Основы конструирования отливок И КОКИЛЕЙ | Металлолом

1. ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ОТЛИВОК

Общие требования к отливкам, получаемым в кокилях, такие же, как и при других способах литья [131 ]. Существо этих требо­ваний сводится к тому, чтобы отливки имели:

Наиболее простое внешнее очертание — без резких углов, поворотов, высоких ребер, выступов и глубоких отверстий (кар­манов);

Уклоны, обеспечивающие легкое извлечение отливки из формы или металлического стержня из отливки;

Стенки оптимальной толщины, удовлетворяющие условиям заливки и питания;

Такое сочетание конструктивных элементов, при котором соблюдается принцип направленности затвердевания и уменьша­ется торможение усадки.

(126)

Чем полнее конструкция удовлетворяет перечисленным требо­ваниям, тем она технологичнее. Существуют различные способы количественной оценки технологичности. Один из них заключается в определении коэффициента габаритности, дм3/кг:

(125)

Где Fra6 — габаритный объем отливки; Mi — масса отливки. Чем меньше Kv> тем технологичнее конструкция. Для оценки техноло­гичности тонкостенной отливки предложено неравенство [107]

R1

200 > 1,

Где Rnp — приведенная толщина; L — наибольший размер от­ливки.

Выражения (125) и (126) позволяют проводить сравнительный анализ технологичности различных вариантов конструкций литых деталей.

Конструктивные элементы деталей. Минимальные толщины стенок 6i отливок, получаемых в кокилях, рекомендуется при­нимать по табл. 14.

Большие значения 8i чугунных отливок относятся к чугуну с шаровидным графитом. Величины 6i алюминиевых деталей зависят от марки сплава (табл. 15).

Таблица 14 Таблица 15

Минимальная толщина стеиок Минимальная толщина (мм) стеиок

Отливок отливок из алюминиевых сплавов

Площадь поверхности стенки, см2	АЛ2	АЛ9, АЛИ	АЛ8, АЛ13
100—250	2,2	3,0	4,0
250—900	2,5	3,5	4,5
Свыше 900	3,5	4,0	5,0

Толщины внутренних стенок и ребер жесткости принимают равными 0,7Si. Плавность перехода от одного элемента к другому б’ ,

Обеспечивается, если-^д – > 0,8 (где и б'{ — толщины сопрягае­мых стенок), а переход осуществляется на участке длиной

/>(4ч-5)(б'{-б0. Радиусы скруглений при угловом сопряжении стенок принимают

Р + 6I

Но для чугуна — не менее 3 мм. Для уменьшения внутренних напряжений в отливках из высокопрочного чугуна радиус скруг – ления равностенного крестообразного сочленения не должен пре­вышать толщину стенки. В случае разностенного крестообразного сочленения R должен быть не более толщины тонкой стенки [145].

Рекомендуемые уклоны стенок отливок из различных сплавов приведены в табл. 16.

	Площадь	Мини­
	Поверх­	Мальная
Сплавы	Ности	Толщина
	Стенки,	Стенки,
	CM2	MM
Чугун…. » ….	Где S — относительное удли­нение; К, ^all — с > АТЕ Где а„ — ударная вязкость	Пластичные мате­риалы
В. С. Серебро	*Ъ Il N°	Хрупкие материалы, кокиль не имеет теп­лозащитного покры­тия
В. С. Серебро	П а» /а 2(Тт\ ‘ CTx ( ат6к————– ~Е~/ Где ат — предел текучести; Flfl 6l – «зал bl + b2> Бзал — температура металла в момент заливки, отсчитанная от начальной температуры ко­киля как от нуля; Ь± и Ъг — коэффициенты аккумуляции теплоты материалов отливки и кокиля соответственно	Пластичные мате­риалы. Примечание: для стальных стенок в формулу подстав­ляют значения ан при температурах 770— 820 К

Таблица 20

Материалы для рабочих стеиок кокилей

Материал	Основное назначение
СЧ 18—36, СЧ 21—40	Кокили для мелких и средних отливок: с воздушным либо водовоздушным охлаждением, а также в двух­слойном исполнении
ВЧ 42—12, ВЧ 45—5	Кокили для средних и крупных отливок: с воздуш­ным либо водовоздушным охлаждением, а также в двухслойном исполнении
Сталь 15Л-П, 15ХМЛ, 10, 20, СтЗ	Кокили с жидкостным охлаждением, вкладыши двухслойных кокилей
АЛ9, АЛ11	Водоохлаждаемые кокили с анодированной поверх­ностью, кокили с естественным охлаждением и анодированной поверхностью (в основном для мелких отливок)
Медь и ее сплавы, ле­гированные стали, спла­вы с особыми свой­ствами	Вставки в места интенсивного термогидродинамиче­ского износа, металлические стержни

Что позволяет достигать при анодировании окисных пленок повы­шенной толщины 125 ]. Технология анодирования алюминия опи­сана в гл. VI.

Существование многих методов оценки пригодности материа­лов для кокилей объясняется различиями в механизмах разру­шения хрупких и пластичных материалов, а также особенностями напряженно – деформированного состояния рабочих стенок без покрытия и с покрытием. Что же касается параметров К (Kf) и Я, при их выводе проявилось различие в представлениях о при­роде разрушения тела в условиях знакопеременной пластической деформации.

Вывод параметра Я основан на наиболее строгих физических предпосылках: данный параметр представляет собой отношение работы разрушения, выраженной величиной ан, к работе пласти­ческой деформации за один цикл нагружения кокиля.

Необходимость подстановки в формулу для определения Я значений ая при 770—820 К объясняется тем, что при этих темпе­ратурах происходит локальное снижение вязкости стали.

Прочие элементы кокилей. Основные размеры немеханизиро – занных вытряхных и створчатых (с книжным вертикальным разъ – 7*

Емом) кокилей определены ГОСТ 16234—70 и ГОСТ 16235—70; механизированных с воздушным охлаждением — ГОСТ 16236—70. Вспомогательные конструктивные элементы кокилей — ребра же­сткости, охлаждающие штыри, зазоры между направляющими металлических стержней и кокилей, шероховатость поверхности, ручки, колонки, рукоятки, выталкиватели, приспособления для выталкивания отливок и стержней, направляющие штыри, фикса­торы, каналы и пробки вентиляционные — регламентированы ГОСТ 16237—70 —ГОСТ 16261—70. Технические требования к кокилям оговорены ГОСТ 16262—70.

Выталкиватели, колонки и направляющие втулки кокилей с жидкостным охлаждением определены ГОСТ 21088—75 — ГОСТ 21092—75.

Особенности конструирования кокилей с жидкостным охлаж­дением. В качестве охлаждающей среды стальных кокилей при­меняют воду и машинное масло. Системы водяного охлаждения проще в изготовлении и обслуживании, более безопасны в пожар­ном отношении, позволяют обеспечить наиболее высокую частоту заливок. Однако при охлаждении водой имеется опасность ее попадания внутрь кокиля; трудно обеспечить начальную темпе­ратуру кокиля (обычно однослойного) выше 420 К; затруднен нагрев кокиля перед первой заливкой (после длительного пере­рыва между очередными заливками).

В качестве охлаждающей среды алюминиевых кокилей исполь­зуют воду. Водяное охлаждение в сочетании с теплозащитным покрытием стенки в виде пленки окислов обеспечивает темпера­туру внутренней поверхности алюминиевой стенки не выше 570—620 К, что является необходимым по условиям ее нормаль­ной эксплуатации. При этом должен быть использован наиболее» интенсивный режим теплообмена, который возникает при ядерном режиме кипения воды [21, 25].

При водяном охлаждении температура внешней поверхности стенки кокиля перед заливкой не может быть выше 373 К (100оС,) так как после прекращения подачи воды охлаждение кокиля про­должается за счет кипения воды, находящейся в полости охлаж­дения. Во избежание переохлаждения кокиля температура воды в полости охлаждения должна быть близкой к температуре кипе­ния и подача воды в полость должна прекращаться сразу же после отвода теплоты, отдаваемой отливкой, это достигается способом подвода воды. Вода подводится к верхней части полости охлаж­дения кокиля. Подводящий патрубок в формах для деталей мас­сой до 30 кг изготовляют из трубы сечением 1/2″. Отводящий патрубок также располагается в верхней части полости охлажде­ния; сечение его должно быть больше подводящего (для отливки массой до 30 кг отводящий патрубок выполняют обычно из трубы сечением 3/4″).

Если рабочая стенка кокиля имеет выступающие части, то в ней образуются со стороны полости охлаждения глубокие кар­маны. Чтобы предотвратить образование паровых подушек, воду подводят непосредственно к этим карманам (см. рис. 69, б). Воду подают в полость охлаждения кокиля обычно столько времени, сколько отливка находится в форме. Подачу воды следует начи­нать в тот момент, когда фронт прогрева достигает охлаждаемой поверхности кокиля. Водяное охлаждение двухслойных»кокилей значительно проще: вода непрерывно протекает через полость корпуса; при этом вода подводится снизу и отводится сверху.

Изготовление и эксплуатация кокилей

1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ КОКИЛЕЙ

Проблема изготовления кокиля — это прежде всего проблема изготовления его рабочей стенки (или металлического стержня). Получение остальных, по существу, вспомогательных элементов кокиля—для спаривания частей кокиля, выталкивания отли­вок, охлаждения (нагрева) и т. д. (см. гл. VIII) —относится к общим вопросам производства оснастки и поэтому здесь не рас­сматривается. Здесь также не рассматривается изготовление ко­килей специальных видов. Такие кокили рассмотрены в отдельной главе X. В настоящей главе приводятся только дополнительные данные о постоянных (в том условном смысле, который оговорен в гл. VI) покрытиях, формируемых на рабочих стенках непосред­ственно при их изготовлении. Другие разновидности постоянных покрытий рассматривались ранее (см. параграф 5 гл. VI).

Проблему изготовления рабочей стенки кокиля следует рас­сматривать с двух точек зрения: получения формообразующей полости при минимизации затрат труда и материала и обеспече­ния наиболее высокой стойкости.

Рабочие стенки изготовляют литьем, механической и электро­физической обработкой, сваркой, штамповкой и комбинацией этих способов. Наиболее широкое распространение получило литье (многие его разновидности) с последующей доводкой гра­вюры формы резанием и слесарной обработкой, причем стремятся к минимальному объему доводочных операций.

Выбор способа изготовления рабочей полости кокиля зависит от многих факторов: норм точности, габаритных размеров и кон­фигурации отливки, материала рабочей стенки, способа ее охлаж­дения и производственных возможностей. При выборе способа приходится также иметь в виду его влияние на стойкость.

По мнению многих специалистов, кокили с литыми рабочими гнездами более долговечны. В работе [114] описан опыт получе­ния в керамической форме металлического стержня с литой ра­бочей поверхностью. Отмечается его повышенная стойкость. По другим данным чугунные кокили с литой поверхностью показали стойкость в 5 раз выше, чем кокили, обработанные режущим инструментом [104]. Влияние следов режущего инструмента на образование сетки разгара отмечалось ранее (см. гл. V).

При выборе способа финишной обработки рабочей стенки не­обходимо учитывать также^влияние^шероховатости формы на усилие извлечения отливки (или стержня). Обработка резанием всегда неизбежна, когда нужно получить в отливке тонкие и глу­бокие полости (например, межреберные пространства). Однако в некоторых случаях чистота поверхности стержня может быть не очень высокой. Так, по данным В. А. Комиссарова, при литье чугуна шероховатость поверхности окрашиваемых стержней мо­жет находиться в пределах 2—3 классов или даже быть литой.

Способы литья. Заготовки кокилей в большинстве^случаев отливают по специально изготовленным моделям. Для получения рабочих гнезд повышенной чистоты поверхности и точности при­меняют стержневые ящики. Заготовки оказываются более точными, если твердение формы и стержня происходит в контакте с оснаст­кой. Однако применяют и обычные песчаные формы, например изготовленные прессованием под высоким давлением [104].

Формы и стержни, как правило, тщательно окрашивают или натирают противопригарными пастами. Выбор противопригарных средств зависит от материала кокиля. При литье чугуна без каких-либо покрытий можно применять стержни на мелком квар­цевом (зернистостью не более 016) песке и фенолформальдегидном связующем (например, ПК-104). НаибЪлее гладкую и чистую поверхность дают стержни на цирконовом концентрате.

Для получения стальных рабочих стенок хорошо зарекомен­довал себя CO2 — процесс, при котором могут быть получены заготовки, не требующие последующей обработки резанием формо­образующей поверхности. Именно этим процессом получают за­готовки кокиля и стержня для производства отливок стоек плу­гов (см. рис. 72).

Применяемая при этом формовочная смесь имеет следующий состав (% по массе): 0,5 15%-ного раствора едкого натра; 5,5 жидкого стекла (плотность 1400—1510 кг/м3, модуль 2,4—2,7); остальное — кварцевый песок К020Б. Приготовление смеси: в бе­гуны загружают песок и раствор едкого натра, после 3—4 мин перемешивания вливают жидкое стекло, и перемешивание про­должается еще 7—8 мин. Газопроницаемость сырых образцов — не менее 190 ед.; предел прочности при растяжении после про­дувки в течение 1 мин —не менее 1,8 кгс/см2, влажность 2,5— 2,8%.

Описанная технология получения стенок кокилей отработана в НИИСЛе. Возможность получения с ее помощью отливок без последующей обработки резанием отмечается также в работе [105 ].

Кроме CO2-процесса для получения стальных кокилей — применяют керамические формы (стержни). Литье в керамические формы используют и при производстве чугунных стенок. По некоторым данным, при такой технологии литья объем обработки резанием сокращается на 50—60%. В ряде публикаций отмечается высокая точность чугунных отливок, которые получены в кокилях, изготовленных по керамическим стержням [89, 95].

Для изготовления алюминиевых кокилей рекомендуется спо­соб литья в стальные и чугунные мастер-кокили. Аналогичный процесс применяют в отдельных случаях при производстве чу­гунных кокилей для неответственных отливок в условиях единич­ного производства. Речь идет о способе налива чугуна на отливку, для производства которой кокиль предназначен. В данном случае к отливке приделывают знаки (при необходимости). Изготовлен­ные таким образом кокили отличаются невысокой точностью рабочего гнезда. Размеры рабочего гнезда закономерно уменьшены (если при последующей термической обработке не произошел рост металла).

При получении заготовок по схеме кокиль—в кокиль следует учитывать торможение усадки. Так, при толщине стенки отливки 30—40 мм расчетная усадка чугуна уменьшается на 0,2—0,3% [146].

Отливку как мастер-модель применяют также при изготовле­нии гипсовой модели кокиля. Один из способов копирования поверхности отливки заключается в том, что на последнюю на­носят слой меламиновой или полиэфирной смолы. Затем полу­ченную таким образом оболочку соединяют с гипсовой или дере­вянной основой.

В заключение необходимо подчеркнуть, что к литым заготовкам кокилей необходимо относиться как к отливкам наиболее ответ­ственного назначения. Это следует учитывать при выборе распо­ложения отливки в форме, литниковой системы, вентилирования полости формы и т. д.

Составы чугунов. Из практики литья в кокиль известно, что чугунные стенки в пределах одной марки металла могут иметь существенно различную стойкость. В то же время при разных условиях нагружения, но весьма близких свойствах материала стенки ее стойкость также будет различной. Все дело в том, что стойкость чугуна зависит от его химического состава и структуры (графита и металлической основы). Понятно, что эти тонкости качества металла не учитываются стандартными показателями свойств чугуна. Излагаемые ниже материалы необходимо рас­сматривать как дополнение к общим рекомендациям, приведенным в параграфе 2 гл. VIII.

Как уже отмечалось (см. гл. VIII), пониженное содержание серы в сером чугуне способствует повышению – стойкости кокилей. Аналогичная закономерность наблюдается при понижении кон­центрации фосфора и марганца (рис. 73).

Опытами установлено, что для кокилей тонкостенных (3—5 мм) отливок целесообразно применять чугун с феррито-графитной эвтектикой. Такие кокили имеют более высокую стойкость, чем при перлитной или ферритной металлических основах и крупных разветвленных включениях графита. Особенно хорошо они про­тивостоят короблению.

Для таких же условий хорошо зарекомендовал себя серый чугун следующего состава, % по массе: 2,8—3,2 С; 1,3—1,7 Si;

Рис. 73. Влияние содержания S1 P и Mn на Рис, 74. Влияние алюминия на число N и стойкость чугунного кокиля (число зали – суммарную ширину S трещин в чугуне вок)

0,55—0,9Мп; до 0,10 Р; до 0,12 S; 0,7—0,9 Cu; 0,3—0,7 Ni; 0,08 — 0,1 Ti.

На рис. 74 приведены результаты испытания чугуна, легиро­ванного алюминием, при термоциклировании. Как видно, с повы­шением содержания алюминия трещиноустойчивость существенно повышается. При содержании в чугуне свыше 1,0% Si легирование алюминием вызывает образование крупных и грубых включений графита, что недопустимо для условий периодического теплового нагружения. Поэтому рекомендуется сочетать легирование чу­гуна алюминием с ускоренным его охлаждением (например, с по­мощью холодильника), либо с дополнительным вводом олова в ка­честве перлитизатора. В последнем случае стойкость чугунов увеличивается на 25—30%.

Итак, для кокилей средних по массе отливок (десятки кило­грамм) может быть рекомендован чугун следующего состава, % по массе: 3,3—3,5С; 1,7—2,1 %Si; 0,4—0,6Мп; ~2,0А1; —0,1% Sn. Микролегирование обычного чугуна оловом (до 0,15%) повышает также стойкость тяжело нагруженных кокилей [153].

Известны данные о положительном влиянии сурьмы в анало­гичных условиях [36]. На крышке кокиля массой 4,5 т (для полу­чения отливок массой 1 т) из чугуна СЧ 15—32 первые трещины появлялись после семи заливок. Крышки окончательно выходили из строя через 120 заливок. При легировании чугуна 0,3 Sb стой­кость повышалась до 210 отливок.

На рис. 75 показано изменение твердости чугуна и числа трещин N при 150 теплосменах в зависимости от содержания сурьмы. Как видно, наибольшей термостойкостью обладает чугун, содержащий 0,1—0,3% Sb. Эти результаты находятся в полном соответствии с приведенными выше. В связи с перлитизадией металла (проявляется в росте твердости, грис. 75) увеличивается стойкость формы против коробления.

0.1 0,8 Мп,% ~г

0,4 Р, %

Из других способов повышения прочности чугунов в условиях термической усталости можно отметить легирование Ni, Cr и

Рис. 75. Влияние содержания сурьмы на твердость HB чугуна и число трещин N при периодическом тепловом нагружении

Cu (0,7—1,0%). В последнем случае чУгУн приобретает перлитную струк­туру.

Для кокилей, работающих в усло­виях большого теплового нагружения, можно рекомендовать чугуны, легиро­ванные хромом и молибденом. .

Что же касается чугунов с шаровидным графитом, то эти чугуны должны иметь феррито-перлитную матрицу. Способы полу­чения заданной структуры чугуна с шаровидным графитом хо­рошо известны, выбор каждого из них зависит от конкретных условий (толщина стенки кокиля, способ модифицирования и т. п.).

Термическая обработка. Эта технологическая операция яв­ляется обязательной при получении стальных заготовок кокилей, что связано с необходимостью изменения литой структуры. Прак­тический опыт указывает на необходимость строгого исполнения заданного режима термической обработки. С аналогичной целью проводят термическую обработку заготовок из чугуна с шаро­видным графитом.

Термическую обработку проводят также для снятия остаточ­ных технологических (литейных, сварочных и т. п.) напряжений. Остаточные напряжения при первых заливках могут вызвать раз­рыв рабочей стенки (трещины первого рода), либо коробление формы вследствие релаксации.

Сталь марки 15Л-П (см. табл. 20) подвергают нагреву до 1190 — 1300 К, выдержке в течение 3—4 ч, охлаждению на воздухе, отпуску при 820—870 К в течение 2—3 ч. После указанной вы­держки отливки охлаждают в печи до 520 К и далее на воздухе. Механические свойства отливок: ств 400 МПа, ан 0,7 МДж/ма иЬ 24%.

Сталь марки 15XMJ1 загружают в печь при температуре не выше 570 К. Затем подвергают нагреву до 920—940 К в течение 7—10 ч, выдержке в течение 2 ч, дальнейшему нагреву со скоростью не более 100 град, в час до 1150—1170 К, выдержке в течение 2 ч, охлаждению на воздухе до 720 К, посадке в печь при 720 К, нагреву до 890—920 К, выдержке в течение 8—10, охлаждению с печью до 570 К и далее на воздухе. Механические свойства от­ливок после»»термообработки: аТ 250 МПа; сг,5 ^ 450 МПа; б > 18%; а„ > 0,5’МДж/м2; гр ^ 30%.

Термическая обработка стальных рабочих стенок кокилей с жидкостным охлаждением должна производиться после при­варки к ним^коробок охлаждения.

Рис. 76. Схема изготовления кокиля (стержня) путем осаждения никеля на модель

4 ¦3 ¦2

С целью стабилизации разме – ^^шз –/

Ров и геометрической формы сталь – j

Ные кокили перед окончательной механической обработкой и дру­гими доводочными операциями целесообразно подвергать иску – ственному старению либо циклической термообработке. Ре­жим старения: нагрев до 770—870 К, выдержка 2 ч на каждые 25 мм толщины стенки, охлаждение с печью до 470—570 К и да­лее — на воздухе. Режим циклической обработки: нагрев до 570 К в печи, предварительно разогретой до 1170 К, охлажде­ние — обдувкой воздухом (три-четыре цикла).

Приведенные режимы искусственного старения и циклической термообработки рекомендуется применять и при изготовлении чугунных кокилей. Интересно отметить, что на некоторых заводах с успехом применяют циклический нагрев со стороны рабочей поверхности заготовки кокиля. Для этого используют печи типа кузнечных горнов либо наливают расплав на заготовку.

К особым случаям можно отнести различные способы упроч­нения рабочей поверхности кокиля.

Повышение стойкости кокилей достигается с помощью поверх­ностного легирования литой заготовки. В качестве легирующих элементов используют алюминий, кремний, никель и др. Техноло­гия поверхностного легирования имеет свои особенности и тон­кости. Поэтому целесообразно сослаться на работу [25], где этот вопрос рассмотрен подробно.

В работе [113] описано напыление кокилей из стали СтЗ для литья титановых сплавов вольфрамом и молибденом. Напыление проводили плазменными горелками. Лучшие результаты пока­зало напыление молибденом слоем толщиной 0,15—0,25 мм. Через несколько теплосмен молибден диффундировал в подложку, обеспечивая повышение термостойкости.

Получены положительные результаты при диффузионном насы­щении кокилей слоем карбита титана толщиной 30—70 мкм [83]. Такое покрытие повышает в 2—7 раз стойкость кокиля, предупреждает смачивание алюминием рабочей поверхности формы из чугуна или стали и улучшает качество поверхности отливки.

Оригинальный способ изготовления двухслойных элементов показан в виде схемы на рис. 76 (Пат. Японии № 39591). Мастер – модель 1 электроосаждением никеля-покрывают слоем 2 толщиной 1 —2 мм. На этот слой наносят слой 3 эпоксидной смолы и встав­ляют металлический стержень 4. После отверждения смолы стер­жень с нанесенными на него слоями снимают с модели. Получен-

Число термоциклов Число термоциклсб

А) . В)

Рнс. 77. Зависимость ширины трещин S (а) и деформации Al (б) образцов из различ­ных материалов от продолжительности испытания (числа циклов — заливок):

1 – СЧ 18-36; 2 – ЖЧХ; 3 – ВЧ 50-3; 4 — сталь ЗОХНМЛ

Ные таким образом элементы рекомендуют для литья чугуна и стали.

Для получения на кокиле слоя с особыми свойствами в НИИСЛе предложен процесс наплавки стали жаропрочными электродами типа ОЗЛ—25Б, изготовленными из сплава ХН78Т (ЭИ435). Наплавка кокилей в местах интенсивного разгара повышает их стойкость в 3—4 раза [145].

К перспективным процессам изготовления литых заготовок стальных кокилей относится и электрошлаковое литье. Данный способ позволяет получать плотные, изотропные заготовки, име­ющие повышенные значения ударной вязкости при высоких тем­пературах, что является основным фактором стойкости стальных кокилей (см. параграф 2 гл. VIII).

К особым случаям могут быть причислены и способы изготовле­ния металлических стержней и вставок (см. параграф 5 гл. X). Относительно небольшие их габаритные размеры расширяют возможности выбора материалов и способов изготовления. В част­ности, для изготовления таких элементов применяют инструмен­тальные стали. На рис. 77 представлены результаты испытаний элементов кокилей из различных материалов при периодическом тепловом нагружении. Как видно, из испытанных материалов наиболее высокую трещиноустойчивость имеет сталь ЗОХНМЛ, а устойчивость против деформации —жаростойкий чугун ЖЧХ.

2. ЭКСПЛУАТАЦИЯ КОКИЛЕЙ

Термический режим. В аналитические формулы, описывающие условия охлаждения и, следовательно, формирования свойств отливки, входит начальная температура кокиля T2n (см. гл. II). Значит необходима организация такого режима литья, при кото­ром обеспечивается потребное значение Т2н. Величина Т2н зависит от многих факторов и, прежде всего, от природы сплава. Поэтому рекомендации по выбору Т2н для конкретных сплавов указаны в третьем разделе.

При анализе напряженного состояния кокилей (см. гл. V) отмечалось, что с увеличением T2h уменьшаются остаточные напряжения в кокилях из упруго-пластичных материалов. Отмеча­лось также, что при перегреве кокиля интенсифицируются многие процессы (обезуглероживание, коррозия, насыщение серой, рост и др.), приводящие кокиль к разрушению; именно это учтено при выводе формулы (132) для определения толщин вставок кокилей. Входящая в эту формулу температура поверхности формы Tnmax не должна превышать определенной величины (зависящей от ма­териала кокиля): для чугуна^Tnmax —– 1—– 1—– 1—–

24 28 32 36 р

Выбор параметров систем охлаждения (нагрева) кокилей мо­жет быть осуществлен с помощью расчетного аппарата гл. II

И в особых (частных) случаях — на базе специальных работ по литейной теплофизике [3, б, 18—24 и др. ].

Примеры устройств для нагрева и охлаждения. На рис. 79 приведена схема устройства для нагрева кокилей газом. Подача газа и воздуха регулируется вентилями 6 и 7. Число сопл опре­деляется габаритными размерами кокиля 1. Нагрев осуществ­ляется за 5—7 мин.

Схема кокиля с «утеплением» показана на рис. 80. При наруж­ной тепловой изоляции кокиля уменьшается опасность^его пере­охлаждения. Аналогичная цель в двухслойных кокилях дости­гается с помощью зазора между рабочей стенкой и корпусом (см. гл. X).

Нагрев кокилей при вводе в работу необходимо вести медленно. Следует избегать нагрева заливкой металла. Если же такой нагрев оказывается единственно возможным, то рабочую полость кокиля перед заливкой надо обмазать смесью машинного масла и графита. Особенно отрицательно сказывается на стойкости формы заливка в холодный неокрашенный кокиль.

Нанесение покрытий. Значение и свойства покрытий под­робно рассмотрены в гл. VI. Дополнительные сведения о конкрет­ных составах для различных сплавов содержатся в третьем разделе. Здесь же необходимо подчеркнуть, что теплозащитные покрытия следует своевременно восстанавливать. В последние годы достиг­нут некоторый прогресс в автоматизации процесса нанесения

Рис. 80. Схема кокиля с наружной тепловой изоляцией:

1,2 — рабочие стенки кокиля; 3 — рабочая полость; 4 —теп­ловая изоляция

Разовых покрытий. Соответствующие меха­низмы и устройства рассмотрены в четвер­том разделе.

Важным моментом эксплуатации кокиля является очистка его рабочей поверхности от изношенного покрытия (разового и много­разового использования, гл. VI). Вопросы очистки формы интересуют многих уче­ных [40, 166 и др. ]. Интересен опыт при­менения беспыльного дробеметного аппа­рата ГИЛ-2А для очистки кокилей [40].

На стойкость покрытий заметно влияют шлаки. Быстрое раз­рушение наблюдается при рафинировании чугуна криолитом. По­этому перед заливкой необходимо тщательно снимать с ковша шлак.

Ремонт кокилей. Система организации ремонта кокилей зави­сит от их сложности и условий производства. Ее следует разра­батывать применительно к конкретным условиям, но всегда необходимо предусматривать планово-предупредительный ремонт.

Мелкие трещины или небольшие повреждения рабочих стенок можно ремонтировать с помощью пасты следующего состава, % по массе: 60 пылевидного кварца; 30 огнеупорной глины; 9,5 жидкого стекла; 0,5 марганцевокислого калия и воды до плот­ности 1,42—1,50 г/см3.

Наиболее популярный и доступный способ ремонта кокилей — заварка дефектов и наплавка. При этом явное преимущество стальных кокилей; процесс их ремонта сваркой прост, требуется лишь тщательная подготовка мест заварки. Путем наплавки стальным рабочим стенкам можно придавать особые свойства (см. гл. IX).

Существующие способы ремонта сваркой (кроме сварки в на­гретом состоянии) чугунных кокилей не обеспечивают получения однородного по структуре и свойствам слоя наплавленного металла. Между тем, требование получения в шве чугуна однородной структуры без отбела и с оптимальными свойствами является обязательным условием, так как наплавленный металл в них не только должен подвергаться последующей обработке резанием, но и обладать свойством чугунных кокилей.

Одним из перспективных способов получения высококаче­ственного сварного соединения для ремонта кокилей является электродуговая сварка чугунными электродами со специальной титано-графито-кремнистой обмазкой с подогревом до 570 —670 К (А. с. № 210982).

Установлено, что наплавленный металл, содержащий 0,8% Ti (15% ферротитана в покрытии), обладает практически вдвое большей термической выносливостью, чем основной металл, имеет мелкозернистую, плотную перлитную структуру и легко обра­батывается обычным режущим инструментом. Перед восстановле­нием отработанных кокилей с поверхности дефектных мест следует снимать окисленный слой металла.

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВИДЫ КОКИЛЕЙ

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

В последние годы предложены оригинальные технические ре­шения, позволяющие повысить стойкость, обеспечить податли­вость и газопроницаемость кокиля, упростить технологию его изготовления, а также создать особые условия охлаждения и, следовательно, формирования отливки. Такого рода предложения могут быть обобщены понятием специальные виды кокилей.

Кокили специальных видов находят применение для производ­ства в основном особых отливок в условиях мелкосерийного про­изводства, а такая их разновидность как двухслойные и при массовом производстве. При создании специальных кокилей руко­водствовались, идеей расчленения стенки формы на элементы.

Напряжения и деформации при расчлении стенки кокиля. Из механики деформируемого тела известно, что термические напряжения в нагреваемом теле являются следствием нереализо­ванной термической деформации. Ограничения на термическую деформацию волокон рабочей поверхности кокиля накладывают менее нагретые участки, находящиеся вне рабочей зоны формы (обрамление, коробка жидкостного охлаждения и т. п.), скрепля­ющие форму устройства (зажимы, кокильная машина) и менее нагретые слои рабочей стенки.

Сложность напряженного состояния рабочей части кокиля предопределяет различные пути ее разгрузки. Один путь заклю­чается, например, в раскреплении разъемных кокилей сразу же после окончания заливки. Однако радикальное решение дает рас­членение рабочей стенки — поперечное, продольное и комбини­рованное [25].

При поперечном расчленении температурное поле по всем направлениям вдоль стенки кокиля становится более однородным. Следовательно, каждый элемент площадью Fi испытывает меньшее ограничение термической деформации со стороны соседних ча­стей формы. Кроме того, вследствие зазоров между элементами термическая деформация вдоль стенки свободна. Ясно, что чем меньше Fi, тем больше разгрузка. В предельном случае величина термических напряжений при поперечном расчленении пропор­циональна только градиенту температур по толщине стенки ко­киля.

При продольном расчленении стенки разобщаются более и менее нагретые слои. Следовательно, в рассматриваемом случае уменьшаются температурные напряжения, связанные с темпера­турным градиентом. Кроме того, в некоторых кокилях снимаются ограничения с температурных деформаций вдоль стенки. В ка­честве примера здесь могут быть названы цилиндрические кокили с вставным вкладышем, который имеет, по крайней мере, один свободный торец.

Из предыдущего ясно, что наиболее полную разгрузку элемента стенки кокиля можно осуществить путем поперечного и продоль­ного расчленения, т. е. комбинированно. В этом случае теорети­чески кокиль должен обладать бесконечно большой стойкостью. Однако на практике это не так: на стойкость влияют коррозия, структурные изменения, эрозия и другие процессы, причем многие из них интенсифицируются с расчленением стенки кокиля. Однако суммарный эффект — в пользу расчленения.

Расчленение позволяет также уменьшить коробление кокиля. Анализ показывает, что термическое выпучивание плоской стенки

F__ m 3nctmif> T2 L\ – f – L\ , – ng,

‘ ~ 4 (л +1) (я + 2) T2 ‘ ^yJ

Где 8Та — перепад температур; т — коэффициент, зависящий от условий закрепления стенки; п — показатель параболы, описы­вающей температурное поле стенки; Хч, — толщина; Li и Li — длина и ширина стенки. Формула (129) описывает упругое выпу­чивание. Как видно, уменьшение габаритных размеров кокиля позволяет резко снизить коробление рабочей стенки: величина f зависит от квадрата габаритных размеров Li и Li. Специальными исследованиями установлено, что при этом уменьшаются также температурные напряжения.

Податливость. Если выполняется условие L < Xs, то эле­менты, применяемые при изготовлении кокилей, никогда не могут быть идеально прямыми и гладкими. Поэтому в пакете они всегда несколько пружинят и, в зависимости от силы зажатия пакета, располагают большей или меньшей возможностью деформиро­ваться.

Газопроницаемость. Кокили с рабочей стенкой из элементов, разобщенных в поперечном направлении, имеют высокую газо­проницаемость. Необходимую величину газопроницаемости стенки можно найти на основании следующих соображений [25]. Согласно экспериментальным данным, абсолютное давление р в полости кокиля обычно бывает меньше 0,2 МПа, т. е. меньше критиче­ского. Это значит, что для расчета можно пользоваться термоди­намическими соотношениями, выведенными для докритического режима истечения. Кроме того, если учесть, что каналы между элементами имеют малую толщину и сравнительно большую длину, при которых силы вязкостного трения приобретают существенное значение, тогда можно будет пренебречь сжимаемостью и рас­сматривать простейший ламинарный режим истечения газа в соот­ветствии с законом фильтрации Дарси.

Расчетная формула истечения имеет вид

AV = Kr^FAt,

Где AV — объем газа, прошедшего через поверхность площадью F за время At, м3; Kr — коэффициен газопроницаемости, м4/(Н-с); Ap — разность давлений газа между полостью формы и окружа­ющей средой, Па; Al — длина канала, м.

Коэффициент газопроницаемости Kr в литейном производстве принято выражать в единицах см4/(гс – мин), причем 1 см4/(гс- мин) = = 0,017-10″6 м4/(Н-с).

Коэффициент газопроницаемости связан с известными коэф­фициентами Дарси К и проницаемости k соотношениями

Где у — удельный вес газа, Н/м3; /д. — коэффициент динамической вязкости газа, Н-с/м2. Наличие двух последних соотношений позволяет воспользоваться для расчетов любыми из имеющихся под рукой данными по свойствам капиллярнопористого тела.

Если принять, что время истечения газа равно времени h заливки металла, а объем газа равен объему Vot отливки, тогда минимальное значение Kr определится по формуле

(130)

В расчетной формуле (130) неизвестной величиной является разность давлений Ap (Па). Она может быть приближенно найдена как сумма статического давления рСТ столба жидкого металла и динамического напора рд, который возникает при попадании металла в литниковую систему с определенной скоростью и. Имеем

^p = Pct + Pa = hH + Pi

Где 7i — удельный вес заливаемого металла, Н/м3; H — высота формы от нижней части отливки до верха литниковой чаши, м; pi — плотность жидкого металла отливки, кг/м®. Если пренебречь скоростью металла на носике ковша, тогда эта формула запишется в виде

Ap = yi{H + h),

Где h — расстояние от носика ковша до литниковой чаши. Объем Fot может быть уточнен,, если учесть некоторый разогрев газа в процессе заполнения кокиля расплавом. Приближенно можно считать, что расчетное значение

V =V

‘ от. расч v от J12H’

Где Ti — температура кокиля в конце процесса заливки, К; T2a — начальная температура кокиля, К.

Однако это уточнение существенного значения не имеет.

Более существенным может оказаться уточнение, связанное с учетом скорости заполнения металлом кокиля. При этом скорость заполнения задается. Например, она может быть принята постоян­ной в течение всего периода заливки. Тогда объем полости и газа в ней будет уменьшаться обратно пропорционально времени. В этих условиях давление Ap является величиной переменной, зависящей от конкретных особенностей процесса. Однако не имеет смысла применять и это уточнение, так как оно усложнит расчет­ный аппарат, но не изменит сильно описанную выше принципиаль­ную схему процесса вентиляции кокиля. Здесь не рассматривается также вопрос о влиянии противодавления Ap газа на время ti заливки расплава.

С учетом сжимаемости газа формула для расчета Kr имеет вид [65]:

К 2 Vm (р0 + Ар) А>1 (131)

Где Pq — давление окружающей среды.

Сравнение формул (130) и (131) показывает, что сжимаемостью газа можно пренебречь, если выполняется условие Ap р0. Обе формулы соответствуют стационарному режиму фильтрации газа. Уточненный анализ фильтрации газа (с учетом нестационар­ности) показывает, что при реальных для литейной формы пара­метрах (и, в частности, значениях Kr) стационарный подход к рас­чету вентиляции кокиля вполне обоснован.

На рис. 81 изображены схема экспериментального кокиля и результаты измерений давления и температуры газа в его полости в период заливки металла [25]. В качестве заливаемого металла использовали латунь JlK 80-3. Кокиль 1 имеет вид опрокинутого стакана. Полученные. в опытах с ним результаты (А. И. Вейник, А. А. Потапов) являются весьма характерными. Из рис. 81, б видно, что в процессе заливки (Z1 = 5 с) избыточное, давление Ap газа в полости постепенно растет, достигая значения, равного сумме статической (рст) и динамической (рЛ) составляющих, причем величина рст определяется высотой Н, а ря — высотой h. Этот результат подтверждает предпосылки, положенные в основу вывода расчетных формул. Весьма любопытно, что сразу же после прекращения заливки, когда. динамическая составляющая ря

Рис. 8]. Схема экспериментального кокиля (а) и зависимость избыточного давления (б) и температуры (в) газа от времени:

1 — кокиль; 2 — манометр; 3 — потенциометр; 4 — песчано-глинистый стержень; 5 —

Зали&очный ковш

Обращается в нуль, давление в полости становится равным ста­тической составляющей рст. Это давление сохраняется до момента затвердевания металла в литниковом канале или образования на поверхности отливки твердой корки, что препятствует передаче напора H газу.

Температура T газа (рис. 81, в) изменяется с изменением тем­пературы кокиля. В начальный момент она равна начальной температуре T211 кокиля, в конце заливки она близка к изменив­шейся температуре кокиля. При определении расчетного объема ^от. расч в качестве Тг можно использовать среднее значение температуры за процесс.

В описанном опыте оказалось, что отношение Aplp0 составляет примерно 0,3. Поэтому при расчете в данном случае может быть применена формула (130).

2. кокили из нормализованных элементов

Кокили из нормализованных Элементов

При расчленении стенки кокиля на части стремятся сделать их универсальными и нормализованными. Такие части (элементы) могут иметь в сечении квадрат, прямоугольник, треугольник, шестиугольник, круг и т. д. При поперечном расчленении воз­никают вопросы, связанные с выбором размеров отдельных ча­стей, способа их крепления и т. д. Многие из этих вопросов

Рис. 82. Схема кокиля из нормализованных элементов:

I — элементы квадратного сечения; 2 — элементы круглого сечення; 3 — литниковая чаша; 4 — облицовка прибыли; 5 — верхняя полуформа; 6 — нижняя полуформа

Обсуждаются в работах [21, 24, 25]. Ниже рассматривается лишь один из примеров.

На рис. 82 показана схема кокиля для изготовления зубчатого колеса из стали ЗОСГЛ массой 580 кг и диаметром около 1150 мм (А. И. Вейник, А. А. Потапов). Кокиль состоит из двух полу­форм — верхней и нижней. Верхняя полуформа 5 изготовлена из быстросохнущей жидкостекольной смеси. Облицовка 4 при­были изготовлена из смеси опилок, асбестовой крошки и жидкого стекла.

Нижняя полуформа 6 образована стальными элементами 1 размером 30x30x250 мм и круглыми элементами 2 — отрезками стального проката диаметром 8—10 мм и длиной 200 мм. Нижняя полуформа 6 покрыта изнутри слоем кокильной краски.

3. ИГОЛЬЧАТЫЕ кокили

Кокиль, изготовленный из элементов в виде отрезков проволоки небольшого диаметра, получил название игольчатого. История вопроса, теоретические и экспериментальные данные, обосновыва­ющие возможность и целесообразность применения игольчатых кокилей, приведены в работах [21, 24, 25].

Упругие деформации отдельных проволочек суммируются. Податливость кокиля при этом такова, что удается отлить в нем коленчатый вал из цериевого чугуна [21 ]. Для количественного определения податливости игольчатого кокиля были выполнены две серии экспериментов (А. И. Вейник, А. И. Храмченков). В первой серии отливали кольца с внутренним диаметром 98 мм, высотой 30 мм и со стенками различной толщины. Наружная поверхность кольца оформлялась песчаной формой, внутренняя — стальным игольчатым стержнем (диаметр иго­лок 2 мм). Опыты по­казали, что кольца тол­щиной 3 мм, изгото­вленные из чугуна и сплава АЛ8, трещин не имеют.

Результаты второй серии экспериментов приведены на рис. 83. Пакет стальных иголок диаметром 2 мм и длиной 130 мм подвер­гали сжатию. Кривые 1 к 2 соответствуют изменению давления и плотности в зависимости от относительной деформации пакета. Кривая 3 получена при разных значениях плотности (применена различная упаковка иголок), но одинаковой относительной дефор – АН

Мации – JP = 1 %. Как видим, игольчатый кокиль обладает вполне

Удовлетворительной податливостью.

Газопроницаемость игольчатого кокиля является следствием продольных каналов между проволочками. Его способность про­пускать через себя газы может быть описана формулой (130) или (131). На рис. 84 приводятся результаты испытаний на газо­проницаемость пакетов иголок в виде образцов диаметром и дли­ной 50 мм [21 ]. Для определения газопроницаемости формовочных смесей иголки набивали в стандартную гильзу прибора. Точками изображены опытные значения. Теоретические кривые 1 и 2 по­строены по известной формуле Козени. Около кривых показаны схемы возможной упаковки иголок. Самая плотная упаковка соответствует кривой 2, самая неплотная — кривой 1 (при не­брежном изготовлении может быть еще худшая упаковка, однако такой неблагоприятный случай здесь не рассматривается). Из рисунка видно, что с увеличением диаметра d иголок газопрони­цаемость игольчатой вставки (или кокиля) резко возрастает. Более плотной упаковке иголок соответствует меньшее значе­ние Kr – Во всех случаях газопроницаемость игольчатой стенки формы выше средней газопроницаемости сырой песчаной формы [штриховая прямая 6, для которой Kr — 1,7-10-8 м4/(Н-с) = = 100 см4/(кг-мин)].

Рис. 83. Влияние различных факторов на податливость иголок

Экспериментальные данные укладываются между теоретиче­скими кривыми 1 и 2, соответствующими различным схемам упаковки (3 — стальные иголки, 4 — медные иголки). Шлифо­ванные иголки при тщательной упаковке дают практически сов-

KrwUllI(H-C) KrIOf М*/(Н-С)

Падающие с кривой 2 данные (точки 5). Опыт показывает, что в реальных условиях приходится иметь дело с промежуточным случаем между предельными возможностями.

В специальных гильзах диаметром 50 мм и различной длины была исследована газопроницаемость пакетов при различной длине I иголок. Результаты опытов со стальными иголками диа­метром d = 2 мм приведены на рис. 84 в виде кривой 7. Видно, что с увеличением I газопроницаемость кокиля вначале быстро, а затем очень медленно падает, однако она все время остается на уровне, значительно превышающем среднюю газопроницаемость сырой формовочной смеси.

Газопроницаемость игольчатых элементов уменьшается при нанесении на них краски. Влияние краски было исследовано на пакетах стандартных размеров; стальные иголки имели диаметр 1,5 мм. Один из торцов образца покрывали кокильной краской. Были испытаны две краски. Пористая краска, состоящая, % по массе, из 32 маршалита, 6,15 огнеупорной глины, 1,2 древесных опилок, 0,’15 KlMnOi, 10,5 жидкого стекла, 50 воды, дала луч-

Рис. 85. Сечение цилиндрической отливки, полученной из латуни JlK 80 —3 без приме­нения (а) и с применением (б) игольчатых вставок

Шие результаты»(кривые 8 и 9). Ее наносили при температуре 520 К. Кривая 8 получена после погружения окрашенного торца пакета в жидкий чугун с темпе­ратурой 1570 К на 10 с. Кри­вая 9 получена до погружения. Видно, что выгорание опилок и некоторых других веществ несколько повысило газопро­ницаемость.

Вторая краска имела со­став, % по массе: 21 марша- лита, 7 жидкого стекла, 72 воды. Нанесение этой краски при 370 К дало наихудшие резуль­таты (кривая 11), нанесение краски при 520 К повысило газо­проницаемость (кривая 10). Из рис. 84 следует, что при слое краски толщиной до 1 мм газопроницаемость игольчатой стенки выше газопроницаемости сырой песчано-глинистой смеси (гори­зонтальная штриховая прямая).

В один из кокилей, показанных на рис. 81, был вставлен сверху пакет иголок. Размеры пакета определяли по формуле (130). В кокили заливали латунь JlK 80—3. Продольные сечения полу­ченных таким образом отливок изображены на рис. 85, а и б. Видно, что отсутствие вентиляционных каналов (рис. 85, а) привело к браку отливки по газовым раковинам и незаполнению формы. С применением игольчатых вставок полностью ликви­дировались эти дефекты; отливки были высокого качества (рис. 85, б).

Опыт показывает, что для вентиляции кокилей целесообразно использовать игольчатые вставки диаметром 15—25 мм с иголками диаметром 1—3 мм и длиной 35—50 мм. Более длинные иголки трудно запрессовывать в отверстие кокиля — они гнутся. В этих случаях целесообразно применять специальные гильзы, в кото­рые предварительно набивают иголки. Гильзы могут быть разрез­ными.

Многочисленные примеры конструкций игольчатых кокилей и полученных в них латунных и чугунных отливок содержатся в работах [21, 24, 25]. Там же приведены данные об их термофизиче­ских свойствах. Продолжительность затвердевания отливок в иголь­чатых кокилях на 15—25% больше, чем в обычных при одина­ковом значении Xz.

4. КОКИЛИ, ИЗГОТОВЛЕННЫЕ МЕТОДАМИ ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

Основы технологии. В кокилях, изготовленных методами порошковой металлургии, наиболее полно воплощается идея расчленения. Действительно, здесь происходит продольное и поперечное деление стенки формы. Процессы изготовления ука­занных кокилей успешно разрабатывает А. К. Машков с сотруд­никами (Е. П. Поляков, В. И. Гурдин, В. В. Черненко). Ими же изучаются свойства металлокерамики как материала кокиля [96].

Изготовление кокиля методом порошковой металлургии заклю­чается в том, что кокиль получают путем прессования металли­ческого порошка в пресс-формах прямым или гидростатическим прессованием с последующим спеканием прессовок. Процесс изготовления кокилей с несложной конфигурацией литейной полости и незначительными перепадами сечений прямым прессо­ванием дает удовлетворительные результаты. Решающую роль при этом играет тщательность изготовления матриц пресс-форм и пуансонов, имеющих конфигурацию модели отливки. Но при усложнении конфигурации рабочих полостей кокилей, увеличе­нии вертикального габаритного размера по отношению к горизон­тальному и наличии раз’ностенности в кокиле возникают труд­ности в получении качественных прессовок. Главная из них — это неравномерное уплотнение порошка в объеме прессуемого изделия, в результате чего возникает расслоение, обнаруживае­мое в прессовках сразу после извлечения их из пресс-форм, или происходит неравномерная усадка прессовок во время спекания. Поэтому рекомендуется метод гидростатического прессования, так как одним из основных его достоинств является равномерность распределения плотности по объему изделия. Собранная пресс – форма для гидростатического прессования показана на рис. 86.

Метод гидростатического прессования металлических порош­ков позволяет изготовлять многослойные кокили и тем самым дифференцированно регулировать теплофизические и механиче­ские свойства кокиля. Для повышения сопротивления термоме­ханической усталости металлокерамических материалов можно применять армирование — введение в матрицу из железного порошка марки ПЖ2М отрезков молибденовой проволоки. Испыта­ние показало, что устойчивость против термомеханической уста­лости армированных материалов в несколько раз выше, чем не – армированных. Это обусловлено повышением энергии зарожде­ния и распространения трещины.

Для цилиндрических полостей кокиля армирующую проволоку располагают непосредственно на поверхности рабочей полости. Этот способ получения покрытий заключается в том, что на ме­таллическую модель 1 внутренней полости кокиля навивают сплош-

Кокили, изготовленные методами порошковой металлургии 219

Рнс. 86. Собранная пресс-форма:

1 — эластичная оболочка; 2,3 — металли­ческий порошок; 4 — модель; 5 — пласти­на

Ной слой проволоки 2 нужного диаметра (рис. 87). После этого модель с проволокой помещают в эластичную герметичную обо­лочку 3 с металлическим порошком 4, а затем в камеру прессования для гидростатического опрессовывания покрытия металлическим порошком. Последующее спекание и пропитка железоборидным сплавом надежно соединяет покрытие с железной матрицей.

Разработан принципиально новый способ изготовления иголь­чатых кокилей спеканием. Он заключается в том, что на ферро­магнитную модель 1 (рис. 88, а), покрытую клеевым веществом 2, воздействуют магнитным полем с помощью электромагнита 3. Затем на модель по нормали к ее поверхности закрепляют мно­жество отрезков стальной проволоки 4, выдерживают в магнитном

Рнс. 87. Схема получения армированного кокиля

2

Рис.

Схема изготовления игольчатых кокилей, скрепленных спеканием: а — установка иголок; б — подготовка к прессованию

Поле до отвердевания клеевого слоя, жестко связывающего по­верхность модели с фиксированными иглами. Далее модель с иглами помещают в эластичную оболочку 5 (рис. 88, б) с метал­лическим порошком 6. Оболочку герметизируют и помещают в ка­меру контейнера гидростатического прессования для опрессова – ния наружных концов игл металлическим порошком.

После гидростатического прессования стальную модель извле­кают из железной прессовки (во время прессования клеевой слой разрушается), прессовка спекается в вакуумной печи и, если необходимо, пропитывается железоборидным сплавом эвтектиче­ского состава, в результате чего иглы надежно фиксируются в матричном материале. Производственные испытания в условиях чугунолитейного цеха показали высокую стойкость полученных кокилей. После тысячи заливок на поверхности армированных и игольчатых кокилей трещин не обнаружено. Один из таких кокилей представлен на рис. 89.

Свойства. На рис. 90 показаны кривые изменения окалино – стойкости спеченного железного порошка, пропитанного различ­ными материалами. Там же для сравнения приведены данные для стали 20 и обычного серого чугуна. Как видно, окалиностойкость полученных материалов значительно выше, особенно в пропи­танном состоянии [96].

Испытанием образцов на сопротивление термомеханической усталости при давлении IO-IO5 Па в диапазоне температур 470— 1020 К установлено, что предел сопротивления термомеханиче­ской усталости железоборидных материалов (ЖБМ), армирован­ных молибденовой проволокой (АЖБМ), в несколько раз выше,

Г/пг 1800 . 1600 ! то

I

¦ 1200

‘ 1000 J

Рис. 89. Игольчатый кокиль, изготовлен­ный спеканием

О 200 т 600 800 ч Продолжительность

Рис. 90. Кривые изменения окалииостойко – сти при температуре 970К:

1 — серый чугун; 2 — сталь 20; 3 — Fe + + (Fe + 4%TiB2); 4 – Fe+(Fe + 3,8%В); S — высокопрочный чугун; S — Fe+(Fe + + 10% NbB2); 7 — Fe+(Fe + 5%СгВ2); 8 — Fe+ (Fe + 5% NbB2 + 3%СгВ2)

I 800 \ 600 W 200

Чем у ЖБМ [97]. Так, образцы выдержали до разрушения сле­дующее число циклов нагрузки: спеченный железный порошок марки ПЖ2М-60, ЖБМ-750, АЖБМ с 8% молибденовой про­волоки — 1500, АЖБМ с 60% молибденовой проволоки — 7500, серый чугун — 140.

Газопроницаемость металлокерамических материалов, приме­няемых для изготовления рабочих стенок кокилей, дает возмож­ность использовать вдув воздуха в форму как способ интенсифика­ции и управления термическими условиями литья. Особенность данного метода — возможность дифференцированного воздействия на отливку как в пространстве, так и во времени.

В заключение необходимо отметить, что метод порошковой металлургии дает возможность совмещать решение задач создания материалов с заданными свойствами и придания изделиям необ­ходимой конфигурации.

5. СОСТАВНЫЕ КОКИЛИ

В составных кокилях идея расчленения реализуется ограни­ченно: рабочая стенка выполняется всего из нескольких относи­тельно крупных элементов. Составные кокили могут быть полу­чены путем поперечного или продольного расчленения рабочей стенки. Такие формы применяют, в основном, при жидкостном охлаждении. Особенности их напряженно-деформированного и теплового состояния исследовали в НИИСЛе (Я – Б. Айзенштейн, В. С. Серебро и др.).

На рис. 91 показана схема водоохлаждаемого кокиля, в кото­ром осуществлено поперечное деление: каждая половина кокиля состоит из двух скрепленных болтами элементов с автономным охлаждением.

Широкое применение нашли двухслойные кокили, т. е. кокили с продольным членением рабочей стенки. Рабочая стенка двух­слойного кокиля представляет собой сменный вкладыш, который вставляют (рис. 92) в водоохлаждаемый корпус либо приставляют к нему (рис. 93) Интенсивность охлаждения вкладыша занимает промежуточное положение между естественным воздушным и прямым водяным охлаждением. Поэтому двухслойный кокиль допускает повышенную частоту заливок в сравнении с формой при воздушном охлаждении, но менее склонен к переохлаждению, чем при водяном. Последнее обстоятельство является преимуще­ством при производстве тонкостенных отливок.

В цилиндрическом двухслойном кокиле осуществляется само­регулирование начальной температуры вкладыша. Эта темпера­тура зависит от величины зазора А (рис. 92) между вкладышем и корпусом. При перегреве вследствие теплового расширения вкладыша зазор уменьшается и интенсивность теплообмена воз­растает, а при переохлаждении происходит обратное.

Рис. 91. Составной водоохлаждаемый кокиль с поперечным делением рабочей стенки: 1 — трубка подвода воды; 2 — трубка отвода воды; 3 — толкатель; 4 — рабочая стенка; S — коробка водяного охлаждения; 6 — полость охлаждения; 7 — подкокильная плита

В случае перегрева рабочей стенки двухслойного водоохлаж – даемого кокиля рекомендуется зазор между стенкой и короб­кой охлаждения заполнять смесью машинного масла и графита или другим материалом с повышенной теплопроводностью. Для удобства осуществления этой операции выполняется V-образная канавка 2 (рис. 93).

Двухслойные кокили имеют следующие преимущества: они безопасны, так как вода не может проникнуть в рабочую полость; уменьшаются затраты на их эксплуатацию, так! как замене под­лежит только вкладыш.

Рис. 92. Цилиндрический двухслой­ный водоохлаждаемый кокиль для получения станин электродвигате­лей из серого чугуна:

/ — нижний водоохлаждаемый стер­жень; 2 — вкладыш; 3 — кольцевой коллектор для подвода воды; 4 — водоохлаждаемый корпус; 5 — вну­тренняя стенка водоохлаждаемого корпуса; 6 — верхний водоохла­ждаемый стержень; 7 — кольце­вой коллектор для отвода воды; 8 — патрубок; 9 — съемная литни­ковая чаша; 10 — песчаный стер­жень для защиты стыка между чашей 9 и вкладышем 2; 11 — крышка кокиля; 12 — рабочая стенка крышки кокиля; 13 — труб­ка подвода воды в стержень; 14 — отверстие в рубашке для отвода воды из стержня; 15 — рубашка для направления потока воды;

16 — патрубок

К составным относятся такие кокили, в которых наиболее нагруженные участки оформляются сменными вставками. С по­мощью вставок условия работы многоместного кокиля сводятся к условиям работы одноместного. Для тонкостенных отливок тыльную сторону вставки теплоизолируют, а для толстостен­ных — покрывают высокотеплопроводным составом.

Особенности термических и термбмеханических условий работы вставок были объектом специальных исследований (А. И. Вейник, Н. П. Дубинин, А. С. Наджафов). В результате, в частности,

Рис. 93. Плоский двухслойный водоохлаждаемый кокиль для отливки из серого чугуна

Щита электродвигателя:

1 — водоохлаждаемый корпус; 2 — V-образная канавка для теплопроводной смазки;

3 — рабочая Стенка

Найдено, что толщину стенки вставки Xb следует рассчитывать по формуле

Y _________ («+ l)Qi____ /iqo\

В— F г л (Т ______ т \ > Vloz;

RBtBPB I’ п шах — ‘ 2н/

Где п — показатель параболы, описывающей температурное поле вставки (для практических расчетов можно принять п = 2); Qi — количество теплоты, которое отдает отливка кокилю; Fb — площадь рабочей поверхности вставки; св — удельная теплоем­кость материала вставки; рв — плотность материала вставки; Tu шах и T2a —максимальная температура рабочей поверхности и начальная температура вставки.

Установлено также, что рациональными являются вставки круглого или прямоугольного сечения. Начальная величина за­зора X3a3 между корпусом кокиля и вставкой должна удовлетво­рять условию

Am d (T1RP T2Н) Y^y /1QQ\ j Г~