наиболее распространены песча-но-глинистые смеси, которые подразделяют следующим образом:

а) по применению при формовке на облицовочные, наполнительные и единые;

б) по роду заливаемого металла: для чугуна, стали и цветных металлов.

Облицовочной называют формовочную смесь повышенного качества, из которой выполняют рабочую поверхность формы толщиной от 10 до 40 мм, которая соприкасается с расплавом. Эта смесь должна иметь высокую пластичность, газопроницаемость, прочность и огнеупорность. Она содержит 50 – 90% свежих формовочных материалов, а остальное – регенерированную (т.е. уже использованную ранее) оборотную смесь.

Наполнительной называют формовочную смесь более низкого качест-ва, которая используется для заполнения объема формы, оставшегося после нанесения облицовочного слоя. В ее состав входит 95 – 98% оборотной реге-нерированной смеси и только 5 – 2% свежих формовочных материалов.

Единая формовочная смесь занимает по качеству промежуточное поло-жение. Она применяется при машинном производстве мелких форм, предназ-наченных для тонкостенных отливок. В ее состав входит 85 – 95% оборотной регенерированной смеси и 15 – 5% свежих формовочных материалов. В сос-тав облицовочных и единых смесей, кроме глины, часто вводят противопри-гарные добавки.

Формовка.

Согласно технологии получения отливок следующим этапом является изготовление форм, стержней и их сборка. Эта операция, называемая «фор-мовкой», самая сложная и трудоемкая в схеме изготовления отливки. На нее приходится от 30% до 60% общей трудоемкости изготовления отливок. Фор-

мовка бывает следующих видов: ручная по моделям в почве и в опоках, шаб-лонная формовка, машинная формовка.

Согласно ГОСТ 18169-86, литейная форма есть «система элементов, образующих рабочую полость, при заливке которой расплавленным метал-лом формируется отливка». Элементы, образующие рабочую полость, изго-тавливают по отдельности, и при сборке они составляют единую литейную форму. Ниже приведены элементы формы:

1. Основные части формы образуют те поверхности рабочей полости, которые оформляют внешние поверхности отливки. Внешние боковые поверхности частей формы образуются опокой (см. далее). Если формовка производится в двух опоках, то при заливке их называют верхней и нижней полуформами. Поверхность соприкосновения двух полуформ называют линией разъема (иногда ладом).

2. Литейные стержни образуют те поверхности рабочей полости, которые оформляют преимущественно внутренние поверхности отливки, создавая в них полости и углубления. Сборочные операции со стержнями выполняются с помощью знаков. Знаки представляют собой выступы на стержнях, вставляемые при сборке в соответствующие углубления форм.

3. Холодильники – специальные приспособления в опоке, создающие условия для ускоренного охлаждения отдельных частей отливки.

Для образования внешних поверхностей литейной формы служит моде-льно-опочная оснастка. Опоки представляют собой ящики без дна и крышки, в которые помещается формовочная смесь и изготовляется верхняя и нижняя полуформы. Они имеют приспособления для транспортировки и сборки по-луформ. Модели служат для получения рабочих поверхностей полостей форм, а стержневые ящики – для получения стержней. Стержневые ящики имеют вид сосудов, в которых стержневая смесь приобретает заданную кон-фигурацию и размеры. Процесс изготовления литейных форм и стержней (с помощью модельно-опочной оснастки) из формовочных и стержневых смесей называют формовкой.

Формовка по цельной модели в двух опоках.

Для иллюстрации процесса формовки приведем описание ее по цель-

ной модели в двух опоках (рис. 2). Модель кладут гладкой поверхностью на подмодельную плиту (рис. 2 г). Затем на нее ставят опоку (впоследствии она станет нижней), через сито насеивают слой облицовочной смеси, после чего в несколько приемов слоями толщиной до 50-70 мм засыпают наполнительную смесь и утрамбовывают ее. Излишек смеси сверху опоки срезают линейкой и делают душником наколы 1, не доходящие до модели на 10-15 мм (рис. 2 д). Набитую нижнюю опоку переворачивают на 180⁰, плоскость разъема опок заглаживают гладилкой, посыпают разделительным песком и модель накрывают верхней опокой. После этого в верхней опоке размещают модели стояка и выпоров с таким расчетом, чтобы они были достаточно удалены от стенок и крестовин опоки (рис.2 е). После уплотнения смеси в верхней опоке и извлечения из формы модели стояка и выпоров опоку поднимают и кладут на ребро или поворачивают на 180⁰. Затем из нижней опоки удаляют модель, а форму исправляют, обдувают и припыливают и при необходимости ставят стержни. Затем верхнюю опоку по штырям осторожно устанавливают на нижнюю (рис. 2 ж). Точное центрирование при спаривании опок производится с помощью контрольных штырей, вставляемых в отверстия центрирующих ушек. Во избежание прорыва металла через плоскость разъема во время заливки опоки скрепляются металлическими скобами.

Рис. 2. Формовка в двух опоках по цельной модели:

а – отливка; б – модель; в – стержень; г, д, е, ж– операции формовки.

Модельный комплект и его составляющие.

Модельным комплектом называется совокупность оснастки и приспо-соблений, предназначенных для получения отливки. Модельный комплект состоит из модели отливки, моделей элементов литниковой системы, одного или нескольких стержневых ящиков, подмодельных плит и т.д. Основной ос-насткой для получения отливки в песчано-глинистой форме является модель отливки и стержневой ящик.

Модель отливки. Модель – приспособление, при помощи которого в литей-ной форме воспроизводят наружный контур будущей отливки, каналы эле-ментов литниковой системы и знаки для крепления стержней. По наружной конфигурации модель является копией отливки и отличается от последней несколько увеличенными размерами, учитывающими усадку сплава и другие особенности процесса.

По способу получения литейных форм различают модели для машин-ной и ручной формовки. По материалу модели подразделяются на деревянные, металлические, гипсовые, цементные, пластиковые и комбинированные. По конструкции модели бывают разъемные, неразъемные, с отъемными частями и специальные (скелетные, шаблонные).

Из-за усадки отливки при затвердевании линейные размеры моделей увеличивают: при производстве отливок из серого чугуна на 1%, ковкого чугуна и стали на 2%, цветных сплавов от 1% до 2%. Для облегчения выполнения операции протяжки (извлечение модели из формы, а стержня из стержневого ящика) на их вертикальных стенках предусматривают формовочные уклоны с углами от 0,5 до 5⁰.

Изготовление стержней. Стержневой ящик.

При получении многих отливок внутренние полости оформляются так называемыми стержнями, которые не дают возможности металлу заполнить место занимаемое стержнем. По форме стержень должен соответствовать форме внутренней полости в отливке.

Технология изготовления стержней во многом аналогична изготовлению форм. Однако она имеет и особенности, обусловленные более высокими требованиями, предъявляемыми к их прочности, огнеупорности, газопроницаемости, выбиваемости из отливки. Удовлетворение этих требований обеспечивается прежде всего применением специальных стержневых смесей, тепловой сушкой, армированием, устройством вентиляционных каналов. Изготовление стержней осуществляется вручную или на специальных стержневых машинах из стержневых смесей.

Литниковая система. Следующим важным моментом является вопрос о том, как расплавленный металл попадает в форму, где и образуется отливка. Для этого служит литниковая система. Для ее описания еще раз рассмотрим литейную форму и ее важнейший элемент – литниковую систему ( рис. 3).

Литейная форма состоит из верхней и нижней полуформ, которые изго-тавливаются в опоках 1 – приспособлениях для удержания формовочной смеси. Полуформы ориентируют с помощью штырей 7. Для образования полостей отверстий или иных сложных контуров в формы устанавливают литейные стержни 8, которые фиксируют посредством выступов, входящих в соответствующие впадины формы (знаки). Литейную форму заливают расплавленным металлом через литниковую систему.

Литниковая система – совокупность каналов и резервуаров, по которым расплав поступает из разливочного ковша в полость формы. Основными эле-ментами литниковой системы являются: литниковая чаша 3, которая служит для приема расплавленного металла и подачи его в форму; стояк 2 – вертика-льный или наклонный канал для подачи металла из литниковой чаши в рабо-чую полость или к другим элементам; шлакоуловитель 5, с помощью кото-рого удерживается шлак и другие неметаллические примеси; питатель 6 – один или несколько, через которые расплавленный металл непосредственно подводится в полость литейной формы. Для вывода газов, контроля заполне-ния формы расплавленным металлом и питания отливки при ее затвердева-нии служат прибыли или выпор 4. Для вывода газов предназначены и венти-ляционные каналы 11.

Рис. 3. Эскиз формы в сборе: 1 – опоки; 2 – стояк; 3 – литниковая чаша; 4 – выпор; 5 – шлакоуловитель; 6 – питатель; 7 – штырь; 8 – стержень; 9 – полость формы; 10 – формовочная смесь; 11 – вентиляционные каналы.

Модельные плиты формируют разъем литейной формы, на них закрепляют

части модели. Их используют для изготовления как опочных, так и безопоч-

ных полуформ. Для машинной формовки применяют координатные модель-ные плиты и плиты со сменными вкладышами (металлическая рамка плюс металлические или деревянные вкладыши).

Приготовление расплава. Сборка и заливка литейной формы. Охлаждение, выбивка и очистка отливок. Приготовление литейных сплавов связано с плавлением различных материалов, осуществляемым в специальных печах.

Для плавления чугуна и стали, в качестве исходных материалов приме-няют литейные или передельные доменные чугуны, чугунный и стальной лом, отходы собственного производства, а также для понижения темпера-туры плавления и образования шлаков – флюсы (известняк).

Для плавления цветных металлов используют как первичные, полученные на металлургических заводах, так и вторичные, после переплавки цветного лома, металлы и сплавы, а также – флюсы (хлористые и фтористые соли). 

 Сборка литейной формы включает: установку нижней полуформы; установку стержней, устойчивое положение которых обеспечивается стержневыми знаками; контроль отклонения размеров основных полостей формы; установку верхней полуформы по центрирующим штырям.  Заливка форм расплавленным металлом осуществляется из ковшей чайникового, барабанного и других типов. Важное значение имеет температура расплавленного металла. Целесообразно назначать ее на 100…150 ⁰C выше температуры плавления: низкая температура увеличивает опасность незаполнения формы, захвата воздуха, ухудшения питания отливок. Заливку ведут непрерывно до полного заполнения литниковой чаши.  Охлаждение отливок до температуры выбивки длится от нескольких минут (для небольших тонкостенных отливок) до нескольких суток и недель (для крупных толстостенных отливок). Для сокращения продолжительности

охлаждения используют методы принудительного охлаждения:

а) обдувают воздухом;

б) при формовке укладывают змеевики, по которым пропускают воздух или воду.

Выбивка отливки – процесс удаления затвердевшей и охлажденной до определенной температуры отливки из литейной формы, при этом литейная форма разрушается. Ее осуществляют на специальных выбивных установках. Форма выталкивается из опоки выталкивателем на виброжелоб, по которому направляется на выбивную решетку, где отливки освобождаются от формовочной смеси. Выбивку стержней осуществляют вибрационно-пневматическими и гидравлическими устройствами.

Обрубка отливок – процесс удаления с отливки прибылей, литников, выпоров и заливов по месту сопряжения полуформ. Осуществляется пневматическими зубилами, ленточными и дисковыми пилами, при помощи газовой резки и на прессах. После обрубки отливки зачищают, удаляя мелкие заливы, остатки выпоров и литников. Выполняют зачистку маятниковыми и стационарными шлифовальными кругами, пневматическими зубилами. Очистка отливок – процесс удаления пригара, остатков формовочной и стержневой смесей с наружных и внутренних поверхностей отливок. Осуществляется в галтовочных барабанах периодического или непрерывного действия (для мелких отливок), в гидропескоструйных и дробеметных камерах, а также химической или электрохимической обработкой.