Тема 1.2. Литейное производство Сущность процесса получения отливок заключается в том, что расплавленный металл определенного состава заливается в литейную форму, внутренняя полость которой с максимальной степенью приближения воспроизводит конфигурацию и размеры будущей детали. В ходе дальнейшего охлаждения металл затвердевает, сохраняя приданную ему форму. Из всех известных способов формообразования (ковка, обработка резанием, сварка, порошковая металлургия и т. д.) литейная технология наиболее эффективна, так как позволяет получать изделия необходимой конфигурации непосредственно из расплава при сравнительно небольших затратах энергии, материалов и труда. Эффективность литейной технологии объясняется ее универсальностью, позволяющей получать изделия из сплавов практически любого состава массой от нескольких граммов до сотен тонн. В настоящее время объем выпуска фасонных отливок в мире превышает 70 млн т. Литье в разовые песчаные формы Литейная технология может быть реализована различными и весьма многообразными способами, но доминирующей пока остается технология получения отливок в разовой песчаной форме. Основой для разработки технологического процесса изготовления отливки (литой заготовки) служит чертеж детали. Технолог-конструктор выбирает разъем модели и формы исходя из конструктивных особенностей детали, затем определяет припуски на механическую обработку, учитывая специфику существующего на заводе технологического процесса производства отливок, после чего определяет литейные уклоны и рассчитывает литниковую систему. Таким образом получают чертеж отливки, который служит основой для разработки чертежей модели и стержневых ящиков, по которым изготавливается так называемый модельный комплект Общая схема последовательности операций по изготовлению отливки: На модельную плиту устанавливают модель и опоку, после чего слоями засыпают и уплотняют формовочную смесь. После завершения набивки опоку поворачивают, извлекают из нее модель и получают полуформу. Таким же образом изготавливают и вторую половинку формы. Стержневой ящик используют для получения стержня, образующего внутреннюю полость отливки. Как правило, после извлечения из стержневого ящика стержни подвергают сушке, а формы подаются на сборку сырыми. На следующем этапе форму собирают, для чего в нижнюю полуформу устанавливают стержень и закрывают верхней полуформой. Затем в зазор между стержнем и формой через литниковую систему заливают расплавленный металл, который плавят одновременно с изготовлением формы. Залитая форма выдерживается некоторое время, чтобы дать возможность металлу закристаллизоваться и охладиться до заданной температуры, после чего происходит выбивка отливки из формы. Затем из отливки выбивают стержень, обрубают литники и очищают отливки от пригоревшего к поверхности песка. Рисунок 12.2 Литейная форма ЛИТЬЕ ПО ВЫПЛОВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ При литье по выплавляемым моделям форма представляет собой неразъемную керамическую огнеупорную оболочку, которая формируется вокруг разовой неразъемной выплавляемой из оболочки модели. Используются точные неразъемные разовые модели, изготавливаемые из парафино-стеариновых смесей, жирных кислот, церезина, пластмасс и других легкоплавких веществ. По этим моделям с применением специальных формовочных смесей изготавливается неразъемная керамическая оболочковая форма. Затем модель удаляют их формы выплавлением, растворением или выжиганием. После этого форма прокаливается при высоких температурах и в нее заливается жидкий металл. Технология литья по выплавляемым моделям включает следующие операции: изготовление разовой модели и модели литниково-питающей системы; сборку моделей в единый блок; приготовление суспензии из связующего и пылевидного наполнителя; нанесение на блок моделей огнеупорного покрытия, выплавку модели из оболочки; упрочнение оболочки прокаливанием и ее засыпку песком; заливку в оболочку металла; отделение отливок от стояка и их очистку. Температура размягчения композиции выше 30 °С, температура плавления — около 50 °С. Литье в оболочковые формы При литье в оболочковые формы, полуформы и стержни изготавливают в виде оболочек толщиной 6...10 мм. В качестве связующего используются горячетвердеющие смолы с высокой удельной прочностью. Технология литья этим способом включает операции приготовления плакированной песчано-смоляной смеси, получения по модельной оснастке оболочковых полуформ, сборки форм и их заливки. В связи с тем что отвердение смеси происходит на модели, а для приготовления смеси используют мелкий песок, литье в оболочковые формы повышает точность отливок и снижает шероховатость их поверхности. Этим методом получают отливки массой до 300 кг, имеющие тонкие ребра (цилиндры мотоциклов) или повышенные требования по размерной точности (коленчатые валы). При этом в 9... 10 раз уменьшается расход формовочной смеси и облегчается ее регенерация термической обработкой. К недостаткам метода следует отнести высокую токсичность выделяющихся при горении смолы газов и возможность поверхностного насыщения углеродом отливок из низкоуглеродистых и нержавеющих сталей. Процесс изготовления полуформ, их сборка и заливка показаны на рис. 14.13. Разъемная модель 1 вместе с модельной плитой 2 нагреваются в печи до 200...250 °С и устанавливаются на поворотный бункер 3 со смесью песка и пульвербакелита 4. Затем бункер поворачивается на 180° и выдерживается в течение 15...25 с в таком положении. За это время прогревается слой смеси толщиной 6... 10 мм и после поворота бункера в исходное положение на модели остается слой песка 5, скрепленный расплавленной смолой. Модельную плиту вместе с моделью и полутвердой оболочкой помещают в печь, где она при температуре 300...350 °С необратимо затвердевает в течение 50...60 с. С помощью выталкивателей корочку снимают с модели, в нее устанавливают оболочковый или обычный стержень 6, скрепляют струбцинами или склеивают со второй оболочковой полуформой. Собранную форму устанавливают в опоки 7 и в зазор между формой и опокой засыпают песок или чугунную дробь 8. Применение опорного слоя позволяет увеличить жесткость формы, что особенно важно при изготовлении крупных отливок. Литье в кокиль Кокиль представляет собой металлическую литейную форму из чугуна, стали или, реже, цветных сплавов, в полость которой расплав подается под действием силы тяжести. В отличие от разовой песчано-глинистой формы металлическая используется многократно. Разъемный кокиль состоит из двух частей 1. По плоскости разъема в нем выфрезеровывают литниковые каналы 4 и вентиляционные канавки 2. Стержни 3, как правило, изготавливают из песчано-масляной или песчано-смоляной смесей. На наружной стороне кокилей могут отливаться ребра, увеличивающие теплоотдачу в атмосферу, или изготавливаются полости 5 для жидкостного охлаждения. Литниковая система вытряхных кокилей выполняется внутри центровых стержней или делается дождевой, для чего сверху на кокиль 8 устанавливают заливочную чашу 6, одновременно облегчающую центрирование стержня 7. Поворот кокиля с целью удаления отливки осуществляется механически или вручную. Ось поворота совпадает с осями опорных цапф 9. Производство отливок в кокилях имеет свои технологические особенности. Первой из них является окраска рабочей поверхности и литниковых каналов формы специальными красками, которые снижают перепад температур по сечению формы, предохраняют ее от термических ударов, размывающего действия струи заливаемого расплава и, следовательно, увеличивают срок ее службы. Вторая особенность технологического процесса заключается в том, что для создания идентичных условий затвердевания отливок в течение всей смены кокиль перед употреблением подогревают до определенной температуры. Третья особенность — неподатливость и негазопроницаемость формы, что требует увеличить уклоны на поверхностях отливки, перпендикулярных плоскости разъема формы, применять раннюю выбивку отливок и устанавливать венты или изготавливать каналы по разъему формы для удаления воздуха из карманов. Четвертая особенность - интенсивный теплообмен между затвердевающей отливкой и формой обеспечивает плотную мелкозернистуюструктуру в отливках, что во всех случаях желательно для цветных сплавов, но не всегда полезно для черных. Быстрое затвердевание стальных отливок затрудняет удаление газов, скапливающихся перед фронтом кристаллизации, что приводит к их захвату твердой коркой и образованию в ней поверхностной газовой пористости. Быстрое затвердевание чугунных отливок обусловливает «отбел» и аномальные формы графита в поверхностном слое. ЦЕНТРОБЕЖНОЕ ЛИТЬЕ При центробежном литье заполнение формы жидким металлом, его затвердевание и дальнейшее остывание до температуры удаления отливки из формы происходят в условиях воздействия центробежных сил. Эти силы возникают вследствие вращения формы вокруг вертикальной, горизонтальной или наклонной оси. При этом внутренняя поверхность отливки формируется без контакта с формой, и ее называют свободной поверхностью. При центробежном литье обычно используют металлические формы, которые предварительно подогревают до 250...350 °С, после чего на рабочую поверхность наносят огнеупорное покрытие. Применение покрытий повышает стойкость форм, снижает скорость охлаждения отливок, что весьма важно для борьбы с отбелом в чугунных отливках, и уменьшает вероятность образования спаев и трещин. В качестве покрытий используют краски или облицовки из сыпучих материалов. Центробежное литье обеспечивает получение плотных отливок с дисперсной структурой и облегчает выход на свободную поверхность шлаковых и газовых включений. В процессе остывания расплава в нем зарождаются и растут кристаллы твердой фазы. Так как плотность металла в твердом состоянии выше, чем в жидком, образовавшиеся кристаллы под действием центробежных сил перемещаются на внешнюю поверхность отливки, выжимая шлак и легкоплавкий ликват на внутреннюю поверхность. Перемешивание расплава препятствует направленному росту кристаллов, способствуя образованию мелкой плотной структуры в отливке. Вместе с тем центробежные силы оказывают и отрицательное влияние на формирование качественной отливки. Они приводят к химической неоднородности при производстве отливок из высоколегированных сплавов. В чугунных отливках наблюдается ликвация углерода, серы и фосфора и велика вероятность «отбела» в связи с тем, что центробежные силы препятствуют усадке отливки и образованию зазора между ней и формой, в результате чего теплоотвод от отливки ускоряется. Литье по газифицируемым моделям Литье по газифицируемым моделям по многим параметрам напоминает литье по выплавляемым моделям и характеризуется тем, что модель, изготовленную из вспенивающихся полимеров (полистирола), не извлекают перед заливкой металла из формы. Расплавленный металл заливается непосредственно на модель, выжигая (газифицируя) ее и высвобождая полость для отливки. В единичном и мелкосерийном производствах модели для крупных отливок изготавливают из плит и блоков пенополистирола, склеивая или сваривая их между собой. Модели перед формовкой покрывают слоем противопригарной краски толщиной около 0,2 мм. В качестве формовочной смеси можно кроме песка использовать сыпучий ферромагнитный порошок или чугунную дробь. В последнем случае уплотнение осуществляют при помощи электромагнитного поля, которое не снимают и во время заливки и кристаллизации металла отливки. Литниковую систему частично выполняют из полистирола (литники, питатели), а частично из керамических трубок (стояки). Подвод металла во всех случаях осуществляют сифонным методом, чтобы металл в полости формы поднимался снизу вверх, обеспечивая спокойное поступление расплава и постепенную газификацию модели. Схема технологического процесса получения отливок этим методом приведена на рис. 14.15. На первом этапе технологического процесса гранулы полистирола 1 (размером 0,2...4 мм) загружают на поддоны 2 и в закрытых емкостях 3 нагревают паром до температуры 80 °С. В результате нагрева размер гранул увеличивается до 1...15 мм. После сортировки подвспененные гранулы воздухом задувают в разъемные алюминиевые пресс-формы 4, которые устанавливают в автоклавы 5 и под давлением 0,2 МПа нагревают до температуры более 100 °С. В результате такой обработки полистирол вспенивается и спекается, образуя модели. Модели 6 извлекают из прессформы и после сушки и склеивания покрывают огнеупорной обмазкой, состоящей из этилсиликата и наполнителя — молотого кварцевого песка. Иногда на первый слой покрытия наносят второй, после чего приступают к формовке. Опоки 7 выполняют в виде двух стенок с зазором между ними. При этом внутренняя стенка имеет отверстия для выхода газов, образующихся при заливке формы. Формовку осуществляют засыпкой сухого песка 8, уплотнение которого достигается вибрацией опоки. Литье под давлением Давление на расплавленный металл при заполнении им металлической формы 1 может передаваться от поршня или за счет сжатого воздуха. В свою очередь, поршневые машины могут иметь горизонтальную 2 или вертикальную 7 камеру прессования. При работе на машинах с горизонтальной камерой прессования в начале цикла поршень 3 находится в крайнем правом положении и не препятствует заливке расплавленного металла в камеру 2. Металлическая форма 1 делается разъемной, она собирается перед началом прессования. Стержень также металлический. При перемещении поршня влево металл запрессовывается в полость 4. Давление снимается только после завершения затвердевания, после чего стержень извлекают и раскрывают форму. На машинах с горячей вертикальной камерой прессования в момент, когда прессующий поршень 6 находится в крайнем верхнем положении, камера прессования 7 соединяется с полостью обогреваемого тигля 5, что позволяет расплаву затекать в нее. При движении поршня вниз расплав под давлением через канал и мундштук 8 поступает в форму 1. После затвердевания металла в форме поршень перемещается вверх в исходное положение, а форма разбирается для извлечения отливки. Компрессорные машины работают на сжатом воздухе (см. рис. 14.5, г и д). Расплавленный металл находится в обогреваемом тигле 9, откуда он под постоянным или возрастающим (регулируемым) давлением через металлопровод 10 подается в разъемную металлическую форму. Низкие величины давления в начале процесса обеспечивают спокойное поступление расплава в пресс-форму, а рост давления в процессе затвердевания исключает образование усадочной пористости в отливках. Литье под давлением применяется для изготовления отливок из сплавов на основе алюминия, магния и цинка и лишь в отдельных случаях применяется для сплавов железа. Отливки, полученные литьем под давлением, отличаются высокой чистотой поверхности и точностью. Трудоемкость изготовления отливок снижается более чем в 10 раз, а объем их механической обработки — в 5...8 раз, но при этом трудоемкость изготовления самих форм возрастает в несколько раз. Срок службы форм составляет сотни тысяч заполнений для цинковых и магниевых сплавов и десятки тысяч для алюминиевых и медных. Литье в керамические формы Керамические формы могут быть отнесены к разряду полупостоянных, так как в отдельных случаях они выдерживают до 10 наливов. Это наблюдается в случае получения отливок простой конфигурации из алюминиевых сплавов и с невысокими требованиями по размерной точности. Для сложных отливок из черных сплавов эти формы являются разовыми. Технологический процесс производства отливок в керамические формы разбивается на следующие стадии: □ изготовление опорного слоя по промодели; □ приготовление суспензии; □ заливка суспензии в зазор между моделью и опорным слоем; □ отвердевание суспензии; □ извлечение модели из формы и ее обжиг. Применять керамические формы целесообразно для получения сложных точных отливок из труднообрабатываемых сталей и сплавов. Наибольшее распространение этот метод получил при изготовлении литой литейной оснастки и производстве штампов, а также в ювелирной промышленности. Масса отливок может быть различной — от десятков граммов до тонн. Схематически последовательность литья в керамические формы представлена на рис. 14.16. По чертежу отливки изготавливают модель и промодель, размеры которой несколько больше, чем размеры модели. Если опорный слой изготавливают из чугуна, то необходимость в промодели отпадает. Промодель 1 устанавливают на плиту и накрывают опокой 2. Затем в опоку засыпают смесь, состоящую из 60...70 % шамотной крошки, до 36 % песка, до 3,5 % вспученного перлита, до 8,5 % цемента и до 10%-ного раствора NaOH. Затвердевая, эта смесь образует опорный слой 3. Затем опоку снимают вместе с опорным слоем и устанавливают ее на модель 4. В зазор между моделью и опорным слоем заливают суспензию 5. После ее затвердевания модель удаляют из формы, которую прокаливают при температуре 800...900 °С. Суспензия состоит из гидролизованного раствора этилсиликата (40...50 % этилсиликата, 15...50 % спирта, 4...8 % подкисленной воды) и огнеупорного наполнителя (силлиманит, глинозем, мулит, циркон, кварц, полевой шпат, оксид магния). Ее тщательно перемешивают в быстровращающихся мешалках и после добавления катализатора (соляной кислоты, смеси оксида магния и аминов, диэтилметиламина, раствора ацетата аммония и др.), ускоряющего процесс гелеобразования, заливают в зазор между моделью и опорным слоем.
