Все о металле, его обработке и переработке
Партнеры
  • котел на щепе.

ЛИТЬЕ В ОБЛИЦОВАННЫЕ КОКИЛЙ

1. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ

Особенности рассматриваемой технологии связаны, прежде всего, с необходимостью нанесения на кокиль облицовки для получения каждой очередной отливки. Облицовочный состав на­носят по модели, путем заполнения зазора между рабочими по­верхностями модели и кокиля. Способы заполнения зазора соста­вом, режим отвердевания последнего, методы очистки кокилей от остатков отработанной облицовки, подготовка оснастки к нанесе­нию облицовки, способы и устройства для подачи облицовочного состава в зазор между моделью и кокилем зависят от свойств об­лицовочной смеси.

Облицовки из жидкоподвижных смесей чаще всего получают заливкой через отверстия в кокиле, реже — выжиманием с по­мощью модели, погружаемой в кокиль с налитым составом. Для нанесения облицовки из пластичных и сыпучих смесей исполь­зуют все разновидности пескодувного процесса.

С целью обеспечения равномерности уплотнения облицовоч­ного состава иногда применяют различные дополнительные воздей­ствия: вакуумирование полости между моделью и кокилем, встря­хивание (вибрирование) оснастки и др.

Как указывалось в гл. VI, наиболее широкое применение нашла сыпучая термотвердеющая песчано-смоляная смесь. Близ­кая к нулю прочность такой смеси в исходном состоянии в сочета­нии с пескодувным процессом позволяет стабильно получать от­носительно тонкую облицовку на кокилях практически любой конфигурации. Твердеет смесь за счет теплоты нагретой оснастки. На рис. 145 показаны схемы нанесения облицовки на кокили вду­ванием смеси через отверстия в теле кокиля (а) и через щелевой зазор между кокилем и моделью (б).

Для отливок массой до 200 кг преимущественная толщина слоя облицовки равна 4—6 мм. Необходимость ее утонения или утолщения определяется задачей локального управления усло­виями охлаждения элемента отливки. Заданная толщина об­лицовки обеспечивается величиной зазора между кокилем и мо­делью в собранном состоянии.

Технологический процесс литья в кокили с термотвердеющей облицовкой начинается с подготовительных работ — нагрева мо­дели и кокиля и нанесения на модель разделительного состава, предотвращающего прилипание облицовки к модели. Затем вы­полняют операции, необходимые для каждой заливки металла: установка кокиля на модельную плиту с моделью, вдувание смеси, ее отвердевание, съем облицованного кокиля с модели, сборка и заливка кокиля, охлаждение отливки в форме, разборка кокиля

Рис. 145. Схема нанесения облицовки пескодувным способом через отверстие в теле

Кокиля (а) и через щелевой зазор между моделью и кокилем(5): 1 — модельная плита; 2 — модель; 3 — кокиль; 4 — пескодувная головка; S — сопло; 6 — газовый нагреватель; 7 — электрический нагреватель; 8, 9 — вдувные отвер — ^^ стия

И извлечение из него отливки, очистка кокиля от остатков ча­стично выгоревшей облицовки и, наконец, охлаждение кокиля до температуры, необходимой для очередного нанесения обли­цовки. Кроме операций, непосредственно связанных с подготов­кой и заливкой облицованных кокилей, технология включает изготовление облицовочной смеси и общие для литейного передела операции: шихтовку, плавку и финишную обработку и др.

Преимущества и недостатки. Теоретический анализ, экспери­ментальные исследования и промышленный опыт показывают, что двухслойные формы в виде облицованных кокилей, состоящие из внутреннего неметаллического и наружного металлического слоев, позволяют достичь экономичного решения ряда важных техниче­ских задач. Благодаря небольшой толщине неметаллического слоя облицованных кокилей по сравнению с обычными формами тре­буется значительно меньший объем песчаной смеси. Для отливок ответственного назначения становится экономически целесообраз­ным применение высококачественных и дорогих формовочных материалов; в результате повышается качество поверхности отли­вок и уменьшается брак. Наличие металлической опоры умень­шает деформацию песчаного слоя, благодаря чему увеличивается точность отливок. Большая жесткость двухслойных форм способ­ствует уменьшению усадочных пор и повышению плотности чу­гунных отливок. Появляется возможность активно воздействовать на тепловые условия формирования отливки. Так, изменяя тол­щины неметаллического и металлического слоев, можно замед­лять охлаждение одних частей отливки (относительно тонкие стенки, прибыли) и ускорять охлаждение других (относительно более толстые стенки, части чугунных отливок, которые должны иметь повышенную твердость, и т. д.). Влияние толщины обли­цовки на процесс охлаждения отливки в кокиле иллюстрируется рис. 7 и 10.

В свете идей и выводов, изложенных в гл. II—IV, ясно, что в облицован­ном кокиле существуют особые возможности управления процессами структуро- образования и питания отливки, а также резкого уменьшения в ней термических напряжений. Здесь уместно напомнить, что тепловые процессы влияют на газо­вый режим формы, образование пригара и другие явления. Математический ап­парат указанных глав позволяет произвести количественный анализ влияния различных факторов и расчетным путем выбрать основные параметры технологии.

Вследствие значительно большего термического сопротивле­ния толстослойного покрытия по сравнению с тонкослойным тер­мическая нагрузка на облицованный кокиль резко уменьшается. Появление на поверхности кокиля трещин и некоторое его короб­ление существенных изменений в технологический процесс не вносят: рабочая поверхность формы полностью восстанавливается при очередном нанесении облицовки. Таким образом, при прочих равных условиях стойкость облицованных кокилей неизмеримо выше, чем обычных. Более того, применение облицованных ко­килей становится экономически эффективным, когда литье в обыч­ные кокили нецелесообразно из-за низкой их стойкости. Приме­рами в этом отношении служат процессы литья коленчатых валов и почти всех стальных фасонных отливок.

Особого внимания заслуживает вопрос о геометрической точ­ности отливок, полученных по новой технологии. В облицованных кокилях отливали различные по массе и геометрической слож­ности отливки из чугуна и стали: чугунные коленчатые и рас­пределительные валы, станины электродвигателей, корпуса рас­пределителей, стальные буксы железнодорожных вагонов и кры­шки к буксам, звенья цепи, звездочки ведущие и др. Масса пере­численных отливок составляла 1,5—120 кг. Отливали их, как правило, в многоместных формах. В результате статистической обработки обмеров и взвешивания отливок в НИИСЛе получены данные, приведенные в табл. 35. Там же для сравнения приведены материалы, заимствованные из работы [103], о точности отливок, полученных другими способами литья. Как видно, новая техно­логия позволяет получать отливки повышенной размерной и мас­совой точности.

При этом процессе размерная точность не падает с увеличением размеров отливки, в то же время при других процессах с ростом

Таблица 35 Сравнительные данные геометрической точности отливок

Показатели

Машин­ная фор­мовка встряхи­ванием

Формовка прессова­нием под высоким давлением

Лнтье в оболочко­вую форму

Литье по выплав­ляемым моделям

Лнтье в облицо­ванный кокиль

Размерная точность

(класс по ОСТу) . . .

8—11

9—10

9—11

7—10

7—9

Точность по массе, %

4—25

2—7

7—18

5,5—8,5

3—5

Габаритных размеров и массы отливки ее размерная точность уменьшается. Таким образом, чем крупнее отливка, тем ощути­мее превосходство технологии литья в облицованные кокили.

Повышение геометрической точности отливок, полученных в об­лицованных кокилях, объясняется большой прочностью и жест­костью при заливке и существенно меньшим снижением этих ка­честв облицованного кокиля в период нагрева отливкой по сравне­нию с неметаллической формой (песчаной объемной, оболочковой разъемной и неразъемной). Это подтверждается сравнением дан­ных о точности отливок, полученных в оболочковых формах и в облицованных кокилях. Действительно, в сравниваемых случаях все факторы точности, кроме жесткости и прочности формы, по существу одинаковы.

К недостаткам рассматриваемого процесса относятся: повы­шенная сложность и стоимость оснастки, затрудненная перенала — живаемость специального технологического оборудования и ос­настки, ограниченность номенклатуры одновременно отливаемых деталей в одном технологическом потоке. Облицованный кокиль, хотя и обладает некоторой податливостью, однако по этому свой­ству явно уступает обычным сырым песчаным и тем более оболоч­ковым формам. Это обстоятельство необходимо учитывать при про­изводстве тонкостенных крупногабаритных отливок, усадка ко­торых затруднена формой.

Область применения. На основании опыта разработки техно­логии литья в облицованные кокили различных деталей и полу­ченных при этом технико-экономических результатов можно очер­тить область наиболее эффективного использования этой техно­логии. Здесь следует подчеркнуть, что кокили представляют собой не универсальную оснастку. Параметры рассматриваемой техно­логии (включая нанесение облицовки) регламентируются в узких пределах, поэтому частые смены оснастки и связанные с ними на­рушения ритмичности нежелательны. Исходя из этого, целесооб­разно использовать облицованные кокили при массовом произ­водстве отливок. Вместе с тем, следует отметить, что имеется

A-A

Рис. 146. Элементы конструкции облицованного

Кокиля (по ГОСТ 19508 — 74): а — ленточка смыкания и обрамление; б — вдув­ное отверстие. Размер В равен 30 мм при размере кокиля до 1000 мм, 50 — прн размере кокиля от 1000 до 1500 мм и 75 мм прн размере кокиля свыше 1500 мм

Положительный опыт использования в отдельных случаях обли­цованных кокилей и при мелкосерийном производстве.

Облицованные кокили могут найти применение при литье де­талей авто — и тракторостроения, электротехнической промышлен­ности, транспортного машиностроения и т. п. Технологию полу­чения отливок в облицованных кокилях можно рекомендовать, прежде всего, для получения отливок повышенной точности, при большом объеме их механической обработки, при литье сплавов, имеющих повышенную склонность к усадке. В этих случаях наи­более полно реализуется преимущество облицованных кокилей. Здесь уместно подчеркнуть, что имеющийся производственный опыт литья в облицованные кокили ограничивается в основном получением отливок массой до 200 кг.

Оснастка. Конструкция и материал модельной оснастки для нанесения облицовки зависят от свойств облицовочного состава. В частности, при использовании термотвердеющей песчано-смо — ляной смеси она аналогична применяемой в производстве отливок в обычных оболочковых формах.

6-6

Для получения фасонных отливок используют, как правило, разъемные кокили, длина и ширина которых значительно больше, чем высота (рис. 146). Такие формы могут быть цельными и состав­ными. Составные представляют собой раму, в которую с компен­сационным зазором вставляется вкладыш, оформляющий рабочее гнездо. Составные конструкции характеризуются более вусорой стойкостью из-за меньших напряжений и деформаций. В отече­ственной практике для получения сложных фасонных отливок применяют толстостенные кокили (40 мм и более). Для подобных, но мелких отливок известен, однако, опыт использования тонко­стенных кокилей.

Конструкция и размеры элементов спаривающих устройств для установки кокилей на модельные плиты и соединения между собой частей разъемных кокилей регламентированы ГОСТ 19509-—74— ГОСТ 19516—74.

Число отверстий в кокиле для вдува сыпучей песчано-смоля — ной смеси определяется подетальной технологией отливки. Вдувные отверстия рекомендуется располагать над выступаю­щими частями модели. При небольших перепадах высот между различными частями модели вдувные отверстия располагаются с шагом 150—250 мм. Размеры вдувных отверстий определены ГОСТ 19507—74 (рис. 146, б). Облицовочная смесь может наноситься также через щелевые отверстия 9 (см. рис. 145).

Шероховатость литой поверхности рабочего гнезда кокиля бывает недостаточной для удержания облицовки. Поэтому реко­мендуется наносить на поверхности рабочего гнезда насечки и ка­навки. Этой же цели служит обратный уклон на ленточке смыка­ния (рис. 146, а). Ленточка смыкания представляет собой про­должение облицовки, выходящее на поверхность соприкосновения кокиля и модельной плиты. Основное назначение ленточки смы­кания — ликвидация неплотности облицовки по контуру рабо­чего гнезда формы. Размеры ленточки смыкания регламентиро­ваны ГОСТ 19508—74.

Поверхность, по которой кокиль контактирует с модельной плитой по периферии кокиля, называется обрамлением. Его ми­нимальная ширина установлена ГОСТ 19508—74 (рис. 146).

Нанесение песчано-смоляной облицовки из сыпучего состава. Опытами нанесения облицовки при вдуве смеси под постоянным давлением в пескодувной головке, снабженной управляемым соп­лом, установлено существование области оптимальных давлений воздуха и толщин облицовки. Исследования проводили со смесью кварцевого песка К016Б, ГОСТ 2138—74, плакирован­ного новолачной фенолформальдегидной смолой при содержании последней 2%. Качество облицовки оценивали по ее массе, отне­сенной ко всему объему полости, в которую смесь вдували. Все опыты проводили при температурах модели и кокиля 470 К — Как видно из рис. 147, повышение избыточного давления воздуха в головке от 0,2 до 0,6 МПа повышает плотность облицовки, если X06 не более 4—5 мм; при большей толщине облицовки повыше­ние давленияТмалоэффективно. ^

Большое влияние на плотность облицовки оказывает система ринтиляции полости, заполняемой смесью. Для вывода воздуха из полости в кокиле выполняют вентиляционные каналы. Каналы представляют собой, преимущественно, щели (размеры по ГОСТ 16250—70), расположенные вокруг рабочего гнезда в по­верхности разъема кокиля. Щелевые каналы объединяют в вен­тиляционные коллекторы (см. рис. 146). Конструкция и размеры последних регламентированы ГОСТ 19508—74. Если щели нельзя вывести к краю кокиля, то их подводят к специальному сквоз­ному отверстию в кокиле. Для вентилирования глубоких поло­стей применяют вентиляционные пробки. Размеры отверстий для пробок установлены ГОСТ 16250—70, а конструкция и размеры пробок — ГОСТ 16251—70 и ГОСТ 16252—70.

Операция отверждения смеси является важной как с точки зрения качества формы, так и производительности оборудования для нанесения облицовки. Отверждение смеси на фенолформаль — дегидном связующем новолачного типа имеет сложную физико — химическую природу. Этот процесс зависит от теплообмена в си­стеме модель — облицовка — кокиль, скорости сшивки линей­ных молекул смоляного связующего в пространственные струк­туры и газообразной среды, в которой происходит структуриро­вание.

На рис. 148 приведены экспериментальные данные продолжи­тельности отвердевания песчано-смоляных облицовок в зависимости от температур модели (цифры у кривых) и кокиля.

Термический цикл облицованного кокиля. Из природы коки­лей, облицованных термотвердеющими смесями, вытекает необ­ходимость определенной организации их термического цикла. За­дача эта более сложная, чем при литье в обычные кокили (при­ходится учитывать не только условия формирования отливки, но и особые условия формирования облицовки). Термический цикл должен быть организован таким образом, чтобы обеспечить за­данную начальную температуру кокиля перед заливкой металла

300 350 TK

12

* об, w

Рис. 147. Влияние давления воздуха в песко — Рис. 148. Экспериментальный график дувной головке и толщины облицовки на ее для определения продолжительности плотность твердения облицовки на фенолформаль-

Дегидном связующем

IA

0

Р, г/см^_______________


LK

D о

350

Oo о


300


1000

500

О

1500 2000 t, C


Рис. 149. Термический цикл облицованного кокиля (линии — расчет по формулам ра­боты [140]; точки — экспериментальные данные)

И установкой на модель. Этапы термического цикла определяются технологическими факторами (формированием облицовки и от­ливки, охлаждением или нагревом кокиля до температуры, за­данной по условиям формирования облицовки), возможностью осуществления машинных (например, транспортных) операций и организационными факторами (установка стержней в форму и т. д).

Расчет термического цикла облицованного кокиля начинается с определения термических параметров центральных операций — формирования облицовки и отливки. Затем находят изменение температуры кокиля на этапах сборки формы, ожидания заливки и подготовки к нанесению облицовки. Соответствующие расчет­ные формулы и приведены в работе [140].

На рис. 149 в качестве примера показан термический цикл стального кокиля массой 240 кг. Металлоемкость формы 15,6 кг, материал отливки — чугун. Температура кокиля T2 после нане­сения на него облицовки составляет 435 К (точка а). В течение 300 с (до точки Ь) — охлаждение кокиля при сборке, а затем — при ожидании заливки (до точки с). После заливки температура кокиля повысилась до 488 К (точка с). Затем при разборке формы и очистке ее от остатков облицовки произошло некоторое сниже­ние T2 (точка е). Далее в интервале е/ началось принудительное охлаждение полукокилей: водовоздушной смесью со стороны ра­бочей поверхности и естественным образом по остальным поверх­ностям. За этот период температура на рабочей поверхности по­низилась до 433 К, а на тыльной — до 471 К. Последующее охла­ждение осуществлялось в естественных условиях.

Очистка кокиля от остатков песчано-смоляной облицовки. Про­чистка вдувных отверстий осуществляется штырями-толкателями. Для уменьшения усилия выталкивания отверстия делают с укло­ном 2—5° (см. рис. 146). Аналогичный результат достигается,

Б-6

Рнс. 150. Конструкции пробок во вдувных отверстиях кокиля: а — полая пробка; б — укороченная пробка с помощью промежуточной плиты; в —

Оребренная пробка

Если смесь, затвердевшая во вдувном отверстии, или «пробка», имеет внутри пустоту (рис. 150, а) и если часть отверстия оформ­ляется промежуточной плитой (рис. 150, б) (А. с. № 388836 и 373086). Дополнительное снижение усилия прочистки дает окра­шивание отверстий раствором CKT в уайт-спирите, а также вод­ной суспензией талька, мела, маршалита и известняка.

Отработанная облицовка частично удаляется при прочистке вдувных отверстий. Поэтому рекомендуется располагать эти от­верстия в зонах выступающих и углубленных частей кокиля, преимущественно не соприкасающихся с металлом (например, на знаковых частях стержней). Если во вдувном отверстии допол­нительно выполнить пазы (А. с. № 395168), то можно при вытал­кивании пробки удалить значительную часть облицовки (рис. 150, в).

Для очистки фигурной полости кокиля в условиях комплексно — механизированных и автоматических линий применяют дробе — метный способ или обдув сжатым воздухом. Для первого способа требуются сложные установки. При обдуве сжатым воздухом воз­никает необходимость скалывания ленточки смыкания механиче­ским путем. Для этого применяют механическое устройство. Опыт

Иия пленки к поверхности модели; 5 — кокиль; 6 — отверстие с заглушкой для подачи зернистого формовочного материала; 7 — труба для вакуумироваиия полости обли­цовки

Очистки кокилей сжатым воздухом показал, что качество очистки повышается при импульсной подаче воздуха.

Особая разновидность облицовочного кокиля. В 1971 г. в Япо­нии предложен принципиально новый способ изготовления форм: на модель наносится пленочный легкодеформируемый материал, устанавливается опока, пространство между пленкой и опокой заполняется сыпучим формовочным материалом, в поровом про­странстве зернистого наполнителя создается вакуум и, наконец, модель извлекается из формы. Ясно, что плотная упаковка пес­чинок и конфигурация рабочего гнезда формы сохраняются вслед­ствие разности давлений вне и внутри порового пространства сы­пучего формовочного материала. Описанный способ изготовления форм получил название V-процесса. Если толщина песчаного слоя мала и опока имеет дно, конфигурация которого отображает контур модели, то получаемая при этом литейная форма представляет собой, по существу, облицованный кокиль (рис. 151).

2. ЛИТЬЕ ЧУГУНА

Закономерности формирования структуры. Свойства чугуна определяются главным образом его микроструктурой. К числу определяющих факторов структурообразования относятся усло­вия затвердевания и охлаждения затвердевшей отливки. Охлажде­ние отливки в высокотемпературной области регламентирует пер­вичную кристаллизацию, а охлаждение в низкотемпературной — перекристаллизацию. Из этого следует, что особенности форми­рования микроструктуры чугунной отливки в облицованном ко­киле проявляются в той мере, в какой изменяются условия ее затвердевания и последующего охлаждения. При XsIX1 < 1 влия­ние кокиля проявляется- в течение всего периода пребывания

А — средние значения по серии плавок; б — средние значения по одной плавке; кри­вые 1—5 — толщина облицовки соответственно 10, 8, 6, 4 и 2 мм

Отливки в форме. Чугунная отливка затвердевает в двухслойной форме так же, как и в обычной песчаной, если X3IX1 > 2 [20]. Ясно, что при толщинах облицовки, соизмеримых с X1, захола — живающее влияние кокиля проявляется в основном в низкотем­пературной области формирования микроструктуры отливки. Об­ратимся к экспериментальным данным.

В статье [183] приведены результаты обширных исследований влияния толщины облицовки на кристаллизацию серого чугуна. Опыты проводили при заливке пластин размером 150 X 150 мм толщиной 9 и 19 мм. Облицовку из смеси на фенолформальдегид — ном связующем варьировали по толщине в пределах 2—10 мм через каждые 2 мм. Толщина стенки кокиля составляла 80 мм. В опытах выдерживали постоянный состав шихты и режимы плавки и заливки: 10 кг металла быстро расплавляли в индук­ционной печи, перегревали до 1670° К и заливали при 1620 К- Состав чугуна был близок к эвтектическому: 3,7—3,8% С, 1,77— 1,8% Si, 0,66—0,72% Mn, 0,095—0,1% Р, 0,024 — 0,029% S. От­ливки удаляли из формы после эвтектоидного превращения.

А)

W а i г j 4 5 о г 4 .6 в т

6)

Рис. 152. Изменения длины пластинок графита по толщине стеики чугунной отливки при различной толщине облицовки:

О Z Ч 6 д

Результаты исследований представлены на рис. 152 и 153. Длина пластинок графита возрастает с удалением от поверхности отливки, затем переходит в область постоянных значений. По­следнее обстоятельство проявилось наиболее четко при 2Хх = — 19 мм (рис. 152, а). Опыты с металлом одной плавки и, следо­вательно, при одинаковых условиях зародышеобразования по­казали, что переход длины пластинок графита в область постоян­ных значений сдвигается вглубь от поверхности отливки по мере увеличения толщины облицовки X06 (рис. 152, б). Твердость от­ливок повышается с уменьшением Xo6 и 2Хх (рис. 153). Характер распределения твердости по сечению отливки аналогичен изме-

Рис. 153. Изменение твердости по толщине IX1 = 19 мм (а) и IX1 = 9 мм (ff) стенки плоских отлнвок из серого чугуна при различной толщине облицовки.

Обозначения кривых те же, что и иа рис. J 52

Нению длины графитовых включений: в поверхностных слоях твердость падает, а в остальной части сечения имеет постоянное значение.

Приведенные экспериментальные данные вполне объясняются особенностями затвердевания и охлаждения отливок. Начальные участки кривых на рис. 152 соответствуют тому этапу формиро­вания структуры, когда условия затвердевания отливки опре­деляются неметаллическим слоем формы. После того, как в обли­цовке устанавливается почти линейное температурное поле, ее роль сводится к постоянному термическому сопроитвлению между отливкой и кокилем. Это обстоятельство в сочетании с массивным кокилем (XJX1 > 1) обеспечивает постоянство скорости затверде­вания, чем и можно объяснить горизонтальные участки кривых на рис. 152. Вывод о постоянстве скорости затвердевания при указанных выше условиях непосредственно следует из анализа формул (23). Ясно, что в данном случае речь идет о постоянстве во времени; с увеличением X06 скорость снижается. Из рис. 152, б видно, что переход к режиму затвердевания с постоянной ско­ростью осуществляется тем позже (или, что то же самое, тем дальше от поверхности отливки), чем больше X06.

Анализ показывает, что, если затвердевание отливки в кокиле протекало с постоянной скоростью, то и эвтектоидное превращение имеет практически постоянную скорость. С этим связана одина­ковая перлитная основа по всей толщине стенки отливки в описан­ных выше опытах. Этим же объясняются горизонтальные участки кривых на рис. 153. Повышение твердости в поверхностных слоях пластин связано с наличием в них более мелких включений гра­фита: твердость чугуна является интегральной характеристикой, зависящей как от твердости металлической основы, так и от гра­фитовых включений.

Рис. 154. Зависимость толщины стенки отливки из серого чугуна (3,45% С, 1,75 —1,8%Si, 0,8—0,9% Mn, 0,3% P и 0,1 % S) от толщины песчано-смоляной облицовки прн ус­ловии получения твердости HB 220 — 230

На рис. 154 показана зависимость тол­щины стенки чугунной отливки от X06 при условии получения твердости HB в пределах 220—230 [167]. Опыты про­водили при X2 = 7,0 мм; чугун имел состав, %: 3,45 С; 1,75—1,8 Si; 0,8— 0,9 Mn; 0,3 Р; 0,1 S. Металл заливали при 1618—1633 К. Замечено, что повышение^ начальной|темпе — ратуры формы на 100 град, снижает твердость HB на 10 ед. Эти данные дополняют рассмотренные выше: влияние X06 на твердость и, следовательно, микроструктуру чугуна проявляется и при использовании тонкостенного кокиля.

Приведенные данные свидетельствуют о достаточно широких возможностях управления структурообразованием при литье чу­гуна в облицованный кокиль, а также о том, что эти возможности согласуются с особенностями процесса теплообмена в системе отливка — облицованный кокиль. Примером рационального ис­пользования возможностей облицованных кокилей могут слу­жить разработанные в НИИСЛе промышленные процессы полу­чения высококачественных чугунных отливок. Некоторые из этих процессов рассматриваются ниже. Их термические параметры рассчитывали по формулам гл. II, при этом учитывали положе­ния глав III—VI и параграфа 1 настоящей главы.

Распределительный вал двигателя автомобиля «Москвич-412» изготовляют из низколегированного серого чугуна; масса отливки 3,7 кг. К этой детали предъявляются особые требования; отбел на носиках кулачков и эксцентрика — глубиной не менее 1,5— 3,0 мм при твердости HRC не менее 49, твердость HB сердцевины в радиусе 6 мм — не более 269, точность размеров — не ниже II класса по ГОСТ 1855—55.

Технология получения распределительного вала в облицован­ном кокиле — яркая иллюстрация больших возможностей такой формы для получения отливок с дифференцированной структурой. В рассматриваемом случае поверхность кокиля, которая оформ­ляет отбеленные участки отливки, не облицовывается; в осталь­ной части рабочее гнездо формы имеет покрытие толщиной 3—5 мм (в зависимости от сечения соответствующего элемента отливки) и толщиной 8 мм на питающих отливку бобышках.

Анализ микроструктуры отбеленных участков кулачка пока­зал, что первичный цементит имеет столбчатую ориентацию, что обеспечивает, как известно, наиболее высокую износостойкость детали. По мере удаления от рабочей поверхности отливки ориен­тация цементита нарушается и увеличивается количество перлита. В «затылочной» части структура кулачка содержит до 3% цемен­тита.

На рис. 155 представлены кривые изменения температуры эле­ментов отливки распределительного вала двигателя автомобиля «Москвич-412». Характер взаимного расположения температур­ных кривых показывает, что выбор различной толщины обли­цовки (3 мм —- на утолщенной части 0 52 мм и 5 мм на цилиндри­ческой части 0 25 мм) не обеспечивает в данном случае направлен­ное затвердевание (питающие бобышки расположены по торцам, а утолщение 0 52 мм — посредине отливки). Объясняется это сильным захолаживающим действием необлицованной части ко­киля. В соответствии с указанным характером температуры от­ливки изменяется твердость по оси детали: локальное увеличение твердости закономерно связано с местоположением кулачков и эксцентрика.

Рассмотренный пример чрезвычайно показателен: особые тре­бования к микроструктуре оказались в противоречии с оптималь­ными условиями питания отливки, т. е. с требованиями к макро­структуре. Какому из этих требований следует отдать предпочте­ние, — зависит от конкретных условий: назначения детали, склон­ности к усадке, особенности кристаллизации и Др.

100 ZOO 500 400 500 600 700 BOO 900 1000 1100 №0 t, c

Рис. 155. Температурные кривые распределительного вала двигателя автомобиля «Мое» квич-412» ; литье в облицованные кокили:

1—4 — термопары, установленные в отливке; 5 — термопара на поверхности кокнля

Т, к.

UOO 1J00 1100 1100 1000 900 800 700 500 500 400

°0

Коленчатый вал дизельного двигателя СМД-14 отливают из высокопрочного чугуна; масса отливки 62 кг. Применяемый при этом облицованный кокиль представляет собой двухместную форму массой 1900 кг. Ее металлоемкость равна 180 кг»

К отливкам коленчатых валов предъявляются очень жесткие требования по макро — и микроструктуре. В частности, никакие дефекты усадочного происхождения не допускаются. Поэтому важным моментом рассматриваемой технологии является направ­ленность затвердевания. Решение этой задачи сопряжено с боль­шими трудностями: вал имеет неблагоприятное сочетание кон­структивных элементов. Достаточно отметить, что приведенные толщины опорной шейки, шатунной шейки и щеки вала равны 24; 21,5 и 12,5 мм соответственно (без учета центральных отвер­стий в шейках). Направленность затвердевания была обеспечена выбором места установки прибылей и различной толщиной обли­цовки: на шейках — 3—4, на щеках — 5—6 и на прибыли 8— 12 мм. Здесь уместно отметить, что задача обеспечения плотной отливки при литье в одноместную оболочковую форму (старая технология) решалась увеличением массы прибыли. Таким образом, процесс литья в облицованный кокиль позволил сократить рас­ход металла на литниково-питающую систему примерно в 2 раза.

На рис. 156 приведены результаты экспериментальных иссле­дований тепловых режимов литья коленчатых валов двигателя СМД-14. Там же показаны места установки термопар. Термопара 9 находилась в оболочковой форме на расстоянии 5 мм от поверх­ности отливки, а термопары 8 и 9 располагались в кокиле на обеих его поверхностях. Как видно на рис. 156, по мере удале­ния от прибыли к хвостовику и к середине вала температурные кривые располагаются все ниже, что свидетельствует о направлен­ности теплоотвода (кривые 3—2—1 и 3—4—5—6—7). Перепад температур по длине вала, который охлаждается в кокиле, за­метно больше, чем в оболочковой форме. Все эти факты подтвер­ждают более благоприятные условия питания отливки в кокиле. Кривые наглядно показывают возможности облицованного ко­киля в части сокращения продолжительности формирования от­ливки. Так, в оболочковой форме температура 1170 К наступает на 1920 с, а в облицованном кокиле — на 600 с. Анализ темпера­турных кривых показывает также, что в облицованном кокиле процессы первичной кристаллизации и перекристаллизации про­исходят с заметно большими скоростями.

Высокие механические свойства рассматриваемых отливок (ав > 700 МПа (70 кгс/мм2), б > 3%, ан > 0,2 МДж/м2 (2 кгс X X м/см2) обеспечиваются термической обработкой — двойной нор­мализацией или изотермической закалкой. Поэтому в рассматри­ваемой технологии важнейшей является задача обеспечения за­данной макроструктуры. Требования к микроструктуре в литом состоянии отступают на второй план, исключение относится к форме графита и количеству структурно-свободного цементита. При указанных выше толщинах облицовки в чугуне (3,2—3,6% С; 2,4—3,2% Si; 0,6—0,8% Mn; до 0,007% S; до 0,1% Р; до 0,1% Cr;

11 П/р А. И. Вейннка

Рис. 156. Температурные кривые при охлаждении коленчатого вала двигателя СМД-14 в оболочковой форме (а) и в облицованном кокиле (б)

Ф

0,045—0,090% Mg), модифицированном магнием в автоклаве, структура отливки во всех сечениях содержит шаровидные вклю­чения графита, соответствующие 1—2 баллам по ГОСТ 3443—77.

В последние годы в промышленных масштабах освоено произ­водство в облицованных кокилях следующих чугунных отливок:

Ф

Корпус редуктора массой 64 кг, крышка корпуса редуктора мас­сой 36 кг, гильза цилиндра тепловозного двигателя массой 160 кг, станина электродвигателя массой 18,5 кг и др.

3. ЛИТЬЕ СТАЛИ

Первые в нашей стране успешные работы по получению сталь­ных фасонных отливок в облицованных кокилях были проведены в НИИСЛе. Основывались они на использовании облицовок из сыпучих песчано-смоляных смесей. Практическое применение нашли также керамические облицовки и покрытия из жидких са­мотвердеющих составов.

При изготовлении отливок из сплавов с повышенной усад­кой, в частности из стали, облицованный кокиль облегчает реше­ние таких практически важных задач, как уменьшение технологи­ческих напусков и прибылей и снижение термических напряже­ний. Все они являются, по существу, частными случаями более общей задачи — получения отливки с заданной макроструктурой. Ее решение при литье стали облегчается тем обстоятельством, что к стальным отливкам не предъявляются обычно специальные тре­бования по микроструктуре. Последняя обеспечивается терми­ческой обработкой. Ниже приводятся примеры решения ука­занных задач.

Рис. 157. Стальная букса железнодорожного вагона и облицованный кокиль 11*

I

Буксу железнодорожного вагона изготовляют из стали 25Л; масса детали — 46,4 кг. Опробованная технология литья в обли­цованный кокиль заключается в следующем. Форма двухместная, габаритные размеры 1300 X 700 X 250/250 мм, разъем (по за­ливке) вертикальный (рис. 157). Кокиль толстостенный, X2 = = 70 мм. Внутренняя поверхность отливки оформляется песча­ным стержнем. Направленность затвердевания металла в облицо­ванном кокиле обеспечивается переменной толщиной облицовки, изменяющейся от 8—10 мм у прибыли до 4—б мм в нижней по заливке части, и верхним расположением питателя. Задача пита­ния отливки при литье в песчаную форму (старая технология) решается в основном за счет технологического напуска по вну­треннему отверстию детали. При этом масса отливки составляет 74 кг против 60 кг при литье в облицованные кокили. Основные моменты новой технологии поясняются рис. 157.

Ведущее колесо трактора изготовляют из стали 40Л. Масса детали 104 кг. Опытные работы по литью колеса в облицованном кокиле показали следующее. Масса отливки 116,7 кг (при литье в песчаную форму 123 кг). Металл к отливке необходимо под­водить через три питателя и заливать при 1540—1560° С в тече­ние 25—35 с.

Рассматриваемая отливка в центральной части имеет стенку толщиной. 33 мм, а в периферийной — стенку толщиной 15 мм. Конструкция колеса и характер его механической обработки одно­значно определяют место расположения прибыли — над утол­щенной частью. В этом случае при одинаковых условиях тепло­отвода от всех элементов отливки возникают значительные тем­пературные напряжения, приводящие к радиальным трещинам в утолщенном элементе колеса. Путем локального утолщения облицовки в отношении 3 : 1 против стенки 2Хг — 15 мм и рас­средоточения питания термические трещины удалось избежать. При этом процесс затвердевания сохранял направленный харак­тер, что подтверждается экспериментальными температурными кривыми.

Отливки из высоколегированной стали. Большой интерес пред­ставляет опыт получения в облицованных кокилях отливок слож­ной конфигурации из высоколегированных сталей. При отработке технологии применяли облицовки из керамического состава на этилсиликатном связующем и из песчано-смоляной смеси. Пред­почтение было отдано последней при использовании в качестве минерального наполнителя смеси цирконового концентрата. От­ливки в данном случае имеют поверхность, мало уступающую той, которая получается при литье в объемные керамические формы (Шоу-процесс).

Приведенные выше примеры литья стали в облицованные ко­кили представляют собой часть разработок НИИСЛ. Однако и они наглядно иллюстрируют эффективность использования ко­килей, облицованных песчано-смоляными смесями, для получе­ния сложных фасонных отливок из углеродистых и высоколе­гированных сталей.

В связи с использованием в покрытии фенолформальдегидного связующего необходимо отметить, что при литье в облицованные кокили стальные детали не имеют тех специфических дефектов поверхности, которые возникают при литье в оболочковые формы. Как известно, дефекты в виде поверхностных раковин связаны с присутствием в оболочковой форме смоляного связующего. Отсутствие специфических дефектов поверхности стальных отливок находит свое объяснение в свете особенности механизма затвердевания отливки при поверхностном науглероживании

Другие примеры. Как указывалось, при производстве стальных отливок промышленное применение нашли кокили с керамиче­ской облицовкой и облицовкой из ЖСС. Изучалась возможность получения корпусных стальных отливок массой до 10 ООО кг в тон­костенных кокилях (X2 = 5 мм) с керамической облицовкой (X06 = Ю-г-25 мм) (М. И. Рощин, Е. А. Чернышев и др.). Техно­логия получения такой формы заключается в следующем. Кера­мическую суспензию изготовляют из гидролизованного этилси — ликата 40 и сухого наполнителя, который состоит из маршалита и кварцевого песка в отношении 3 : 1. В качестве гелеобразователя используют 15%-ный раствор NaOH. Керамическую массу за­ливают в зазор между моделью и кокилем. После ее схватывания модель удаляют. Затем форму поджигают для удаления летучих и прокаливают газовыми горелками. Сталь заливают при 1850 К — После заливки кокиль, кроме прибыльной части, охлаждают водо — воздушной смесью.

Авторы исследования на основе опыта получения отливки со стенками толщиной 150—170 мм отмечают, что использование тонкостенных облицованных кокилей с интенсивным охлажде­нием позволяет получать более плотные отливки по сравнению с объемными формами. Механические свойства повышаются в среднем на 15%. При этом повышается также однородность свойств по высоте и сечению отливки.

Тонкостенные водоохлаждаемые кокили опробовали также с облицовкой из ЖСС [10]. В результате этих работ рекоменду­ются кокили, изготовленные с помощью электросварки из листо­вой стали толщиной 1,5—2,5 мм. Конфигурация кокилей при­ближенно соответствует отливке. Управление процессом охла­ждения стальной отливки в тонкостенном кокиле осуществляется так же, как и в толстостенном, — дифференцированным выбором толщины облицовки. Подчеркивается, что эта технология при­менима в основном при мелкосерийном производстве.

Толстостенные кокили с облицовкой из ЖСС применены для получений крупных стальных отливок — бандажей катков раз­малывающих бегунов массой 7000 кг из стали 35ГЛ и 110Г13Л [81]. Структура отливок, полученных в таких формах, состоит из равноосных кристаллов. Эксплуатационная проверка бандажей показала их высокую эксплуатационную надежность.

Облицованный кокиль опробован для получения еще более сложной отливки из высокомарганцовистой стали — сердечника стрелочного перевода (Н. А. Воронова, Л. А. Логвинов). Толщина облицовки составляет 20—30 мм и утоняется в тех местах, где необходима увеличенная скорость охлаждения отливки. Покры­тие наносится методом выжимания моделью состава, налитого в кокиль. Форму окрашивают и подсушивают при 470—520 К в течение 2 ч.

Сравнительное исследование металла в рабочей зоне сердеч­ников показало: в случае литья в кокиль плотность его повы­шается в среднем на 9 кг/м3 (с 7785 до 7794 кг/м3), что объясняется увеличенной скоростью теплоотвода. Такое увеличение плот­ности повышает износостойкость стали 110Г13Л на 27%.

В заключение необходимо отметить, что с применением обли­цовки разрешается проблема использования кокилей для полу­чения сложных фасонных отливок из стали: отпадают трудности, связанные с неподатливостью формы; повышается стойкость формы.

4. ЛИТЬЕ ЦВЕТНЫХ СПЛАВОВ

Литье цветных сплавов в облицованные кокили пока не полу­чило широкого развития. Однако имеющийся практический опыт свидетельствует о больших перспективах данного способа полу­чения высококачественных отливок.

В работе [116] исследовалась возможность применения обли­цованного кокиля для лит;.я бронзы Бр. ОЦ 10-2. Облицовку на кокиль наносили из жидкой самотвердеющей смеси. Гидроплот­ность исследовали на литых пробах — втулках с наружным диа­метром 145 и внутренним 133 мм при высоте 100 мм. Внутренняя поверхность втулки оформлялась песчаным стержнем.

Установлено, что гидроплотность наиболее сильно зависит от толщины облицовки. Поэтому для исследований влияния X06 на механические свойства ав, сгТ, 8 и плотность P1 материала отливки толщина кокиля была принята постоянной и равной уд­военной толщине стенки отливки. Резкое снижение механиче­ских свойств и плотности при X06 = 3 мм авторы объясняют пере­ходом от столбчатой к равноосной структуре, а некоторое по­вышение этих показателей при X06 = 12 мм — распределением пор по всему сечению стенки отливки.

Результаты приведенных исследований были использованы при разработке технологии получения из Бр. ОЦ 10-2 отливок арма­туры высокого давления: патрубка массой 180 кг и колена мас­сой 300 кг. Толщину облицовки устанавливали так, чтобы обес­печить направленное затвердевание отливки; минимальная тол­щина составляла 5 мм и постепенно увеличивалась до 12 мм к ос­нованию прибыли. Металл в форму заливали при 1470—1490 К-

С помощью облицованных кокилей ликвидирован брак по гидроплотности отливок из алюминиевой бронзы Бр. АМц 9-2 (при литье в песчаные формы брак составлял 20%) [37]. На ко­кили наносится керамическое покрытие толщиной 10 мм; тол­щина облицовки кокилей и литниковой системы равна двум при­веденным толщинам оформляемого элемента. Толщина стенки кокиля составляет 20 мм. Результаты промышленного опробова­ния данной технологии показали, что трудоемкость формовки со­кращается на 50—60% и расход металла снижается на 20%; уменьшаются припуски на механическую обработку с 10 до 1 — 1,5 мм, что позволило снизить массу комплекта отливок с 20 до 12 кг.


Раздел четвертый МЕХАНИЗАЦИЯ И ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА