Все о металле, его обработке и переработке
Партнеры
  • теодолит по низкой цене. подробнее на сайте T-ndt.Ru.

ЛИТЬЕ СТАЛИ

1. ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА И СВОЙСТВА СТАЛИ

Особенности литья стали в кокиль заключаются в ее более высоких (в сравнении с другими распространенными литейными сплавами) значениях температуры кристаллизации и величины усадки. С повышением температуры заливки металла резко интен­сифицируются все процессы, связанные со стойкостью кокиля (см. гл. V). Поэтому проблема стойкости кокилей при литье стали стоит чрезвычайно остро.

Согласно отечественному опыту и зарубежным данным [174], в настоящее время наиболее распространенным материалом для кокилей при литье стали остается серый чугун. Кокили из серого чугуна имеют стойкость, измеряемую десятками и в отдельных случаях несколькими сотнями заливок.

В связи с повышенной усадкой стали появляется большая опас­ность возникновения в отливках значительных остаточных напря­жений, горячих и холодных трещин. С этим же связана необхо­димость обеспечения условий четко выраженной направленности затвердевания. Эти особенности существенно ограничивают воз­можности литья стали в кокиль. Они же определяют область ра­ционального применения процесса. В кокилях целесообразно получать стальные детали наиболее простой конфигурации — с плавными наружными очертаниями и равностенные. Не слу­чайно поэтому, что в них чаще всего отливают стальные детали типа тел вращения. При такой конфигурации рабочей полости формы изготовление кокиля оказывается наиболее простым.

Таким образом, обеспечение технологичности стальных отли­вок является задачей первостепенной важности. Здесь уместно сослаться на рекомендации по проектированию литых конструк­ций, изложенные в параграфе I гл. VIII. Примеры нетехнологич­ных и технологичных конструкций стальных деталей предста­влены на рис. 117.

Пример переработки конструкции отливки описан в работе [90] по опыту освоения технологии литья заготовок для получения вагонных колес прокаткой. Литую заготовку (рис. 118, а) изго­товляли в кокиле, который заливали через прибыльную часть. В диске отливки из-за нарушения направленности затвердевания возникали усадочные раковины. Направленное затвердевание было достигнуто после применения песчаного стержня для форми­рования тонкого перехода от ступицы к диску. Однако при этом снижалась эффективность процесса, увеличивалась опасность повышения брака из-за засоров.

Задача была решена путем повышения технологичности от­ливки. Незначительные изменения конструкции заготовки

Рис. 117. Нетехиологичные (!) и технологичные (II) конструкции сту­пицы (а) и катка (б)

(рис. 118, б) ПОЗВОЛИЛИ разработать рациональ­ную технологию их литья в кокиль (рис. 118, в). По данным авторов работы [90], такая технология позволяет получить здо­ровые заготовки с равномерными свойствами стали во всех сече­ниях. Кроме того, свойства стали заготовок более высокие, чем свойства стали отрезных заготовок из слитков.

Отметим, что материалы настоящей главы относятся только к литью стали в кокили с тонкослойным покрытием. Технология литья в облицованные кокили рассмотрена в главе XVIII.

Свойства стали. Основные закономерности изменения струк­туры и свойств литой стали при увеличении скорости затвердева­ния рассмотрены в гл. III. Здесь же приведены примеры из прак­тики литья в кокили.

Рис. 119 дает представление о благоприятном влиянии кокилей на важнейшие механические свойства стали. Аналогичны резуль­таты исследований влияния кокилей и на свойства других сталей. Например, в стали 110Г13Л при переходе от литья в песчаные формы на литье в кокиль ударная вязкость и износостойкость по­вышаются на 20—50%, а аустенитное зерно заметно размельчается.

Ф87 7

Рис. И8. Старая (а) и новая (б) кон­струкции стальной заготовки для прокатки железнодорожных колес и кокиль в сборе (в):

1 — корпус кокиля; 2 — графито­вая вставка; 3 — самовсплывающая лнтннковая вставка; 4 — крышка; 5 — стержень прибыли

О значительном улучшении свойств стали 110Г13Л (повышении плотности отливок, размельчении дендритов в структуре, увели­чении ударной вязкости) в связи с ускорением затвердевания от­ливок указывается в работе [156]. |

Однако известны и другие данные. В. П. Ксенофонтов, напри­мер, исследовал одновременное влияние материала формы и тем­пературы заливки на структуру и свойства стали П0Г13Л [80] и установил, что кокиль обеспечивает получение более высоких значений ударной вязкости только в том случае, когда темпера — Тура заливки не превышает 1700 К (рис. 119, б). Износостойкость отливок, полученных в кокилях, оказывается более высокой при Гзал не выше 1720 К-

Залитая в кокиль сталь более восприимчива к модифицирова­нию, микролегированию и экономному легированию, чем сталь, Залитая в песчаные формы. В работе [139] описан опыт присадки титана и других элементов в Виде порошка непосредственно в лит­никовую чашу кокиля. Модифицированную титаном (0,074Ti) сталь ЗбЛ использовали для роликов конвейера разливочной Машины. Прочность стали увеличилась примерно на 15%, а изно­состойкость — почти в 3 раза.

2. ЛИТНИКОВО-ПИТАЮЩИЕ СИСТЕМЫ И ЗАЛИВКА

Г

Зоо

200

О W 20

JO L, mm

WSO 1120 ПВО К

А)

Рис. 119. Зависимость Ctb и ан стали 32X06 от расстояния I образца до стеики кокиля (а); аа и износа k стали 110Г13Л от материала формы и температуры заливки (б)-. сплошные линии — лнтье в кокиль, штриховые — литье в песчаную форму

Ам, мдж/м

К, г

Особенности Литейных свойств стали требуют иного, чем для Других сплавов, устройства литниково-питающих систем. Высокая температура заливки, большая усадка при затвердевании, низкая жидкотекучесть, повышенная склонность к трещинообразованию и другие свойства обусловили особые требования к устройству литниково-питающих систем кокилей стальных отливок. На основании этих требований предпочтение отдается следующим

3Q Sfu^

Рис. 120. Кокиль для ступицы:

T — крышка кокиля; 2 — корпус кокиля; 3 — ручки; 4 — стержень

Технологическим и конструктивным решениям: 1) выполнению полости прибылей только в песчаных вставках или в частях ко­киля с хорошей тепловой изоляцией; 2) заливке кокилей сверху, преимущественно через прибыли; 3) совмещению (для мелких деталей) прибыли и стояка литниковой системы; 4) исключению попадания струи жидкой стали на рабочие поверхности кокиля; 5) максимальному сокращению пути движения расплава до попа­дания его в литейную полость; 6) заливке возможно большего числа мелких литейных полостей через единую литниковую си­стему и др.

Примеры практической реализации первых двух решений по­казаны на рис. 120 [2] и 121 [111] соответственно. Если нет воз­можности выполнить литниковые каналы в песчаных вставках, металлические каналы должны быть хорошо защищены. С целью защиты кокилей в местах подвода металла может быть использо­вано покрытие, состоящее, % по массе, из 80—85 графитового порошка; 10—15 пека; 5—10 смолы.

Заливка сталью небольших кокилей связана с некоторыми труд­ностями и потерей жидкого металла. Использование в этом слу­чае стопорных ковшей неудобно (затруднена точная дозировка металла), а заливка из небольших чайниковых ковшей связана с потерей температуры жидкой стали. Тем не менее предпочти­тельней заливать такие кокили не из стопорных, а из чайниковых (с глубокими перегородками) ковшей.

Оправдало себя на практике использование наборных неболь­ших кокилей, расположенных на плите, перекрытых объединяю­щим стержнем, в котором выполняется общая литниковая система.

3. ПАРАМЕТРЫ ТЕХНОЛОГИИ

Ст.1

Рис. 121. Кокиль для стальных крановых колес

Многие параметры технологии (начальная температура кокиля, температура заливки, состав и толщина покрытия, продолжитель­ность охлаждения отливки в форме и др.) могут быть найдены рас­четным путем на основе расчетного аппарата, который приведен в первом разделе. В более сложных случаях (например, комбини­рованная форма — кокиль и песчаный стержень) следует обра­щаться к специальной литературе [5, 6, 16, 20, 21, 48, 49 и др. ]. Понятно, однако, что при выборе вариантов технологии необхо­димо отталкиваться от практического опыта.

Практика показывает, что при литье стали н чальная темпера­тура кокиля Tia не должна, как правило, превышать 520 К. При больших значениях Т.2а увеличивается опасность перегрева кокиля и, следовательно, понижается его стойкость. По этой же причине T33jl стали должна быть минимальной. Лишь одно условие — возможность возникновения недоливов и неспаев в отливках — служит оправданием заливки кокилей перегретой сталью. Опти­мальной для углеродистых сталей считается Тзал = 1720-^1770 К-

При производстве отливок в кокилях обработке стали в пла­вильной печи необходимо уделять особое внимание. Недопустимо использование стали с повышенной газонасыщенностью, загряз­ненной большим количеством неметаллических включений, зна­чительно снижающих жидкотекучесть и увеличивающих опасность возникновения неспаев, усадочно-газовых раковин и т. п.

Продолжительность пребывания стальной отливки в форме является важнейшим фактором стойкости кокиля. В связи с после­довательным затвердеванием стальных отливок создаются благо­приятные условия для их ранней выбивки. Температура выбивки для каждой отливки устанавливается опытным путем. Про­цесс литья стали в кокиль следует организовать так, чтобы период пребывания отливки в кокиле был минимальным.

При литье стали важнейшей задачей является выбор защит­ного покрытйя и поверхностного упрочнения кокилей. Все, что было сказано в первом и втором разделах и в части выбора рациональ­ных покрытий и поверхностных упрочнений, в первую очередь относится к кокилям для получения стальных деталей. Хорошо зарекомендовало себя покрытие кокилей следующего состава, % по массе: 30—40 огнеупорного наполнителя (карборунда, циркона, окиси хрома и др.); 5—9 жидкого стекла; 0,7—0,8 борной кислоты; остальное — вода (до плотности 1,1—1,22). Покрытие наносят в несколько слоев, причем последний слой краски лучше готовить из более мелких частиц наполнителя. Такое покрытие наносят один раз в смену. Требуется лишь изредка подправлять его рабо­чий слой.

4. ОСОБЫЕ СЛУЧАИ ЛИТЬЯ

Литье в кокиль дает наибольший эффект при изготовлении отли­вок особого вида и назначения. Но в каждом таком случае требу­ются необычные технологические решения. Ниже рассматриваются некоторые примеры таких решений. Часто литье в кокиль является единственно возможным способом достижения высокого каче­ства отливок ответственного назначения. К. таким отливкам отно­сятся штампы.

Большой вклад в развитие производства литых штампов (в том числе и литых в кокили) в нашей стране внес Б. А. Носков. Им была доказана целесообразность изготовления литых штампов с ручьями, разработана и осуществлена на практике технология литья штампов в кокилях.

Оригинальный процесс литья штампов со вставками показан на рис. 122. В разъемный кокиль 3 перед заливкой устанавливают на­гретую до 840—900 К вставку 4 из стали Р18, и литейную полость 2 заливают через прибыль надставки 1 сталью 5ХНВЛ при 1820 ± ± 10 К — Вставку 4 нагревают во избежание образования трещин в обойме штампа. Для устранения в стали Р18 остаточного аусте­нита отливку троекратно отпускают (820—870 К, нагрев 3 ч). Сталь 5XHBJ1 модифицируют 0,3% КМ, который вводят совме­стно с 0,1% Al и 0,3% ферротитана на струю расплава. Стойкость литого штампа, как указывается в работе [88], повысилась в 15— 20 раз в сравнении с напрессованным, стоимость снизилась в 1,5— 2 раза. Даже в случае низкой стойкости кокилей для изготовления подобных отливок расход на них всегда окупается.

К числу особых и интересных способов литья стали в кокиль можно отнести способ получения полых отливок с выплавляемым стержнем [63]. За последнее время все чаще появляются сведения об использовании таких стержней при литье в кокиль разных сплавов. В указанной работе приводится описание литья из стали 50Л полых цилиндров диаметром

Рис. 122. Схема литья штампов

Рис. 123. Схема литья стали в кокиль с ВЫ’ плавляемым стержнем

Рис. 124. Схема устройства многоместного кокиля для литья бил из стали 110Г13Л

В кокиль 1 вставляют выплавляемый металлический стержень 2 и форму заливают через дождевую литниковую систему, выполнен­ную в литниковой чаше 3. Дождевая заливка оказалась наиболее приемлемой: при сифонной и боковой заливке стержень распла­влялся преждевременно и его металл сплавлялся с металлом от­ливки. Применение выплавляемых стержней позволило довести выход годного до 78%, разгрузить в тепловом отношении кокиль 1, повысить его стойкость и получить следующие механические свой­ства стали после термической обработки: сгв = 735ч-918 МПа; (Тт = 382-^437МПа, = 17,4-н20,5%. Можно ожидать, что выпла­вляемые стержни позволят расширить область применения ко­килей для литья стальных деталей, так как уменьшится опасность образования в отливках трещин и усадочных рыхлот.

В работе [8] описана технология литья из стали 110Г13Л бил массой 8,5—12,5 кг молотковых мельниц для разлома угля. Применяемый при этом водоохлаждаемый кокиль изображен на рис. 124. Корпус 1 такого кокиля — сварной, из стали СтЗ, а поверхность отливки формируется сменными вставками 4 и стержнем 5. Литниковая система также выполнена в песчаном стер­жне 6. Корпус кокиля 1 охлаждается водой, проходящей по водя­ной коробке 3. Выталкиватели расположены в плите 2. Износо­стойкость бил, полученных в кокиле, повысилась на 30%.

Литье крупных стальных отливок представляет большие тех­нические трудности, так как связано с изготовлением массивных кокилей, которые сложно изготовить и механизировать. Между тем, как это показывает опыт, именно эти процессы позволяют получить наибольший эффект. Об этом свидетельствуют и примеры современных процессов литья крупных стальных деталей.

Крышка котла высокого давления, как указывается в работе [141], отливается в массивный литой кокиль из углеродистой (0,04—0,06% С) стали. Проведенными расчетами и постоянным наблюдением установлено, что наиболее напряженным местом ко­киля является пояс, формирующий вертикальную стенку крышки. Средняя стойкость кокилей, выявленная на основе их трехгодич­ной эксплуатации, составила 219 заливок. Хотя такая стойкость обеспечивает получение значительного эффекта по сравнению с литьем в песчаные формы, она может быть заметно повышена путем упрочнения поясной части кокиля, которая в дальнейшем была выполнена из блочно-игольчатых элементов.

5. ВИДЫ БРАКА И СПОСОБЫ ЕГО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ

В ряде случаев внедрению литья стали в кокиль препятствует повышенный брак отливок. К числу наиболее часто встречающихся видов брака стальных отливок относятся горячие и холодные тре­щины, недоливы, газовые и усадочные раковины, несоответствие размеров требованиям чертежа.

Основным средством предупреждения горячих трещин является повышение технологичности стальных отливок, приспособление их конструкции к условиям литья в кокиль. Соответствующие принципы рассмотрены в параграфе 1.

Не менее важной мерой предупреждения трещин является под­готовка расплава. Глубокое раскисление стали и ее модифициро­вание всегда оказывают благоприятное влияние. Дегазация стали также предупреждает образование трещин.

Центровые стержни особенно тонкостенных отливок с развитой поверхностью должны обладать хорошей податливостью, не со­держать жестких каркасов; изготовление таких стержней полыми — обязательная мера предупреждения трещин.

Предупредить трещины в торцах тонких стенок можно путем снижения скорости их затвердевания и устране­ния заливов. На рис. 125 приведены два вида устройства знака стержней. В первом случае (рис. 125, а) из-за быстрого затвердевания торца отливки

Рис. 125. Схема устройства знака стержня: а — обычное; 6 — предупреждающее трещины

А) и появления в нем заливов образование трещин было неизбежным. Небольшие изменения в устройстве знака (рис. 125, б) устранили эти недостатки, что благоприятно сказывалось на предупрежде­нии трещин.

Газовые раковины возникают из-за «закупоривания» воздуха в «глухих» местах кокилей, некачественной стали, газотворной способности краски и стержней, а также из-за перегрева кокилей. Первая причина газовых раковин устраняется соответствующей вентиляцией, а последняя — соблюдением теплового режима формы и периодической очисткой ее рабочих поверхностей. Что касается газовых раковин из-за газонасыщенности расплава, то они возникают редко: в кокилях дополнительное растворение газов (особенно водорода) не происходит.


ЛИТЬЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

1. ХАРАКТЕРИСТИКА СПЛАВОВ

Алюминиевые сплавы согласно ГОСТ 2685—75 разделяются по химическому составу на пять групп:

Группа I — сплавы на основе системы алюминий— кремний марок: АЛ2, АЛ4, АЛ4-1, АЛ9 АК7 (АЛ9В), АЛ34 (ВАЛ5), АК9 (АЛ4В). Их структура представляет собой а-твердый раствор кремния в алюминии и эвтектику, состоящую из а-твердого рас­твора и зерен кремния. Количество в структуре сплава эвтектики увеличивается с повышением содержания кремния и при 11,7% последнего состоит из эвтектики с температурой плавления

850 К-

Дальнейшее увеличение количества кремния в сплаве приво­дит к образованию первичных твердых его кристаллов. При нали­чии легирующих элементов последние растворяются в а-твердом растворе, упрочняя его, или образуют самостоятельные фазы (например, Mg2Si, Al3Ti и др.). Механические свойства алюминие — во-кремнистых сплавов можно улучшить путем легирования ми­кродобавками таких элементов, как В, Ti, Zr. Достоинствами сплавов этой группы являются хорошие литейные свойства и гер­метичность, а также сравнительно простая технология выплавки и литья. Недостатки их состоят в склонности к образованию круп­нозернистой грубой эвтектики в структуре и к повышению газо­насыщенности.

Группа II — сплавы на основе алюминий—кремний—медь. Их марки: АЛЗ, АЛ5, АЛ5-1, АЛ6, АЛ32, АК5М2 (АЛЗВ), АК7М2 (АЛ10В), АК4М4 (АЛ15В). Сплавы этой группы обладают более высокой прочностью и жаропрочностью, чем сплавы системы алю­миний—кремний, а их литейные свойства лучше, чем у сплавов системы алюминий—медь.

Группа III —• сплавы на основе системы алюминий—медь марок: АЛ7, АЛ19, АЛЗЗ (ВАЛ1). Структура этих сплавов состоит из а-твердого раствора меди в алюминии, химического соединения Al2Cu и эвтектики. Концентрация меди в твердом растворе изме­няется в зависимости от температуры. При температуре 821 К (548° С) в а-твердом растворе содержится 5,65% Cu, а при комнат­ной температуре всего 0,2%. Этим объясняется чувствительность сплавов к скорости затвердевания, а также повышение свойств после закалки с последующим старением. Легированный твердый раствор и наличие химических соединений в структуре обусло­вливают жаропрочность и повышенные прочностные характери­стики сплавов группы III.

Особенно высокой прочностью обладает сплав АЛ19, в состав которого входит марганец, образующий сложное соединение

Al2Mn2Cu, способствующее улучшению механических свойств, особенно при повышенных температурах.

Недостатки сплавов группы III: пониженная жидкотекучесть, увеличенная склонность к образованию горячих трещин, а также низкая герметичность.

Группа IV — сплавы на основе системы алюминий—магний, используются преимущественно с добавкой легирующих элемен­тов: Mn, Si, Ti, В, Zr. Сюда относятся сплавы марок АЛ8, AJl 13, АЛ22, АЛ28, АЛ23-1, АЛ27, АЛ27-1, АЛ28. Основой структуры этих сплавов является твердый раствор магния в алюминии, со­став которого изменяется с понижением температуры. При 708 К (435° С) он содержит 14% Mg, а при комнатной температуре — в 10 раз меньше (1,4%). Избыток магния образует хрупкую |3-фазу (Al3Mg2), количество которой увеличивается с уменьшением ско­рости охлаждения отливки. Специальные добавки или случайные примеси дают самостоятельные фазы (например, Mg2Si, Al6Mg4Cu, Al3Ni, Al3Fe и др.) или они могут входить в твердый раствор. Все это влияет на изменение свойств сплавов, при этом степень влияния зависит от дисперсности и характера этих фаз. Как правило, сплавы этой группы обладают высокой коррозионной стойкостью, хорошими механическими свойствами и малой плот­ностью. Кроме того, они хорошо обрабатываются резанием и по­лируются.

Группа V — сплавы на основе алюминия с другими элемен­тами (в том числе никеля, цинка, кремния, железа). Их марки: АЛ1, АЛ11, АЛ21, АД24, АЛ25, АЛЗО, АК21М2, 5Н2.5 (ВКЖЛС-1). Сюда же можно отнести используемые в настоящее время сплавы АЛ26, АЛ20, АЛ18В и др. Это преимущественно жаропрочные сплавы. Каждый из них отличается еще каким-либо специальным свойством в зависимости от того, для каких целей сплавы предназначены. Так, например, сплавы для поршней (АЛ25, АЛ26, АЛЗО) должны иметь повышенную износостойкость и малый коэффициент линейного расширения. Основными компо­нентами сплавов этой группы являются кремний или медь, от содержания которых в основном и зависят структура и свойства. Дополнительное легирование небольшими добавками ряда эле­ментов обеспечивает сплавам повышение жаропрочности за счет увеличения сопротивляемости пластическим деформациям. В ка­честве легирующего элемента используется и железо (сплавы АЛ18В и АЛ20), которое является вредной примесью для всех остальных сплавов на алюминиевой основе. Показатели литейных свойств алюминиевых сплавов колеблятся в довольно широких пределах и зависят от их состава. В табл. 30 представлены дан­ные о литейных свойствах основных сплавов.

Горячеломкость определяется по общепринятой кольцевой пробе С. И. Спек — тровой и Г- В. Лебедевой. Наружный диаметр пробы 107 мм, толщина 5 мм,

Таблица 30

№ груп­пы

Марка

Усадка, %

Ж идкотекучесть, мм, по пробе

Горяче — ломкость

Герме­тичность, кгс/см2

Линей­ная

Объемная

Прутко­вой

Спираль­ной

I

АЛ2

АЛ4

АЛ9

АЛ34

(ВАЛ5)

0,9 1,0 1,0 1,0

3,0—3,5 3,2—3,4 3,7—3,9

420 360 350 550

820 750 770

5 5 5 5

160 260 190 350

II

АЛЗ АЛ5 АЛ6 В124

1,15 1,10 1,10 1,10

4,0—4,2 4,5—4,9 4,8—5,0 3,2—3,4

240 344 300 350

700 750 650 800

12,5 7,5 10 7,5

140 160 230 350

III

АЛ7 АЛ19

1,40 1,25

6,5—6,8

163 205

280 410

3,5 32,5

50 70

IV

АЛ8 АЛ 13 АЛ22 АЛ27

1,3 1,2 1,2 1,2

4,8—5,0

280 320 380 270

600 500 650

22,5 12,5 15 12,5

60 118 130 60

V

АЛ1 АЛ21 АЛ 24 АЛ25

1,3 1,2 1,2 1,1

6,4—6,2

260 360 230 425

700

27,5 22,5 22,5 5

90 100 160

Внутренний диаметр колец изменяется от 7 до 97 мм, обеспечивая ширину кольца от 50 до 5 мм. Показателем горячеломкости является максимальная ширина кольца, при которой появляется первая трещина. Чем меньше эта ширина, тем меньше склонность сплава к образованию трещин. Для определения жидкоте — кучести используются стандартные прутковые или спиральные пробы, отлива­емые в песчано-глинистые формы.

Типичные литейные свойства основных алюминиевых сплавов (температура заливки 973 К)

Лучшие литейные свойства имеют сплавы типа силуминов и более низкими обладают сплавы III (алюминиево-медные) и IV (алюминиево-магниевые) групп. Величина действительной ли­тейной усадки сплавов зависит не только от их природы, но и от сложности и размеров отливки. На практике принято считать, что усадка в зависимости от сплава находится в следующих пре­делах: для мелких отливок 0,9—1,35, для средних — 0,7—1,2 и для крупных — 0,6—1,0%. Нижние пределы относятся к спла­вам на основе системы Al—Si, а верхние — к сплавам III и IV групп.

Характерной особенностью всех алюминиевых сплавов явля­ется повышенная опасность образования газовой и газоусадочной пористости. На поверхности алюминиевой отливки легко обра­зуется прочная и плотная пленка окисла, которая препятствует удалению газов, выделяющихся из металла при его охлаждении. Это и объясняет тот факт, что алюминиевые отливки легко пора­жаются газовой пористостью при сравнительно небольшом со­держании газов в металле. Так, даже при наличии в сплаве водо­рода в количестве 0,9—2,0 см3 на 100 г металла возникает опас­ность образования газовых раковин, в то время как в чугуне его содержание может достигать 4—5 см3, а в стали — до 10—12 см3 (без особой опасности образования газовых раковин).

Особенно легко поражаются газовыми раковинами отливки из сплавов, содержащих кремний. Разработка технологического про­цесса изготовления отливок из алюминиевых сплавов произво­дится с учетом всех его особенностей и недостатков. Большое влия­ние на структуру и качество сплава отливки оказывает скорость затвердевания и охлаждения.

2. ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ ОТЛИВОК

Увеличение скорости затвердевания обеспечивает измельчение структурных составляющих сплава — уменьшается зерно твердого раствора, увеличивается дисперсность эвтектики и вторичных фаз, образующихся при наличии специально введенных или случайных примесей. Некоторые неблагоприятно действующие соединения вообще не образуются или уменьшаются по количеству. Так, струк­тура силумина, залитого в кокиль, близка к структуре модифициро­ванного сплава; размеры кристаллов кремния значительно меньше, чем при литье в песчаные формы (см. гл. III). Известно также [123], что литье в кокиль резко повышает эффект модифицирования по сравнению с литьем в песчаные формы, а также нейтрализует вредное действие железа и других примесей. Поэтому допускается в сплавах для этого вида литья более высокое количество же­леза, чем при литье в песчаные формы. Измельчение структуры в результате более значительного переохлаждения сплава при кри­сталлизации в кокиле, а также увеличение при этом эффекта моди­фицирования приводит к улучшению его механических свойств. Результаты испытания сплава АЛ27-1, залитого в сухие песчаные формы и в кокили, наглядно показывают преимущества послед­него способа литья (при литье в сухую песчаную форму ов = = 26 кгс/мм2, б =5%; при литье в кокиль — ов =42 кгс/мм2, 6 = 31%).

С изменением скорости охлаждения от 15,6 до 83 град/мин. увеличивается предел прочности сплава АЛ19 с 38,2 до

Влияние скорости затвердевания отливок

41,5 кгс/мм2 и относительное удлинение с 7,3 до 16,0%. Такой же характер имеет изменение механических свойств при повышенных температурах (табл. 31).

Таблица 31

Влияние на механические свойства сплава AJI27-1 температуры и материала формы

Темпера­

Литье в песчаную форму

Литье в кокили

Тура ис­пытаний, 0C

Кгс/мм2

Б, %

V

Кгс•м/см2

CV

Кгс/ммг

6, %

Аи’ кгс • м/см2

20 150 200 300 400 500

23,9 17,9 16,9 8,9 3,6 1,1

3.8

2.9 3,7

10,8 24,2 3,6

2,3 2,1 1,7 1,1 0,2 0,2

36,8 32,6 21,1 10,3

4.7

1.8

16,4 37,2

15.7 49,0

100,8

16.8

5,6 5,6 4,3 2,5 0,3 0,2

Повышается прочность сплавов при термической усталости. Благоприятное влияние увеличение скорости охлаждения оказы­вает и на свойства сплавов при низких температурах. Улучшается герметичность, что особенно важно для сплавов, негерметичных по своей природе из-за большого интервала их кристаллизации (АЛ 19, АЛ27-1 и др.). Увеличение скорости охлаждения умень­шает опасность образования газовой и газоусадочной пористости в отливках.

Авторы работы [59] объясняют это следующим образом. Часть водорода, попавшего в алюминиевый расплав, образует CAl2O3 соединение Y-Al2O3-Н, а избыток растворяется в жидком металле. При затвердевании сплава указанное Соединение диссоциирует с выделением водорода. Степень диссоциации его зависит от скорости охлаждения и уменьшается с увеличением последней. При быстром охлаждении распад химического соединения T-Al3O3-H не произойдет и по­ристость будет образовываться только за счет выделения растворенного водо­рода, которое также затрудняется при увеличении скорости охлаждения.

Количество водорода, растворившегося в металле при литье в кокиль, меньше, чем при литье в песчаные формы. Например, если в 100 г сплава, залитого в кокиль, содержалось 1,6—1,8 см3 водорода, то в металле, залитом в песчаные формы, его содержа­ние достигает 2,3—3,5 см3. Таким образом, литье в кокиль обеспе­чивает получение более плотных отливок и, следовательно, с более высокими механическими свойствами сплава:

Балл пористости…………………………………….. 1 2 3 4 5

‘ ов, кгс/мм2 …………………………………… 26,6 26,2 25,0 20,0 15,0

6, % ………………………………………………………. 5,0 4,7 3,0 2,0 1,5

275

При литье в кокиль уменьшается не только газовая, но и газо­усадочная пористость.

Рассмотренные особенности формирования структуры и свойств отливок из алюминиевых сплавов вытекают из общих положений теории литья в кокиль, изложенных в первом разделе.

3. ЛИТНИКОВО-ПИТАЮЩИЕ СИСТЕМЫ

В связи с особыми свойствами алюминиевых сплавов (повышен­ная усадка, возможность окисления при заливке, склонность к образованию плен, газовой пористости и др.) возникает необхо­димость устройства особых литниково-питающих систем, которые подробно описаны Н. М. Галдиным [39]. Расчет литниковых си­стем и выбор их конструктивных размеров при литье в кокиль, как указывает Н. М. Галдин, осуществляют по тем же методикам, исходя из тех же рекомендаций, которые разработаны для литья в песчаные формы. Вместе с тем необходимо учитывать особенно­сти литья в кокиль, состоящие, прежде всего, в повышенной ско­рости охлаждения металла и газонепроницаемости формы, которые вызывают повышенную опасность образования газоусадочных и газовых раковин, недоливов, неспаев, загрязнений неметалличе­скими включениями.

При конструировании кокилей стремятся свести до минимума количество и площадь поверхностей разъема, что затрудняет, а часто делает невозможным применение разветвленной литнико­вой системы с использованием элементов, задерживающих шлако­вые включения и обеспечивающих ламинарность потока. Острые кромки каналов, выполненных в кокиле, способствуют образова­нию завихрений потока металла, в результате чего облегчается разрыв окисных плен и попадание их внутрь расплава. Все эти особенности и определяют выбор элементов и конструкции литни­ковой системы для литья в кокиль.

Неправильное устройство этих систем приводит к образованию многих видов брака: прежде всего газовых и усадочных раковин, трещин, шлаковых включений и плен. Наглядно это иллюстри­руется примерами, приведенными в работе [159] и тремя схемами

Рис. 126. Варианты литнико­вых систем поршня

(рис. 126) литниково-питающих систем в кокиле поршня. На пер­вый взгляд представляется, что каждая из них удовлетворяет общим принципам устройства литниково-питающих систем при литье в кокили деталей ответственного назначения. Однако их сравнительная проверка показала преимущество системы б.

Убедительным доказательством роли литниково-питающей си­стемы в получении качественных отливок и всей эффективности литья в кокиль может служить также сравнение двух процессов изготовления крыльчаток (рис. 127). По одной технологии (рис. 127, а) брак отливок доходил до 85—90%, в том числе и по недоливам —30—70%, несмотря на повышение температуры за­ливки сплава AJ19 до 1030—1060 К и увеличение скорости заливки [60 ]. По другой технологии (рис. 127, б) металл поступал в полость 1 спокойно: газы, выделяющиеся из стержня 2, им не захлестыва­лись. Изменения литниково-питающей системы свелись к следую­щему. Вместо высокого прямого стояка применен стояк 4 низкий змеевидный, на дне которого была проставлена фильтровальная сетка 5, а на питателе — бобышка 6 с выпором для гашения за­вихренного движения металла и удаления газов. Уменьшена и высота прибыли 5; прибыль закрыта надставкой 7. Несмотря на то, что температура заливки сплава была снижена до 990—1030 К, недоливы не имели места. В связи с заменой литниково-питающей системы кокиля крыльчаток брак отливок снизился до 10%, рас­ход жидкого металла сократился на 30—50%.

2 1

Рис. 127. Старое (а) и новое (б) устройство литниково-питающей системы в кокиле

Крыльчатки:

1 — литейная полость лопатки; 2 — стержень; 3 — прибыль; 4 — стояк; 5 — сетка; 6 — бобышка; 7 — надставка

S

Основные положения правильного устройства литниковых си­стем для кокилей состоят в том, чтобы обеспечить: направленное затвердевание отливки; поступление в полость формы спокойной струи металла; надежное улавливание плен и шлака, образовав­шихся в металле до поступления его в форму; предотвращение образования их уже в литейной полости; надежное питание тепло­вых узлов отливки.

Направленность затвердевания обеспечивается надлежащим расположением отливки в форме с размещением тонких стенок в нижней части кокиля, использованием искусственного охлажде­ния отдельных утолщенных частей отливки, применением заливки сверху с поворотом кокиля на разные углы. Специально разрабо­танная установка позволяет ускорить поворот формы и обес­печить повышение эффективности данного процесса (Н. М. Галдин, И. А. Релин, А. с. № 393025, 1973).

С целью более плавного поступления металла и очистки его от плен и шлака используют не прямые вертикальные стояки, а бо­лее сложной конфигурации — зигзагообразные, змеевидные, в виде «гусиной шейки», наклонные и др. —с подводом металла преиму­щественно в нижнюю часть отливки. Верхний подвод металла при­меняют только в случае малой высоты отливки (до 100 мм). Для подвода металла к полости формы рекомендуются щелевые верти­кальные питатели зачастую неодинакового сечения по высоте. Может быть использован сифонный, а при высоких отливках — многоярусный подвод металла. В любом случае применяют расши­ряющуюся литниковую систему, которая обеспечивает минималь­ную скорость струи металла на выходе из питателей в форму.

Заливка с поворотом формы дает возможность регулировать скорость потока в процессе литья. С этой же целью применяют специальные устройства, например, в стояке устанавливают кони­ческий стопор с приводом. В начале заливки он опущен вниз, что обеспечивает малый расход металла. По мере заполнения формы металлом стопор поднимается вверх и расход металла увеличи­вается (И. А. Релин, Н. М. Галдин, А. с. № 328981, 1972 г.). В слу­чае литья высоких отливок в стояке может быть установлен пор­шень на штоке, движущийся вниз, что приводит к гашению ско­рости потока и предупреждает вспенивание металла в зумпфе (Н. М. Галдин, А. с. № 346016, 1972 г.). Для плавного заполнения крупных массивных отливок простой конфигурации применяют литниковую систему, выполненную в самовсплывающем стержне (Н. М. Галдин, А. с. № 465260, 1975 г.).

Для улавливания шлака и плен в литниковых системах исполь­зуют фильтры и сетки. Надежным средством является применение фильтров из стеклоткани ССФ-4. Рекомендуется такие фильтры устанавливать в нижней части литниковой системы, чтобы они незначительно уменьшали напор и обеспечивали снижение тур­булентности потока. Фильтры преимущественно используют при литье тонкостенных отливок. Исследования [79] показали, что из 100 случаев брака в виде течи отливок из сплава АЛ9 при гидро­испытаниях 95 случаев приходилось на тонкие стенки из-за ско­пления там окисных плен. По этому виду дефекта браковались до 40% отливок с толщиной стенки 3—5 мм. После применения фильтров брак снизился до 4,5%.

Для крупных деталей иногда применяют металлические сетки, которые устанавливают между прибылью и вертикальным щелет вым питателем. Представляет интерес заливка формы через зали­вочную трубку, на конце которой жестко закреплен мешочный фильтр. Эту трубку вводят непосредственно в форму, в стояк либо через прибыль в зависимости от конфигурации отливки и опускают по возможности на дно формы. По мере наполнения формы металлом трубка поднимается, при этом расплав поступает в верхнюю часть отливки, а шлак удерживается в фильтре (В. И. Фундатор и др., А. с. № 347113, 1972 г.).

Для получения плотной отливки используют прибыли. Они могут располагаться непосредственно над питаемым узлом или на­ходиться между стояком и питателем. Такое расположение при­были чаще всего используют при щелевых и многоярусных лит­никовых системах. В верхней части прибыли делают канал, соеди­няющий ее с атмосферой.

4. ОСОБЕННОСТИ УСТРОЙСТВА КОКИЛЕЙ

Особенность устройства кокилей для алюминиевых сплавов обусловливается многими факторами: сравнительно низкой тем­пературой заливки расплава, преимущественно сложной конфи­гурацией отливок, их разностенностью, чувствительностью к на­рушению направленного затвердевания, высокой пластичностью сплава, чувствительностью жидкого сплава к воздействию формы и атмосферы и др. Алюминиевый расплав ввиду невысокой тем­пературы и образования окисной пленки оказывает менее интен­сивное тепловое воздействие на кокиль, чем сталь или чугун. Кокиль нагревается до более низких температур и более равномерно по сечению.

Для литья алюминиевых сплавов используют относительно толстостенные кокили; они имеют повышенный срок службы и в них легче получать тонкостенные отливки благодаря большой тепловой инерции. Строгие подходы к выбору толщины стенок кокилей изложены в гл. VIII. Укажем практические рекоменда­ции: при толщине стенки 5 мм толщина кокиля должна быть 20 мм для сплавов с пониженными литейными свойствами и 40 мм — для сплавов с хорошими литейными свойствами; при толщине отливки 20 мм —соответственно 40 и 80 мм. Практика работы подтверждает целесообразность изготовления толстостенных ко­килей. Имеют свои преимущества и тонкостенные кокили [175]. Для их изготовления требуется меньше металла, их легче подо­гревать перед заливкой, они иногда улучшают условия питания отливок, уменьшают вероятность образования в них трещин.

Следует отметить целесообразность использования алюминие­вых анодированных кокилей для изготовления отливок из алю­миниевых сплавов. Материалы, рекомендуемые для рабочих сте­нок таких форм, указаны в табл. 20. По другим данным для алю­миниевых кокилей следует применять теплостойкие и термически выносливые поршневые сплавы [164].

При получении в кокилях сложных и разностенных алюминие­вых отливок должны быть предусмотрены особые меры, предупре­ждающие нарушение направленного или равномерного затверде­вания. Для этой цели могут быть использованы различные спо­собы регулирования скорости затвердевания частей отливки. Их выбор диктуется необходимой степенью воздействия на условия теплообмена, особенностькГотливки и устройства кокиля. В ка­честве примера на рис. 128 приведена конструкция кокиля для литья детали топливного насоса [101]. По принятой схеме заливки формы в наиболее тяжелых условиях находятся стержни-вставки 3: они перегреваются и быстро выходят из строя; в отливке наруша­ется направленность затвердевания, образуются рыхлоты. В связи с этим введено автономное водяное охлаждение. Для лучшего контакта камеры 2 с кокилем 1 воздушный зазор между ними’устра — нен теплопроводной графитной набивкой. Водяное охлаждение работает в автоматическом режиме. Внедрение такого охлаждения позволило сократить цикл работы (съем с одного кокиля увели­чился с 80 до 200 отливок за смену), улучшить качество отливок,

Значительно повысить стой­кость кокилей, сократить на 1,3 кг расход металла на каж­дую отливку и получить об­щую экономию 10 тыс. руб. в год. Для регулирования те­пловых условий литья при­меняют также локальное охла­ждение кокиля [62].

О 200 Ш 600 МО 1000 Д В. 1,мм

Рис. 128. Эскиз кокиля с автономным охла — Рис. 129. Зависимость величины зазоров Д ждением: между подвижными частями кокиля от их

1 — кокиль; 2 — водоохлаждаемые каме — размеров (диаметра D, ширины В, длины г) ры; 3 — боковая вставка-стержень; 4 — Нижний стержень; 5 — трубка

Получение отливок из алюминиевых сплавов в отдельных слу­чаях целесообразно в кокилях с литыми рабочими полостями. Стоимость таких кокилей намного ниже стоимости кокилей, подвергаемых механической ^обработке. Применяя кокили без обработки, следует учитывать, что обычно отливки из алюминие­вых сплавов требуют большей точности и чистоты поверхности, чем отливки из черных сплавов. Поэтому необходимо заботиться о качестве изготовления заготовок для кокилей, применять особые способы их литья, обеспечивающие точность размеров и достаточно чистую литую поверхность. Точность изготовления кокилей определяется точностью отливок.

Труднее всего выбирать оптимальные зазоры между подвиж­ными частями формы. Авторами работы 138] изучался этот вопрос в течение нескольких лет, в результате чего предложены таблицы и график по выбору зазоров. На рис. 129 дана графическая зави — - сймость целесообразных зазоров (1 —максимальных, 2 —мини­мальных) между подвижными частями от размеров последних. Пределы этих зазоров (на графике—область заштрихована) обеспе­чивают нормальное сопряжение подвижных частей кокиля, исклю­чают их заклинивание и перекосы, а также не служат местами воз­никновения заливов металла. Многолетняя практика подтвердила правильность разработанных рекомендаций.

5. ПОДГОТОВКА КОКИЛЕЙ И ТЕМПЕРАТУРА ЗАЛИВКИ

Операции по подготовке кокилей включают подготовку песча­ных стержней (если они предусмотрены технологическим процес­сом), нанесение на кокили покрытий и обеспечение заданной на­чальной температуры формы.

Подготовка песчаных стержней заключается обычно в их тща­тельной отделке и сушке. Указывается, например, что эффектив­ным способом является прокаливание при 670 К в течение 5 мин [151].

Рецепты некоторых покрытий, опробованных на практике и давших хорошие результаты, приведены в табл. 32. Ряд составов покрытий разработан в НИИСЛе. Почти все покрытия следует на­носить на рабочие поверхности очищенных и подогретых кокилей. Лучше всего это делать перед длительным перерывом в работе, используя теплоту кокиля после выбивки последней отливки. Окрашивать холодный или перегретый (свыше 520 К) кокиль не­целесообразно, в последнем случае краска может вскипеть и не образовать сплошной пленки. Чаще всего различные элементы кокиля в зависимости от их назначения окрашивают различными красками. Толщина покрытия определяется необходимыми усло­виями охлаждения отлирки.

Покрытия для кокилей

Таблица 32

Номер по пор.

Состав краски

Темпера­тура ко­киля, 0C

Способ нанесения; применение

1

Высоковоспламеняющееся мас­ло — 500 г Керосин — 200 г Канифоль — 30 г Алюминиевый порошок —-Юг

60—200

Пульверизатором

2

Огнеупорный порошок (окись алюминия, хромитовая мука, гра­фит и Др.) — 30—60% Натриевый метаалюминат — 1— 18%

Вода — 30—60%

Суспензатор (камедь или полиса- харит) — 0,1—1,0%

100—250

»

3

Цинковые белила сухие — 15% Асбестовая пудра — 5% Жидкое стекло — 3% Вода — 77%

150—200

Для рабочих поверх­ностей

4

Асбестовый порошок — 8,7% Мел — 17,5% Жидкое стекло — 3,5% Вода — 70,3%

150—200

Для литников

5

Асбестовый лист — 100% Жидкое стекло (для склеивания)

20—50

Для облицовки при­быльной части кокиля

6

Тальк—30% Жидкое стекло — 16% Вода — 54%

250—300

Как первый слой по­крытия или для поверх­ностей, не соприкасаю­щихся с жидким метал­лом (например, пласти­ны в пакетах податли­вых элементов)

7

Цинковые сухие белила —¦ 15% Жидкое стекло — 2% Вода — 85%

Окунанием

Для заливочных при­способлений

8

Окись железа Fe2O3 — 25—30% Вода — (плотность 1,2-— 1,3 г/см3) — 75—70%

Сушка 170—200

Окунанием, покрытие пылевидным тальком

9

Отмученный мел — 5% Жидкое стекло — 5% Вода — 90%

Для тиглей и плавиль­ного инструмента

10

Графит — 17% Глина — 18% Жидкое стекло — 5% Вода — 60%

То же

Рис. 130. Зависимость свойств сплава AJI-19 от температуры заливки T при T = 100° С

Перед заливкой жидким металлом кокили подогревают до определенной температуры, чем также влияют на скорость охлаждения отливки. Так, при нагреве кокиля от 370 до 670 К скорость охлаждения центральной части слитка диаметром 70 мм из сплава АЛ 19 изменяется от 83 до 15,6 град/мин. Однако следует пом­нить, что повышение скорости за­твердевания способствует улучше­нию свойств сплава лишь до опре­деленного предела. Чрезмерное же ее увеличение может привести к макро — и микродефектам от­ливки (неспаи, недоливы, сосредоточенная усадочная пористость) и к снижению качества сплава. Поэтому заливка в холодный или слабо подогретый (менее, чем на 100 град.) кокиль не рекоменду­ется. В свою очередь, значительный нагрев кокиля (свыше 670 К) вызывает огрубление структуры, увеличивает опасность образования пористости и ухудшает служебные свойства металла.

Так же влияет и повышение температуры заливаемого металла.

На рис. 130 приведены данные изменения свойств сплава АЛ19 в зависимости от температуры заливки, из которых видно небла­гоприятное влияние повышения температуры заливаемого металла на свойства, во-первых, вследствие уменьшения скорости затвер­девания отливки, а во-вторых, вследствие большей газонасыщен­ности металла.

Каждый из рассмотренных факторов так либо иначе влияет на термические условия литья и, следовательно, определяет наиболее важные условия формирования отливки. Все они связаны между собой единым физическим механизмом. Поэтому выбор каждого из них должен проводиться с учетом влияния всех других. Воз­можности комплексного подхода определяются идеями и методами теории литья (см. первый разд.).

6. ПОДГОТОВКА МЕТАЛЛА И ЗАЛИВКА

Плавка алюминиевых сплавов может проводиться в различных плавильных агрегатах: в тигельных горнах, пламенных печах, электропечах сопротивления различных конструкций и в индук­ционных печах промышленной частоты. По качеству лучшим счи­тается металл, выплавленный в индукционных печах промышлен­ной частоты. Так, например, количество неметаллических вклю­чений в металле, выплавляемом в индукционной печи, составило

Рис. 131. Зависимость между содержанием водорода и окислов в жидком алюминии

0,09 мм2/см2, а в пламенных газо­вых печах — 0,26 мм2/см2. Содержа­ние водорода соответственно 0,11 и 0,47 см3/100 г.

В цехах массового производства и при литье мелких отливок целесо­образно кроме плавильных печей уста­навливать раздаточные печи, обслуживающие данный кокиль или группу кокилей.

Ведение плавки алюминиевых сплавов при литье в кокиль практически ничем не отличается от ведения плавки при других способах литья [86, 110]. Основное внимание должно быть обра­щено на предупреждение окисления и растворения газов в жидком металле. Окисление приводит к потерям легирующих элементов и основного металла, загрязнению расплава окислами алюминия. Последние не только дают плены и неметаллические включения, но и способствуют растворению водорода в расплаве. Существует прямая зависимость между содержанием окислов и количеством растворенного водорода в металле (рис. 131).

Алюминиевые сплавы, особенно на основе системы алюминий— кремний, нуждаются в модифицировании с целью измельчения структуры и повышения механических свойств. Правда, при ко­кильном литье, как уже было отмечено, измельчение структуры происходит из-за большой скорости затвердевания, однако неко­торые сплавы все же необходимо модифицировать, прежде всего заэвтектические силумины, применяющиеся в качестве поршне­вых сплавов.

В этих сплавах при увеличении скорости охлаждения, дости­гаемого снижением температуры кокиля, получить достаточно высокие механические свойства и хорошую структуру невозможно. Это можно достичь только путем модифицирования сплава [151].

В качестве модификатора используют фосфор в количестве 0,10—0,17%. Натрий, который является прекрасным модифика­тором для доэвтектических и эвтектических силуминов, совершенно не пригоден для модифицирования заэвтектических сплавов. Присутствие в заэвтектических силуминах ничтожно малых при­месей натрия, а также кальция резко снижает эффект модифици­рования фосфором, поэтому рекомендуется иметь в сплаве не более 0,001% Na и 0,004% Ca. Модифицирующее действие оказывает также ряд элементов,: ^образующих с алюминием тугоплавкие ин — терметаллиды (Mo, Ti я др.). У заэвтектических силуминов наи­более мелкозернистая структура достигается в случае введения в него одновременной),02%|Р, 0,02% Ti и 0,02% В.

7. ОСОБЫЕ СЛУЧАИ ЛИТЬЯ

Литье поршней. Поршни представляют технологически слож­ную отливку. Они отличаются большой разностенностью, имеют резкие переходы от толстых сечений к тонким. Поршни большин­ства конструкций имеют внутреннюю полость, затрудняющую извлечение стержней, что вынуждает делать последние разъемными из трех, пяти или даже семи частей. После заливки формы металлом и образования достаточно прочной корки на поверхности отливки извлекается средняя часть стержня, чем обеспечивается некоторая его податливость. Через некоторое время извлекают и остальные его части. На рис. 132 изображены две конструкции поршня дви­гателя СМД-60. Для прежней конструкции (рис. 132, а) требо­вался стержень из пяти частей. Новая конструкция поршня (рис. 132, б) позволила упростить устройство стержня — вместо пятиклинного моноклинный металлический стержень. Аналогич­ные изменения были произведены и в технологии литья поршней двигателя СМД-14 [92].

В настоящее время существуют два принципиально различных способа литья поршней —литье днищем вверх и литье днищем вниз. При литье днищем вверх преимущественно используется верхняя подача металла и установка верхней прибыли. Это создает более благоприятные условия для питания утолщенной части от­ливки — днища. Однако верхняя подача ограничивается высотой отливки, так как при литье высоких поршней создается опасность разбрызгивания металла, загрязнения его неметаллическими вклю­чениями и образования заворотов. Сифонный же подвод металла уменьшает эффективность использования верхней прибыли.

Способ литья днищем вверх может быть успешно использован только в случае простой конфигурации внутренней полости от­ливки, при которой возможно применение одного цельного стер­жня — моноклина. Такой способ, кроме всего, упрощает механи­зацию и автоматизацию процесса. Как правило, его применяют только для литья мелких поршней (с диаметром "до 100 мм). На ВАЗе поршни автомашин получают именно таким способом

Рис. 132. Старая (а) и новая (в) конструкции поршня двигателя СМД-60

В автоматизированных кокилях. В средней части днища отливки установлена открытая прибыль. Металл заливается сверху в два стояка одновременно. Стояки имеют перегиб, в результате чего происходит снижение кинетической энергии металла. Весь цикл изготовления поршня от заливки до выбивки составляет 45—50 с.

Большинство поршней получают литьем днищем вниз. В этом случае используют водоохлаждаемые поддоны кокиля, часто выполняемые из меди, что способствует созданию более направлен­ной кристаллизации и улучшению макроструктуры металла днища поршня. Однако в большинстве случаев только путем этого спо­соба обеспечить плотный металл днища практически невозможно. Необходимо организовать достаточное питание его из боковой прибыли. Она выполняется массивной и на всю высоту или выше отливки. Для повышения эффективности работы прибыли поверх­ность оформляющей ее полости формы покрывают теплоизоли­рующей краской. Суммарная масса прибылей составляет обычно 40—60% от черной массы поршня и зависит от его конструкции и материала. В крупных поршнях ставится кольцевая прибыль и на юбке.

Питатель обычно применяют щелевой, имеющий высоту, почти равную высоте поршня с одинаковым сечением по всей высоте или различного сечения в различных местах (например, утолщение в массивном сечении у днища). Иногда делают более низкие пи­татели, подводящие металл только в нижнюю часть.

Стояк выполняют таким, чтобы обеспечить спокойное заполне­ние металлом формы и предотйратить попадание окисных плен. Распространенными являются стояки типа «гусиной шейки». Применяют также змееобразные и простые наклонные.

Интересное решение для литья поршней из заэвтектических силуминов предложено в работе [41 ]. Для этого сплава применение хорошо зарекомендовавшей себя литниковой вертикально-щеле­вой системы с гусиной шейкой приводит к ухудшению структуры сплава. Это объясняется значительным (ниже ликвидуса) сниже­нием температуры металла ввиду прохождения по сложному пути в стояке, что вызывает чрезмерный рост и обособление первичных кристаллов кремния.

В работе [41 ] указывается, что преждевременное выделение первичного кремния в литниковой системе предотвращается уве­личением объемной скорости заливки путем применения «каран­дашной» литниковой системы. В этом случае стояк состоит из четырех каналов, расположенных в половинах кокиля в шахмат­ном порядке. Ввиду близкого расположения каналов (не более 2 мм) охлаждение металла в них замедляется. В то же время пере­мычки между каналами имеют достаточную толщину (до 14 мм), чтобы противостоять выкрашиванию из-за разгара и трещин.

Рис. 133. Схема литья поршия с воздействием ультра­звука:

1 — магннтострнкцнонный преобразователь; 2 — центральный клнн; 3 — боковой клнн; 4 — отливка; ? — кокиль

В нижней своей части каналы соеди­няются общим щелевым каналом с мень­шей площадью поперечного сечения. Металл в прибыль подводится по каса­тельной, чтобы создать дополнительное торможение. Кстати, для этого поршня выполнен питатель с различным сече­нием по высоте: в верхней части его ширина равна 12 мм, в нижней — 16 мм, а в месте перехода «юбки» в днище сделано утолщение, равное 25 мм; все это улучшает условия питания.

При литье крупных со значи­тельно утолщенными днищами пор­шней применяют кантовку кокиля при его заливке. Вначале кокиль наклоняется в сторону литника и производится заливка. Затем кокиль наклоняется в противоположную сторону, происхо­дит перераспределение кристаллизующейся жидкой массы, в ре­зультате чего исключается образование концентрированных рако­вин в днище. Кроме того, улучшаются условия питания его из основной прибыли с наиболее горячим металлом.

Интересный способ литья в кокиль поршней из алюминиевого сплава с 18,0—22,0% Si описан в работе [125]. Для улучшения внутреннего строения сплава и повышения его свойств центральный клин 2 (рис. 133) подвергается воздействию ультразвуковых коле­баний с помощью магнитострикционного преобразователя 1. При этом интерметаллиды и зерна кремния измельчаются в 5— 10 раз и при этом значительно повышаются свойства сплава. Применение ультразвука при кристаллизации сплава известно уже давно, этот процесс хорошо исследован и преимущества его очевидны. Однако он еще не нашел достаточного распространения.

Литейщиками ГДР (пат. № 109338) предложена следующая технология литья поршней. Металл в кокиль подводится снизу. После заливки форма поворачивается на 180° и одновременно ме­талл уплотняется в донной части и в бобышках с помощью спе­циально устроенных пуансонов.

\

287

Особые случаи литья

По патенту № 117375 (СССР) предлагается оригинальный спо­соб повышения долговечности поршней компрессоров путем арми­рования тонкой стальной проволокой. Тонкая проволока из мар — тенситной дисперсионно твердеющей стали предварительно нагре­вается в печи с восстановительной атмосферой при 670 К и протя-

Рнс. 135. Схема кокиля для получения ореб* ренных и тонкостенных алюминиевых от­ливок с применением вакуума:

1 и 3 — верхняя и нижняя части кокиля;

2 — вставка литниковой вороики; 4 — воздушный каиал; 5 — канал-коллектор; 6 — пакет пластин, образующих ребра;

7 — трубопровод К вакуум-насосу

Гивается через алюминиевый расплав, в результате чего покры­вается тонким его слоем и прессуется в пакеты, которые устанав­ливаются в кокиль и затем заливаются.

В последнее время, кроме изыскания новых и улучшения уже применяющихся сплавов, используют литье биметаллических поршней, что позволяет совместить положительные свойства алю­миниевых и железоуглеродистых или других сплавов. Металличе­ские вставки в полость формы изменяют тепловое поле, что необ­ходимо учитывать при литье.

Другие примеры. К особым видам литья алюминие­вых сплавов можно отнести литье в кокиль вакуумным всасыва­нием [82]. По этому способу кокиль 1 разогревали до 420 К и заливали жидким сплавом АЛ2 вакуумным всасыванием (рис. 134). Вакуум под колпаком 2 создавали с помощью ресивера, и металл за 6 с поднимался на уровень H и за 2—3 с заполнял полость ко­киля диаметром 80 мм и высотой 120 мм. Выдержка под вакуум составляла 80—85 с. Исследования отливки показали, что ее плот­ность несколько выше плотности аналогичной отливки, полученной в обычном кокиле с прибылью высотой более 3/4 высоты отливки.

Для получения плотных и с тонкими ребрами отливок предло­жено использование центробежной силы и вакуумирования при заливке кокиля [179]. Такие способы исключают недоливы, обес­печивая заполнение даже самых тонких сечений.

К ресиверу

Рис.’134. Схема литья в кокиль вакуумным всасыванием:

1 — кокиль; 2 — колпак; 3 — плита; 4 — уплотнитель; 5 — металлопровод; 6 — расплав

Использование вакуума дается на примере литья головок ци­линдров с тонкими-ребрами воздушного охлаждения (рис. 135). Ребра выполняются частями кокиля, собранными в виде пакета из отдельных пластин, в которых на расстоянии 10—15 мм от кон­тура ребер профрезерованы воздушные каналы 4. Эти каналы свя­заны между собой поперечным круглым каналом 5, который соеди­няется трубопроводом 7 с вакуум-насосом. При заливке кокиля происходит всасывание металла в тонкие (менее 3 мм) полости, оформляющие ребра отливки. Применение такого способа литья для головок цилиндра, имеющих тринадцать ребер, позволило снизить брак с 15 до 1%. При литье в кокиль тонкостенных дета­лей, имеющих внутренний стержень, вакуум используется для вывода газа из последнего.

Как особый следует отметить процесс литья в кокиль с кри­сталлизацией сплава под давлением поршня. Он применим для сравнительно несложных толстостенных отливок, не имеющих пес­чаных стержней. Этот способ обеспечивает повышение герметич­ности отливок и улучшение механических свойств металла.

Представляет интерес еще один особый вид литья в кокиле — литье с выливанием. Его используют для тонкостенных полых отливок. Состоит он в том, что металл, залитый в форму, выдержи­вают в ней до образования твердой корки заданной толщины, после чего остаток жидкого металла выливают. Изменяя толщину стенки кокиля, интенсивность теплоотвода, можно обеспечить получение равно — либо разностенных отливок. Этим способом можно полу­чить отливки со стенками толщиной менее 2 мм. Для литья с выли­ванием применяют сплавы, кристаллизующиеся при постоянной или в очень узком интервале температур. Только в этом случае можно получить достаточно гладкую поверхность внутренней полости (см. гл. IV).

8. ВИДЫ БРАКА И СПОСОБЫ ЕГО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ

Из-за металла в отливках могут образоваться следующие де­фекты:

1) газовая пористость, причиной образования которой может быть увеличение содержания газов, растворенных в металле, и повышенная его температура при заливке;

2) шлаковые включения, являющиеся следствием применения при плавке загрязненных шихтовых материалов, некачественное рафинирование сплава и неполное время выстаивания его после процесса рафинирования и модифицирования;

3) несоответствие химического состава, что может быть резуль­татом неправильной шихтовки, загрязнения шихты, неправиль­ного ведения плавки, а также перегрева металла;

4) усадочные раковины, усадочная пористость, утяжины, не­доливы, неспаи из-за неправильного выбора температуры заливки.

Усадочные дефекты могут возникнуть также вследствие нару­шения направленности затвердевания и недостаточного питания массивных узлов отливки. Усадочные дефекты нередки в местах, формируемых сильно разогретыми участками кокиля.

Причиной усадочных раковин при щелевой литниковой си­стеме может быть недостаточное сечение питателей. Металл в та-

10 П/р А. И. Вейиика ком питателе застывает раньше, чем разогретая часть отливки, и преждевременно запирает прибыль, препятствуя ей выполнять свою питающую роль.

Способы предупреждения усадочных дефектов подробно обсуждались в предыдущих разделах книги. Эффективность их определяется частными усло­виями литья и во многих случаях может быть оценена количественно (см. гл. IV).

Как указывалось (см. параграф 3), шлаковые включения и плены образуются также по пути движения жидкого металла из ковша в форму. Способы предотвращения этих дефектов рассмо­трены в предыдущих параграфах. При этом отмечалась важная роль литниковой системы.

Однако коренное изменение литниковой системы в числе мер предупреждения включений и плен должно быть крайней мерой.

При литье деталей из алюминиевых сплавов появление брака во многом зависит от литниковой системы. Поэтому, выбирая лит­никовую систему, надежно предупреждающую один из видов брака, необходимо учитывать, какие изменения это внесет в про­цесс формирования отливок и какие новые пороки может породить подобное изменение. Так, первоначально в кокиле поршня была устроена щелевая литниковая система (рис. 136, а). Металл через литниковую чашу 1, питатель 2 и прибыль 3 попадал в полость формы через щелевой питатель. Такая система обеспечивала на­правленное затвердевание отливки, исключала образование уса­дочных дефектов. Кроме того, такое устройство чаши задерживало ранее образовавшиеся шлак и плены. Однако падение тонкой струи, всплески металла создавали благоприятные условия для их образования за «заградительной системой». В результате в верх­ней части отливки 5 образовывались пороки в виде шлаковых включений и плен 4.

Литниковая система была коренным образом перестроена (рис. 136, б), указанный брак исчез, но появился новый, не ме­нее опасный — усадочные раковины в нижней части отливки, в ме­стах, наиболее разогреваемых струей жидкого металла.

Недоливы и неспаи порождаются многими причинами: холод­ным металлом, низкой начальной температурой кокиля, медленной

Заливкой, большой газотвор — ностью стержней и красок и плохой вентиляцией ко­киля.

Устройство литниковых систем, ускоряющих заливку

Рис. 136. Щелевая (а) и сифоииая (б) литниковые системы кокиля поршия:

1 — чаша; 2 — питатель; 3 — прибыль; 4 — место включений шлака и плеи; 5 — отливки

И обеспечивающих ламинарное течение металла в каналах литниковой системы, может быть весьма эффективным средством предупреждения недоливов и неспаев. Заполняемость можно также значительно улучшить соответствующей окраской, подогревом, вибрацией кокиля.

Снижение газотворной способности стержней (за счет подбора соответствующих смесей, прокаливания стержней и т. п.) во всех случаях благоприятно, и эта мера должна осуществляться раньше других. Хороший отвод газов из кокиля — также обяза­тельное условие предупреждения не только недоливов, но и дру­гие видов брака. Что касается ускорения заливки, повышения начальной температуры кокиля, температуры заливки и сниже­ния теплоаккумулирующей способности формы как мер предупре­ждения недоливов, то их использование без оценки вероятности появления других видов брака недопустимо.

Ю*