книги из ГПНТБ / Разумов, В. Н. Технология литейного производства учеб. пособие

с Т2пач, равной 400—450" С, нагревается от заливаемого металла до 800—ЭСХУ3С и тогда создаются условия для взаимодействия окислов железа, имеющихся на стенках кокиля и в расплаве, с углеродом формовочной краски и углеродом расплава. Реакция F e O + C = F e + C O при­ водит к появлению на отливках дефектов газового про­ исхождения. Таким образом, для металлических форм Т2нач можно выбирать в пределах от 60 до 400° С. Обес­ печить выбранную температуру металлической формы в этих пределах несложно, если применять современные методы подогрева холодных и охлаждения перегревших­ ся форм.

ТІаконец, можно влиять на режим заливки формы

—заливка сверху непосредственно из ковша в от­ крытую полость формы;

—заливка из ковша через литниковые системы раз­

личных типов;

—заливка в вакууме или наоборот в автоклаве под повышенным давлением;

—заливка в условиях специальной защиты распла­

ва от окисления;

— заливка с помощью автоматических заливочных устройств различного типа.

Заливка открытых литейных форм непосредственно из ковша применяется при изготовлении неответствен­ ных отливок при почвенной формовке на мягкой постели. Этим методом заливают каркасы для стержней, колосни­ ки, половые плиты простейшей конструкции и т. п. За­ ливку из ковша в открытую форму, особенно в открытый сверху кокиль, применяют и тогда, когда надо получить достаточно массивную отливку простой конфигурации очень плотной по всему сечению. Заливку в этом случае ведут очень медленно, иногда с перерывами, добиваясь максимального намораживания расплава на стенках фор­ мы еще в период заливки и добавляя расплав в открытые усадочные раковины после окончания заливки.

Заливка через литниковые системы наиболее рас­ пространена. Используют следующие основные типы лит­ никовых систем.

20

Дождевая литниковая система обеспечивает подачу расплава через достаточно большое число питателей тон­ кими струями сверху непосредственно на зеркало подни­ мающегося в полости формы металла. При такой залив­ ке не возникает опасности образования спаев и создают­ ся условия для послойного затвердевания металла снизу вверх, что помогает бороться с усадочными раковинами. В то же время при дождевой заливке возрастает опас­ ность разбрызгивания первых порций расплава и обра­ зования корольков, а также опасность поражения ме­ талла отливки обрывками окисных плен из-за непрерыв­ ного вихреобразования на зеркале расплава под падаю­ щими струями. По этим причинам дождевую заливку для сплавов, склонных к пленообразованию, рекомен­ дуют применять только тогда, когда высота отливки не­ велика и имеется возможность подавать расплав по наклонным стенкам формы или стержней. Однако эту ре­ комендацию нельзя распространять на все сплавы. Из­ вестно, что дождевую литниковую систему успешно при­ меняют при отливке чугунных барабанов вакуум-фильт­ ров, имеющих диаметр более 2000 мм и высоту около 2000 мм. Заливку свободно падающей сверху струей ус­ пешно применяют при получении стальных литых про­ катных валков, хотя форма такого валка имеет высоту более 3000 мм.

Сифонная литниковая система обеспечивает подачу расплава в полость формы снизу, поэтому почти сразу начинается истечение под затопленный уровень, что об­ легчает борьбу с вихреобразованием на зеркале распла­ ва. Этим устраняется опасность образования корольков, по осложняется борьба с усадочными раковинами и спая­ ми, т. к. сверху металл оказывается наиболее хо­ лодным.

необходимо подавать расплав в полость формы пооче­ редно через питатели, расположенные через каждые 300—500 мм по высоте отливки. При этом сохраняется принцип сифонного заполнения с наиболее плавным дви­ жением зеркала расплава вверх, и в то же время верхние слои периодически разбавляются более горячим свежим расплавом из дополнительных питателей. Очевидно, что для получения качественной отливки расстояние между

21

питателями по высоте, равное /і, надо рассчитывать, при­ меняя уравнение А. Ф. Спасского и А. А. Рыжикова.

В итоге можно сказать, что сифонная литниковая си­ стема в чистом виде может быть рекомендована для сплавов всех типов при сравнительно невысоких отлив­ ках, а при дополнении ее промежуточными по высоте питателями— для отливок любой высоты. По этой при­ чине последняя литниковая система наиболее распрост­ ранена при изготовлении крупных отливок.

Боковая литниковая система обеспечивает подачу расплава в полость формы по линии разъема опок. Ниж­ няя полуформа заполняется стекающим вниз расплавом, а верхняя полуформа заполняется, как при сифонной за­ ливке. Этот метод занимает промежуточное положение по своему влиянию на качество отливки. Он наиболее широко применяется при машинной формовке для отли­ вок малого и среднего развеса при сравнительно неболь­ шой высоте полуформ.

Вертикально-щелевая литниковая система построе­ на так, что расплав сначала стекает вниз по наклонному или зигзагообразному стояку, попадает в вертикальный коллектор, а затем через вертикальную щель — в полость формы. Расплав в коллекторе поднимается снизу вверх, поэтому и в полость формы металл натекает через щель так, что свежие порции горячего расплава больше всего попадают на зеркало металла. В результате литниковая система приобретает положительные свойства и сифон­ ной, и дождевой литниковых систем, но она очень дорога из-за большого расхода металла на коллекторы и слож­ ности изготовления. Поэтому и применяется главным об­ разом для отливок из алюминиевых сплавов, где борьба с окисными пленами и усадочными раковинами затруд­ нена и дополнительные расходы на литниковые системы оправдываются качеством получаемых отливок.

Комбинированные литниковые системы, в которых за счет сочетания элементов основных типов литниковых систем или за счет одновременного использования двух и более литниковых систем обеспечивается наиболее благоприятный режим заполнения полости формы рас­ плавом, применяются при изготовлении особо крупных или особо ответственных отливок.

Если получить качественные отливки только за счет регулирования метода подвода расплава в полость фор­

мы не удается, приходится прибегать к специальным ме­ рам. Среди этих мер в первую очередь следует отметить следующие.

Для предохранения расплава магниевого сплава от окисления и возгорания при соприкосновении с кисло­ родом атмосферы производят непрерывную присыпку струи расплава серным цветом.

Для высоколегированных сталей и алюминиевых сплавов рекомендуется заполнять полость формы перед заливкой инертным газом и пропускать расплав через специальный фильтр, расположенный в литниковой систе­ ме. В последнее время рекомендуется заливать, пропу­ ская расплав через жидкий флюс, очищающий металл от шлаковых частиц и отделяющий его зеркало от ат­ мосферы в полости формы. По мере заполнения полости формы расплавом флюс, как более легкий, вытесняется наверх и далее через выпор вытекает из формы. В неко­ торых случаях рекомендуется вести заливку через по­ рошкообразный флюс, например через слой криолита, легко расплавляющийся и частично-испаряющийся при соприкосновении с расплавом и потому хорошо защи­ щающим металл от атмосферного кислорода.

Для сплавов, способных при расплавлении и пере­ греве растворять большое количество газов, возможно образование газовых раковин в отливках, т. к. раство­

растворенных газов и, в частности, используют метод ва­ куумной плавки и разливки расплава по формам в ва­ кууме. Однако из-за интенсивного испарения, компонен­ тов сплава и сложного влияния вакуума на характер затвердевания и образующуюся структуру сплава поль­ зоваться этим методом следует с известной осторож­ ностью.

Более перспективным для борьбы с газовыми рако­ винами, образующимися в металле, можно считать пред­ ложенный А. А. Бочваром метод заливки сплавов под избыточным давлением в автоклаве. При повышении давления растворимость газов в металле повышается и потому в отливке не образуются газовые раковины если форму II ковш с расплавом поместить в автоклав, создать избыточное давление и заливать по обычному

23

режиму. Избыточное давление выбирается в зависимо­ сти от свойств сплава.

В заключение необходимо рассмотреть вопрос об ав­ томатизации процесса заливки.

При существующей степени механизации заливоч­ ных участков, когда на конвейере работает не более 2—3 заливщиков, а иногда и меньше, ожидать от автомати­ ческой заливки эффекта снижения затрат труда не при­ ходится. Наладка автомата и его обслуживание потре­ бует тех же 2—3 человек.

Улучшение условий труда заливщиков в настоящее время с успехом обеспечивается имеющимися заливоч­ ными машинами с дистанционным управлением, когда заливщик находится в кабине с кондиционированным воздухом за пультом управления и руководит заливкой, не находясь в непосредственной близости от ковша. По­ этому автоматическая заливка не имеет преимуществ и в этом случае.

Остается еще одна проблема — повышение качества отливок за счет соблюдения оптимального режима за­ ливки расплава в форму. Эту проблему без автоматиза­ ции процесса заливки решить, по-видимому, невозможно. Вспомним, что при анализе послойного заполнения фор­

переходе от одного слоя к другому. Точное соблюдение полученных графиков, очевидно, — наиболее оптималь­ ный вариант режима заливки. Никакой заливщик не в состоянии выполнить такую программированную выда­ чу расплава из ковша в форму. Это может выполнить только автомат. Вот почему автоматическая заливка расплава в форму — единственный способ улучшения ка­ чества отливок и снижения дефектов в отливках по вине некачественной заливки.

Принципы построения заливочных автоматов с про­ граммированным режимом выдачи расплава из ковша в форму разработаны Я- М . Рывкисом, их создание не представляет технических затруднений. Однако програм­ мированная автоматическая заливка еще не применяет­ ся, так как пока не накоплен опыт разработки программ заливки и не созданы такие конструкции литниковых си­ стем, которые хорошо работали бы в условиях пропус­

24

кания через них переменного во времени удельного количества расплава. Создаваемые же в наши дни авто­ маты для заливки обычно не предусматривают програм­ мированной выдачи расплава из ковша в форму и пото­ му не решают основной задачи автоматизации этого про­ цесса.

РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ЛИТНИКОВЫХ СИСТЕМ

Заданный режим гравитационной заливки обеспечива­ ется соответствующими заливочными устройствами и литниковыми системами литейных форм.

Заливочные устройства представляют собой пово­ ротные или стопорные ковши. Иногда, чаще всего при заливке цветных сплавов, используются специальные до­ заторы.

Стопорные ковши наиболее часто применяются при разливке стали. В днище такого ковша устанавливается стопорный стаканчик, перекрываемый стопорной проб­ кой. После наполнения ковша сталью и выдержки ее для всплывания шлака и снижения температуры до Тзал сто­ порная пробка поднимается и расплав вытекает через отверстие стопорного стаканчика с удельным расходом, равным

Ят f V /'РІ K V 2 g H ,

Я— высота расплава в ковше при заливке данной детали.

Поворотные ковши применяются для разливки всех промышленных сплавов. Расплав течет через носок ков­ ша при повороте последнего, причем расход здесь может быть переменным и зависит только от скорости поворота ковша. Поворотные ковши обычно выполняют кониче­ скими или в виде горизонтально расположенных бараба­ нов. Носки ковшей делаются либо открытыми, либо Чай­ никовыми. Чайниковые ковши имеют перегородку, и ме­ талл к носку поэтому поступает снизу. Это несколько облегчает задачу удержания шлака в ковше. При откры­

25

том носке для задержки шлака в ковше приходится на зеркале расплава держать специальную счищалку, чаще всего сделанную из сухой обугленной доски.

Заливочные дозаторы выполняются обычно трех ти­ пов — стопорные, поворотные и с вытесняющим устрой­ ством. Хорошо зарекомендовал себя в работе стопорный дозатор в цехе автоматического изготовления поршней автомобильных двигателей на Ульяновском моторном за­ воде. Здесь алюминиевый сплав самотеком из печи по­ ступает в желоб дозатора. В желобе из специальных ма­ териалов изготовлено стопорное устройство, и когда поднимается стопорная игла, заполняется кокиль, под­ готовленный под заливку. Дозирование производится по времени открытия стопорного отверстия.

Дозаторы поворотного типа выполняют в виде мер­ ных ковшей, мерных разливочных ложек или в виде по­ воротных ковшей с весовым устройством. Мерные ковши наполняются из раздаточных ковшей до заданного уров­ ня и затем металл из мерного ковша переливается в ли­ тейную форму. Мерными ложками зачерпывают расплав из раздаточной печи п переливают его в литейную форму. Ковши с весовым устройством дозируют подачу распла­ ва в форму по массе вылитого из ковша металла.

Дозаторы с вытесняющим устройством представля­ ют собой раздаточную печь с вытесняющим устройством и заливочным желобом. Вытесняющим устройством ча­ сто служит поршень, который, опускаясь на заданную глубину, вытесняет из печи требуемую порцию расплава. В некоторых случаях расплав из печи на заливочный желоб вытесняют с помощью электромагнитных насосов, сжатым воздухом и другими способами.

Литниковые системы выполняют следующие функции:

— обеспечивают подачу заданного удельного коли­ чества расплава;

—не допускают попадания шлаковых частиц из ковша в полость формы;

—создают заданный режим истечения расплава в

полость формы с соблюдением нужного направления, места ввода и оптимальной скорости истечения.

В любом случае литниковые системы должны быть экономичными, т. е. затраты на изготовление моделей литниковых систем, их формовку, на отделение литни­

26

ков от отливок, а также расход металла на литники должны быть минимальными. Следует помнить, что эко­ номия на литниках достигает цели только тогда, когда сопровождается уменьшением дефектов на отливках. Поэтому в основу конструирования литниковых систем в первую очередь надо ставить задачу получения отли­ вок высокого качества.

В настоящее время уже достаточно четко определе­ ны правила конструирования отдельных элементов лит­ никовых систем. Поэтому прежде всего рассмотрим ос­ новные положения этих правил.

Первые элементы любой литниковой системы — во­ ронка или чаша. Их назначение в следующем: принять расплав из заливочного ковша и обеспечить плавный ввод его в последующий элемент литниковой системы, чаще всего в стояк. Кроме того, в заливочной чаше пре­ дусматривается улавливание шлаковых частиц, попав­ ших с расплавом из заливочного ковша.

Заливочные воронки при разливке металла из пово­ ротных ковшей могут обеспечить нормальную работу только тогда, когда носок ковша расположен от воронки не выше, чем па 50— 100 мм, и удельный расход распла­ ва qm не превышает 4,5—5,0 кг/с. Для более интенсивной заливки применяют заливочные чаши. При разливке ме­ талла из стопорных ковшей в любом случае применя­ ются заливочные воронки.

Для получения удовлетворительных результатов за­ ливочную воронку рекомендуется располагать вблизи от стенки опоки, чтобы можно было приблизить к ней но­ сок ковша, и выполнять воронку с соблюдением следую­ щего соотношения

А, — Нв -- (2,7 — 3,0) dB,

где D B— диаметр воронки по верхнему срезу;

dB— диаметр воронки по нижнему срезу, равный верхнему диаметру стояка;

Нв— высота воронки.

Вкокильном литье и при заливке особо тонкостенных изделий в песчаных формах часто используют ленточ­ ные или трапецевидные стояки или заливочную воронку непосредственно подсоединяют к вертикальному щеле­ вому питателю. В этих случаях воронки выполняют кли­

27

новидной формы, соблюдая примерно следующее соот­

срезу; /в— площадь сечения воронки по нижнему срезу.

При заливке из стопорных ковшей, чаще всего при сталь­ ном литье, воронку берут из шамотного огнеупорного разливочного припаса, выбирая выходной диаметр, рав­ ный диаметру стояка. Шамотную воронку обычно ставят в специальную опоку и закрепляют с помощью формо-

Рис. 9. Рекомендуемые конструкции заливочных во­ ронок

вочной смеси, чтобы во время заливки воронка не опро­ кидывалась. Рекомендуемые конструкции заливочных во­ ронок представлены на рис. 9.

Заливочные чаши применяются при разливке из по­ воротных ковшей для отливок из любого сплава. Наи­ более часто чаша соединяется с открытым стояком и вся литниковая система вступает в работу с момента подачи первых порций расплава из ковша. Однако для более от­ ветственных отливок чашу делают с пробкой или рас­ плавляемой пластиной. В таких чашах стояк отделен от полости чаши и сначала заполняется металлом вся ча­ ша, потом выдергивается пробка, и металл начинает по­ ступать в стояк и далее к полости формы. Если стояк отделен от чаши пластиной, то металл начинает посту­ пать из чаши в стояк только после ее расплавления. При дождевой литниковой системе упрощенной конструкции

28

чашу выполняют в виде открытого русла, подающего расплав к дождевым питателям, отведенным непосред­ ственно от чаши.

В каждом из перечисленных случаев чашу приходит­ ся конструировать с учетом ее особенностей. Так, напри­ мер, при заливке через чашу с открытым стояком основ­ ное внимание приходится уделять плавному вводу рас­

плава в стояк и удержанию шлака в чаше. Этого можно добиться при отсутствии вихреобразования в чаше и осо­ бенно в зоне входа в стояк. Рассчитать конструкцию без вихревых чаш пока невозможно, поэтому Б. В. Рабино­ вичем проведено широкое исследование различных чаш методом гидромоделирования. Наилучшая конструкция чаш по данным этих исследований показана на рис. 10.

Чаши с закрытыми стояками можно делать самой простой конструкции, т. к. истечение в стояк здесь осу­ ществляется уже после того, как вся чаша будет запол­ нена расплавом и значительная часть шлаковых частиц всплывет кверху. Такие же упрощенной конструкции ча­ ши применяются для очень крупных отливок, даже если заливка ведется с открытым стояком. По данным С. В. Руссияна чаши в этом случае лучше делать прямо­ угольными, соблюдая следующие соотношения сторон:

— при одном стояке

B;L:H = 1:1,6:0,7ив = | / — ;

V М2

29