SML / Лекция_3

49

высокими, толщиной 0,7 – 0,8 толщины стенки кокиля, сопрягая их галтелями с корпусом. Толщина стенки кокиля зависит от состава заливаемого сплава и его температуры, размеров и толщины стенки отливки, материала, из которого из-

готовляется кокиль, и его конструкции. Толщина стенки кокиля должна быть достаточной, чтобы обеспечить заданный режим охлаждения отливки, необхо-

димую жесткость кокиля и минимальное его коробление при нагреве отводи-

мой теплотой залитого расплава, а также стойкость против растрескивания.

Размеры и конструкция частей кокиля должны позволять размещать и за-

креплять его на плитах кокильной машины.

Стержни в кокилях могут быть песчаными и металлическими. Песчаные стержни для кокильных отливок должны обладать пониженной газотворностью и повышенной поверхностной прочностью. Первое требование обусловлено трудностями удаления газов из кокиля, второе – взаимодействием знаковых частей стержней с кокилем, в результате чего отдельные песчинки могут по-

пасть в полость кокиля и образовать засоры в отливке. Стержневые смеси и технологические процессы изготовления песчаных стержней могут быть раз-

личными – сплошные и оболочковые стержни из холоднотвердеющих смесей и т.д.

В любом случае использование песчаных стержней в кокилях вызывает необходимость организации дополнительной технологической линии для изго-

товления стержней в кокильном цехе. Однако, в конечном счете использование кокилей в комбинации с песчаными стержнями в большинстве случаев эконо-

мически оправдано.

Использование металлических стержней зависит от конструкции отливки и технологических свойств сплава. Их использование дает возможность повы-

сить скорость затвердевания отливки, сократить продолжительность цикла ее изготовления, в отдельных случаях повысить механические свойства и плот-

ность (герметичность) отливки. Однако при использовании металлических стержней возрастают напряжения в отливках, увеличивается опасность появле-

ния в них трещин из-за затруднения усадки.

50

Для надежного извлечения стержней из отливки они должны иметь ук-

лоны 1 – 5о, хорошие направляющие во избежание перекосов, а также быть на-

дежно зафиксированы в форме.

Во многих случаях металлические стержни делают водоохлаждаемыми изнутри. Водяное охлаждение стержня обычно включают после образования в отливке прочной корочки. При охлаждении размеры стержня сокращаются и между ним и отливкой образуется зазор, благодаря которому уменьшаются усилия при извлечении стержня из отливки.

Вентиляционная система должна обеспечивать направленное вытеснение воздуха из кокиля расплавом. Для выхода воздуха используют открытые вы-

поры, зазоры по плоскости разъема и между подвижными частями кокиля и специальные вентиляционные каналы. По плоскости разъема делают газоот-

водные каналы, направленные по возможности вверх. В местных углублениях формы при заполнении их расплавом могут образовываться воздушные мешки.

В этих местах в стенке кокиля устанавливают вентиляционные пробки. При выборе места установки вентиляционных пробок необходимо учитывать по-

следовательность заполнения формы расплавом.

Центрирующие элементы – контрольные штыри и втулки – предназначе-

ны для точной фиксации половин кокиля при его сборке. Обычно их количест-

во не превышает двух и располагают их в диагонально противоположных углах кокиля.

Закрытие и запирание кокилей, устанавливаемых на машинах, осуществ-

ляется пневматическим или гидравлическим приводом подвижной плиты ма-

шины.

Системы нагрева и охлаждения кокиля предназначены для поддержания заданного температурного режима процесса. Применяют электрический и газо-

вый обогрев. Первый используется для общего нагрева кокиля, второй более удобен для общего и местного нагрева.

Материалы для кокилей. В процессе эксплуатации в кокиле возникают значительные термические напряжения как результат чередующихся резких на-

51

гревов при заливке, а также при затвердевании отливки и охлаждений при рас-

крытии кокиля и извлечении отливки, нанесении на рабочую поверхность ог-

неупорного покрытия. Кроме знакопеременных термических напряжений под действием переменных температур в материале кокиля могут протекать струк-

турные изменения и химические процессы. Поэтому материалы, предназначен-

ные для изготовления кокиля, особенно его частей, непосредственно соприка-

сающихся с расплавом, должны хорошо противостоять термической усталости,

иметь высокие механические свойства и претерпевать минимальные структур-

ные превращения при температурах эксплуатации, обладать повышенной рос-

тоустойчивостью и окалиностойкостью, характеризоваться минимальной диф-

фузией отдельных элементов при циклическом воздействии температур, хоро-

шо обрабатываться, быть недефицитными и недорогими.

Производственный опыт показывает, что для изготовления рабочих сте-

нок кокилей пригодны следующие материалы, в достаточно полной мере соот-

ветствующие указанным требованиям:

• чугуны СЧ20, СЧ25 и др. – кокили для мелких и средних отливок из алю-

миниевых, магниевых, медных сплавов, чугуна, а также кокили с воздушным и водовоздушным охлаждением;

• чугуны ВЧ40, ВЧ45 и др. – кокили для мелких, средних и крупных отливок из чугунов: серого, высокопрочного, ковкого, кокили с воздушным и водовоз-

душным охлаждением;

• стали 10, 20, Ст3, стали 15Л, 15ХМЛ и др. – кокили для мелких, средних,

крупных и особо крупных отливок из чугуна, стали, алюминиевых, магниевых,

медных сплавов;

• медь и ее сплавы, легированные стали и сплавы с особыми свойствами – вставки для интенсивного охлаждения отдельных частей отливок, тонкостен-

ные водоохлаждаемые кокили, массивные металлические стержни для отливок из разных сплавов;

• силумины АЛ9, АЛ11 и др. — водоохлаждаемые кокили с анодированной поверхностью для мелких отливок из алюминиевых и медных сплавов.

52

Наиболее широко для изготовления кокилей применяют серый и высоко-

прочный чугуны, так как эти материалы в достаточной мере удовлетворяют ос-

новным технологическим требованиям и сравнительно дешевы. Эти чугуны должны иметь феррито-перлитную структуру. Графит в серых чугунах должен иметь форму мелких изолированных включений. В этих чугунах не допускает-

ся присутствие свободного цементита, так как при нагревах кокиля произойдет распад цементита с изменением объема материала, в результате в кокиле воз-

никнут внутренние напряжения, способствующие короблению, образованию сетки разгара, снижению его стойкости. В состав чугунов для кокилей с целью повышения их стойкости вводят до 1 % никеля, меди, хрома, а содержание вредных примесей (серы и фосфора) в них должно быть минимальным. Напри-

мер, для изготовления кокилей с высокой теплонагруженностью рекомендуется серый чугун следующего химического состава, мас. %: 3,0 – 3,2 С, 1,3 –1,5 Si, 0,6 – 0,8 Мn, 0,7 – 0,9 Сu, 0,3 – 0,7 Ni, 0,08 – 0,1 Тi, не более 0,12 S, не более 0,1

Р.

Для изготовления кокилей широко используют также низкоуглеродистые стали марок 10, 20, а также стали, легированные хромом и молибденом, напри-

мер, сталь марки 15ХМЛ. Эти материалы обладают высокой пластичностью,

поэтому хорошо сопротивляются растрескиванию при эксплуатации.

Кокили для мелких отливок из алюминиевых сплавов иногда изготавли-

вают также из алюминиевых сплавов (АЛ9 и АЛ11). Такие кокили анодируют,

в результате чего на их рабочей поверхности образуется тугоплавкая износо-

стойкая пленка оксида алюминия толщиной до 0,4 мм, температура плавления которой составляет около 2000оС. Высокая теплопроводность стенок кокиля из алюминия способствует быстрому отводу теплоты от отливки. Эти кокили обычно делают водоохлаждаемыми.

Медь также часто используют для изготовления рабочих стенок водоох-

лаждаемых кокилей. Из меди делают отдельные вставки, вкладыши в местах,

где необходимо ускорить отвод тепла от отливки и тем самым управлять про-

цессом ее затвердевания.

54

(по толщине, длине и ширине). Это приводит к появлению неоднородного, из-

меняющегося с изменением температуры поля напряжений в стенке кокиля,

вызывающего ее упругие и пластические деформации. Для последних харак-

терны остаточные деформации и напряжения. Теоретически показано, что в по-

верхностном слое кокиля нереализованная термическая деформация обычно в 2

раза превосходит деформацию, соответствующую пределу текучести материа-

лов при определенной температуре. Поэтому в каждом цикле термического на-

гружения (заливка – удаление отливки) деформация сжатия сменяется дефор-

мацией растяжения, что приводит к термической усталости материала кокиля.

Термические напряжения возникают также вследствие структурных превраще-

ний и роста зерна материала кокиля, протекающих тем интенсивнее, чем выше температура его нагрева.

Способность кокиля выдерживать термические напряжения зависит от механических свойств его материала при рабочих температурах кокиля. Эти свойства резко снижаются при нагреве. Например, предел текучести стали 15

при нагреве до температуры 600оС уменьшается приблизительно в 3 раза.

Уровень возникающих в кокиле напряжений зависит также от конструк-

ции кокиля – толщины его стенки, конструкции ребер жесткости и т.д. Напри-

мер, тонкие ребра жесткости большой высоты приводят к появлению трещин на рабочей поверхности кокиля, а низкие ребра могут не обеспечить жесткость кокиля и привести к короблению.

Стойкость кокилей обеспечивается конструктивными, технологическими и эксплуатационными методами.

Конструктивные методы основаны на правильном выборе материалов для кокилей в зависимости от преобладающего вида разрушения, разработке ра-

циональной конструкции кокиля.

Термические напряжения, приводящие к снижению стойкости кокиля,

являются следствием нереализованной термической деформации: менее нагре-

тые части кокиля (слои рабочей стенки, прилегающие к внешней нерабочей по-

верхности, ребра жесткости) препятствуют расширению нагревающейся метал-

55

лом отливки части кокиля. Уменьшить напряжения можно, если термическая деформация нагретой части происходит беспрепятственно. Этого можно дос-

тичь, если расчленить рабочую стенку кокиля на отдельные элементы в про-

дольном или поперечном направлениях. Тогда вследствие зазоров между эле-

ментами кокиля каждый из них при нагреве расширяется свободно.

Для повышения стойкости кокилей используют сменные вставки, оформ-

ляющие рабочую полость кокиля. Благодаря зазорам между корпусом и встав-

кой, термическая деформация вставки протекает свободно, возникающие в ней напряжения снижаются, стойкость кокиля возрастает. Наиболее эффективно использование сменных вставок в многоместных кокилях.

Технологические методы направлены на повышение стойкости поверхно-

стного слоя рабочей полости, имеющего наибольшую температуру при работе кокиля. Для этого используют поверхностное легирование, алитирование, си-

лицирование, термическую обработку различных видов, наплавку, напыление на рабочую поверхность материалов, повышающих стойкость кокиля. Каждый из этих способов предназначен для повышения стойкости кокиля к разрушени-

ям определенного вида.

Эксплуатационные методы повышения стойкости кокилей предусматри-

вают строгую регламентацию его температурного режима, который зависит от необходимых температур кокиля перед первой его заливкой (Тф) и заливаемо-

го металла (Тзал), от состава, свойств и состояния огнеупорного покрытия на его рабочей поверхности, темпа работы кокиля (частоты его заливок).

Возможные варианты изменения температуры кокиля в момент заливки

(Tф' ) в зависимости от темпа его работы показаны на рисунке 3.3. Перед первой

заливкой кокиль нагревают или охлаждают до оптимальной для данного сплава и отливки температуры формы Тф. При повышении темпа работы кокиля со-

кращается продолжительность цикла (τ ц ) в основном за счет сокращения пе-

риода между операциями удаления отливки из кокиля и следующей заливки

56

57 (τ п). Это приводит к тому, что в момент заливки кокиль имеет температуру Tф'

несколько выше требуемой (рисунок 3.3, а). С увеличением температуры коки-

шаются напряжения в кокилях из упругопластических материалов. Вместе с тем повышение Tф' способствует интенсификации коррозии, структурных пре-

вращений и других процессов в материале кокиля, что снижает его стойкость.

При снижении темпа работы (рисунок 3.3, б) продолжительность цикла возрастает. Это приводит к тому, что перед очередной заливкой температура

увеличатся напряжения в кокиле, а стойкость его понизится. Производственные данные показывают, что для каждого кокиля существует свой оптимальный темп работы m, при котором его стойкость ( k зал ) наибольшая (рисунок 3.4).

Сведения о рекомендуемых температурах кокиля перед заливкой при производстве отливок из чугуна, стали и цветных сплавов представлены в таб-

лице 3.2.

На стойкость кокиля влияет также температура заливаемого металла

(Тзал). Превышение температуры металла сверх требуемой по технологии для данной отливки приведет к снижению стойкости кокиля. Одновременно может ухудшиться качество отливки – появятся усадочные раковины, рыхлоты, тре-

щины.

3.3 Технология литья в кокиль

Технологические режимы литья. Требуемое качество отливки достига-

ется при условии, что литейная форма заполнена расплавом без неспаев, газо-

58

Рисунок 3.4 – Зависимость стойкости кокиля k зал от темпа работы m