Основы литья в коктиль | Металлолом

1. Аксенов П. Н. Оборудование литейных цехов. M., Машиностроение, 1977. 510 с.

2. Амбарцумяи X. М. Технология отливки кокильной стальной ступицы. — Литейное производство, 1971, № 11, с. 41.

3. Анисович Г. А., Жмакин Н. П. Охлаждение отливки в комбинированной форме. ‘M., Машиностроение, 1969. 136 с.

4. Афанасьев В. Г., Кузнецов П. Г. Некоторые вопросы управления на­учно-техническим прогрессом. — В кн.: Научное управление обществом, вып. 4, M., Мысль, 1970.

5. Баландин Г. Ф. Формирование кристаллического строения отливок. M., Машиностроение, 1973. 287 с.

6. Баландин Г. Ф. Основы теории формирования отливки. M., Машино­строение, 1976. 328 с.

7. Баранов А. А. Фазовые превращения и термоциклирование металлов. Киев, Наукова думка, 1974. 231 с.

8. Болотов А. Н. Механизированная кокильная линия для отливки деталей из стали 110Г13Л. — Литейное производство, 1976, № 7, с. 34—35.

9. Болтенков И. Ф. Кокиль для отливки образцов. — Литейное производ­ство, 1972, № 5, с. 40.

10. Борисов Е. С., Паньшин В. И., Рощин М. И. Стальные отливки в водо – охлаждаемых металлооболочковых формах. — Литейное производство, 1971, №.8, с. 4—5.

11. Брилах М. M., Ясногорский В. И. Теплофизические свойства кокильных покрытий. — В кн.: Теплофизика в литейном производстве. Минск, АН БССР, 1963, с. 127—131.

12. Бураков С. Jl., Рывкис Я – M., Яцунский Р. П. Влияние усилий смыка­ния кокильной машины на деформацию рабочей плиты кокиля. — Кузнечно – прессовое и литейное оборудование. Научно-технический реферативный сбор­ник (НИИМАШ), 1966, № 5, с. 23—25.

13. Бураков С. Jl., Серебро В. С. Деформация и перемещения в облицован­ных кокилях. — Технология производства, научная организация труда и управ­ления. Научно-технический реферативный сборник (НИИМАШ), 1977, № 1, с. 7—9.

14. Бураков С. Jl., Хомяк Ю. М. Аналитический метод определения усилий сжатия кокилей в период заливки. — Извествия вузов. Машиностроение, 1969, № 9, с. 169—173.

15. Васильев А. А., Яковлев М. Т., Смирнов В. Н. Отливка в кокиль гребен­чатых втулок.—Литейное производство, 1968, № 11, с. 38.

16. Вейник А. И. Тепловые основы теории литья. M., Машгиз, 1953 . 384 с.

17. Вейник А. И. Испытание кокильных красок на теплопроводность. M., Машгиз, 1956. 231 с.

[1] Особенности технологии литья в облицованные кокили рассмотрены в гл. XVIII.

В расчетах общего случая затвердевания значение г0 учиты­вается только при определении со3. Из табл. 1 видно, что с увеличе­нием г„ начальное значение переохлаждения AT1kp. н снижается. Менее активные подложечные включения благодаря их большому количеству заметно снижают величину начального переохлаж­дения.

1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЦЕХОВ

Эффективность применения литья в кокиль зависит от уровня разработки технологических процессов, степени автоматизации и производительности оборудования, стойкости оснастки. Однако достижение высоких технико-экономических показателей в такой же мере определяется организацией производства и уровнем про­ектных решений цехов и участков. Опыт показывает, что наилуч­шие технико-экономические показатели удается получить при соз­дании специализированных цехов и участков, рассчитанных на выпуск не менее 5 тыс. т отливок в год (по чугуну). Наиболее ценный опыт накоплен в автомобильной, тракторной, электро­технической отраслях промышленности.

Несмотря на различие планировочных решений цехов, можно выделить ряд общих принципов их построения:

1) цехи включают плавильные и кокильно-заливочные участки, отделения обрубки и термообработки, стержневое, финишных операций; характерным является наличие участка ремонта кокилей;

2) производство строится на основе поточных и автоматизи­рованных линий;

3) предусматриваются мощные вентиляционные установки, так как имеют место большие локальные тепловыделения;

4) новые цехи цветного литья располагаются, как правило, в двухэтажных зданиях;

5) оптимальная производительность специализированных цехов составляет 10—25 тыс. т в год.

В цехах серийного производства, в случае установки поточных линий из отдельных кокильных машин, на последних. выполняются все операции технологического процесса изготовления отливки: подготовка полуформ, установка стержней, сборка форм, заливка металла, охлаждение отливки, разборка формы, извлечение от­ливки, охлаждение формы. Это требует организовать подачу металла, стержней, уборку отливок и т. п. к каждой машине, что, с одной стороны, создает определенные трудности в организации транспортных систем и потоков; с другой — усложняет решения по вентиляции, так как необходим подвод приточно-вытяжных патрубков и трубопроводов к каждой машине. Аналогичные трудности возникают с решением вопроса механизированной уборки отливок и отходов производства.

Организационная структура цехов литья в кокиль должна создаваться как законченный технологический комплекс и содер­жать ряд вспомогательных участков: изготовления и ремонта кокилей (с механизированным складом); ремонта оборудования;

Расположения гидро – и электрооборудования; хранения запасных частей и узлов.

Проектные и организационные решения очистных участков цехов литья в кокиль не имеют никаких специфических отличий от аналогичных участков в цехах литья в песчаные формы. Однако трудоемкость этих операций, особенно при условии широкого при­менения металлических стержней, существенно уменьшается.

В проекты цехов включаются склады текущего хранения мо- дельно-кокильной оснастки, емкость которых рассчитывается на трех-, четырехдневный задел. Склады готовой продукции рассчи­тываются на недельный выпуск и по возможности совмещаются с отделениями грунтовки отливок.

2. ПРИМЕРЫ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ ЦЕХОВ

Комплексно-механизированный цех алюминиевого литья. Цех

Предназначен для производства фасонных отливок из алюминие­вых сплавов для тракторных двигателей, топливных насосов и пусковых двигателей. Большинство отливок имеют сложную кон­фигурацию и различные толщины стенок (2—20 мм).

Цех представляет собой светлое двухэтажное здание и состоит из трех продольных пролетов шириной по 24 м, длиной по 180 м и высотой до нижнего пояса ферм 12,2 м и двух поперечных про­летов шириной по 24 м, длиной по 72 м и высотой до нижнего пояса ферм 12,2 м. К зданию примыкают бытовые помещения шириной 18 м. Общая длина цеха (без учета бытовых помещений) 228 м. Общая ширина цеха 72 м. Общая площадь цеха (без учета бытовых помещений) 24 192 м2.

Состав производства: плавильное отделение, стержневое отде­ление, отделение производства отливок в кокилях с песчаными стержнями, отделение производства отливок в кокилях без песча­ных стержней, отделение производства отливок на машинах под давлением, обрубочно-очистное отделение, термическое отделение. Вспомогательные службы: ремонтно-механическая мастерская, экспресс-лаборатории: спектральная, формовочных материалов, химическая; пирометрический пункт, склады оснастки, участок ремонта ковшей.

Комплексный технологический цикл поточного производства охватывает все этапы: от подготовки шихтовых материалов и плавки металла до укладки готовых отливок в контейнеры для отправки в механические цехи завода.

Плавка металла производится в индукционных печах ИАТ-2,5 полезной емкостью 2,5 т. В цехе установлено пятнадцать печей (три блока по пять печей в каждом пролете). Жидкий металл транспортируется в заливочный зал на специально оборудованных электрокарах и мостовыми кранами.

В двух пролетах цеха смонтированы 76 одно – и многопозицион­ных кокильных машин мод. 5924, 5926, 5946А, 5946Б и 5966, описанных в гл. XIX, а также шестдадцатипозиционная карусель­ная машина мод. 59К613. Схема расположения машин показана на рис. 200. Все машины работают в автоматическом цикле с дози­рующими установками мод. Д63, Д250, Д730. Применение ком­плекса литейная машина—дозатор при изготовлении отливок на полуавтоматических кокильных машинах допускает их многоста­ночное обслуживание. Внешний вид пролета, в котором уста­новлены комплексы, представлен на рис. 201.

Отливки автоматическими съемниками извлекаются из кокилей и системой склизов и конвейеров транспортируются к сортировоч­ным кругам. Отливки с песчаными стержнями подаются в изолиро­ванный бокс для выбивки, после чего подвесным конвейером пере­даются на ленточные конвейеры, которые доставляют их на участок обрезки литников. Последний оборудован ленточными пилами и фрезерными станками. Очищенные отливки подвесными конвейе­рами поднимаются на второй этаж, где подвергаются термической обработке. Процесс термообработки осуществляется на семи автоматических линиях «закалка—старение».

Годные отливки в оборотной таре транспортируются на механи­зированный склад готовой продукции, расположенный на первом этаже.

Подготовка стержневых составов производится в трех смесите­лях типа 1А12, изготовление стержней — на четырех стержневых автоматах мод. 4544 (по горячим ящикам), двух полуавтоматах Б-83, трех автоматических установках мод. 310, четырех карусель­ных автоматах мод. 4509А. В стержневом отделении установлены два электрических сушила типа СКВЭ-3 и одно горизонтальное проходное электрическое сушило для подсушки исправленных и окрашенных стержней. Рядом с сушилом расположены стеллажи со штабелером для хранения стержней.

В каждом отделении и на участках имеются комнаты отдыха. Большое внимание обращено на микроклимат в помещении цеха. На местах повышенного газо – и пылевыделения установлены мощ­ные бортовые отсосы. Свежий воздух, поступающий летом, охлаж­дается, а зимой подогревается.

Технико-экономические показатели: съем с 1 м2 общей площади 0,91 т/год, выпуск на 1 работающего — 15,7 т/год.

Корпус для производства из алюминиевых сплавов деталей автомобильных двигателей. Здание размером 144×263 м имеет два поперечных 24-метровых пролета и восемь продольных 18-метровых пролетов. Высота 24-метровых пролетов (склад шихты и плавильное отделение) 15 м, а остальных — 12 м. Корпус алюминиевого литья подразделяется на плавильное отделение, цех литья под давлением и цех литья в кокиль.

Рис. 200. Планировка кокильного пролета цеха цветного литья:

1 — пневмодозатор для алюминия (мод. Д250); 2 — кокильная машина мод. 5946; 3 — пневматический дозатор (мод. Д630; 4 — кокильная машина мод. 5924; 5 — кокильная машина мод.^5966; 6 — карусельная кокильная машина мод. 59К13

Hi. ‘ * ^ -‘ 4 . .ѕ*ѕ; * > .

ЧЦ

Рис. 201 Внешний вид заливочного пролета цеха алюминиевого литья

Я

; J Запас шихтовых материалов и песков предусмотрен из расчета месячной/ютребности._Шихтовые материалы поступают в железно­дорожных вагонах. Разгрузка осуществляется однотонными элек­тропогрузчиками и электромостовым краном грузоподъемностью 5 т и дальнейшей транспортировкой в места хранения автопогруз­чиками грузоподъемностью 2—3 т.

Плавка производится в газовых плавильных печах. Загрузка шихты в печь механизирована. Расплавленный металл перелива­ется в печь, откуда пневмонасосом или из летки переливается в нагретый ковш. После доводки сплава в ковше, выдержки и дегазации ковш автопогрузчиком с поворотной вилкой или по монорельсу электроталью транспортируется к печи, где металл переливается в тигель раздаточной печи. Каждая плавильная печь предназначена для выплавки сплава только одной марки.

В цехе литья в кокиль установлены пять поточных линий (для производства поршней, впускного коллектора и картера рулевого управления, головки блока, цилиндра переднего тормоза) и стержневое отделение. Отливки изготовляются на гидравличе­ских полуавтоматах.

На термообработку детали подают в специальной таре авто­погрузчиком. В цехе установлены две электрические шахтные печи для закалки и отпуска отливок.

Технико-экономические показатели цеха: общая площадь цеха 32 ООО м2, съем с 1 м2 площади — 0,73 т/год, выпуск на одного работающего 23,3 т/год.

Цех литья высокопрочного чугуна. Ширина основного пролета цеха 24 м, длина 192 м. Состав производства: плавильный участок, кокильное отделение, термическое отделение, обрубное отделение. Изготовление стержней, грунтовка отливок, изготовление оснастки и другие вспомогательные службы размещены в общих для ряда цехов помещениях корпуса литья для гидроаппаратуры. Шихто­вые материалы подаются к плавильным печам из соседнего пла­вильного отделения. Загрузка шихты в электроплавильные печи производится мостовым краном грузоподъемностью 10 т. Плавка чугуна осуществляется в трех электрических индукционных печах. Жидкий металл переливается в миксеры, которые мостовым краном грузоподъемностью 10 т устанавливаются в поворотные стенды. Емкость каждого миксера 2 т. Подогрев осуществляется газом.

В цехе установлены две поточные кокильные линии. Каждая из них включает две камеры модифицирования чугуна магнием и четырнадцать автоматизированных кокильных машин с вертикаль­ным разъемом. Подача жидкого металла из миксера в камеры моди­фицирования чугуна магнием, а затем для заливки в кокильные машины осуществляется специальными подвесками в ковшах емкостью 200—300 кг. После выбивки отливки попадают на уборочный пластинчатый конвейер, а с него— на специальное устройство для укладки горячих отливок на поддоны, поступающие с термоагрегата. Нагруженный отливками поддон передается элек­троталью по монорельсу к одному из толкателей двухрядного про­ходного термоагрегата, в котором отливки проходят заданный ре – жимтермообработки. Нагрев термоагрегата осуществляется газом.

После термообработки отливки поступают на отрезку прибылей и литниковых систем шлифовальными кругами, после чего посту­пают для снятия заливов на стационарные и подвесные шлифо­вальные станки, а затем передаются на грунтовку.

Технико-экономические показатели цеха: общая площадь цеха 5460 м2, съем с 1 м2 площади 0,65 т/год, выпуск на одного рабо­тающего 36 т/год.

Опытно-показательный цех литья электродвигателей из серого чугуна. Цех размещается в корпусе, состоящем из двух попереч­ных и трех продольных пролетов. В одном поперечном пролете шириной 24 м и длиной 72 м располагаются механизированный склад материалов и другие вспомогательные службы. Во втором поперечном пролете шириной 12 м и длиной 24 м размещены адми­нистративно-бытовые помещения.

В трех продольных пролетах шириной 24 м и длиной 72 м каждый размещено основное технологическое оборудование. Вы­сота пролетов 12 м. Все шихтовые материалы хранятся в железо­бетонных закромах и по мере необходимости загружаются магнит­но-грейферным краном в расходные бункеры механизированных линий загрузки шихты. Из расходных бункеров шихтовые мате­риалы поступают на весовые дозаторы. После взвешивания шихта подается на пластинчатый конвейер, который транспортирует их через поворотный лоток непосредственно в плавильные печи. Поворотные лотки оборудованы вытяжными зонтами. Выплавка синтетического чугуна из тонколистовых отходов динамной стали осуществляется в электрических индукционных печах промышлен­ной частоты — ИЧТ-6. В цехе предусмотрена» установка двух блоков по четыре печи в каждом. Одновременно;в»каждом блоке могут работать три печи. Для? литья и термообработки~преду – смотрены четыре автоматизированные линии мод. А58 и А57. Подробно описаны эти линии в предыдущей главе. Там же по­казаны соответствующие схемы (см. рис. 180).

Обрубка заусенцев и зачистка местТразъема и остатков литни­ковых систем производится в обрубном отделении. Удаление зали­вов на отливках станин электродвигателей осуществляется на спе­циальных токарных станках.

Технико-экономические показатели цеха: общая площадь цеха 7000 м2, съем с 1 м2 площади 3,1 т/год, выпуск на одного работаю­щего 105 т/год.

3. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ

Комплексная качественная оценка технико-экономической эф­фективности основных способов литья осуществлена В. М. Шесто – палом [142]. Результаты этой оценки приведены в табл. 36; цифры обозначают оценочные показатели по нисходящей линии — от 5 до 1 (чем выше эффективность, тем меньше коэффициент). Табличные данные позволяют провести сопоставительный анализ различных способов литья.

Таблица 36

Сравнительные характеристики разных способов лнтья

	Литье
Характеристика технического		В оболоч­
Нлн экономического показателя	В сырые	Под дав­
	Песчаные	Ковые	Лением	В кокнль
	Формы	Формы
Неограниченность размеров….	1	3	5	2
Влияние конфигурации……………………….	2	3	5	4
Применение различных сплавов. .	1	2	5	4
Стоимость оснастки…………………………….	1	3	5	4
Продолжительность освоения. . .	1	4	5	2
Наименьшая экономичная партия	1	3	5	4
Возрастание экономичности с увели­
Чением партии…………………………………….	4	3	1	2
Производительность (темп)…………………..	4	3	1	2
Чистота поверхности отливок. . .	• 5	3	1	4
Тонкостенность отливок………………………	4	3	1	5
Выход годного…………………………………….	4	3	1	3
Величина допусков……………………………..	5	3	1	3
Простота механизации и автомати­
Зации…………………………………………………	5	4	1	1

При выборе того или иного способа литья для производства конкретной отливки решающим фактором должен стать сравнитель­ный технико-экономический расчет эффективности в конкретных условиях. Рассмотрим примеры.

Трудоемкость изготовления 1 т чугунных станкостроительных отливок при переходе с литья в песчаные формы на литье в кокиль составили соответственно 86, 95 и 49,1 нормо-ч.

В табл. 37 приведено сравнение массы трех различных чугун­ных отливок фрезерного станка, полученных литьем в песчаные формы и в кокиль.

Существенно снижаются трудоемкость, брак и масса отливок из алюминиевых сплавов при переводе их с литья в песчаные формы на кокильное литье. В табл. 38 это показано на примере ряда сложных отливок двигателя.

Экономические показатели специализированных цехов и

Участков литья в кокиль зна­чительно превосходят аналогич­ные показатели механизирован­ных цехов литья в песчаные формы. В то же время их вели­чина зависит от мощности це­хов, серийности [«производства, номенклатуры, сложности, мас­сы отливок, степени механиза­ции производства. Для различ­ных отраслей машинострое­ния они различны.

Таблица 37 Масса чугунных отлнвок фрезерного станка

Отливка	Масса, кг, при литье	Экономия металла, %
В песчаные формы	В кокиль
Стол…. Хобот…. Салазки . . .	107 70 87	86 56 74	20,6 20 15

Однако эти данные не

Имеется ряд работ, в ко­торых сделаны попытки обоб­щить экономические показатели цехов по отраслям машино­строения и по видам сплавов [64, 69 однозначны (табл. 39).

Таблица 38 Сравнение экономических показателей производства отливок

Отливка	Лнтье в	Песчаные формы	Лнтье в кокиль
Трудоем­кость, нормо-ч	Брак, %	Масса обрублен­ных от­ливок, кг	Трудоем­кость нормо-ч	Брак, %	Масса обруб­ленных отливок, кг
Головка цилиндра	– 4,7	25	28,0	3,1	4,0	16,5
Картер редуктора	23,0	20	62,0	3,0	4,7	45,0
Патрубок карбюрато­
Ра……………………………..	5,2	32	17,5	0,7	6,5	5,0
Диффузор…………………..	5,7	33	32,0	2,3	8,0	17,0

Таблица 39

Показатели работы чугунолитейных цехов [64]

Показатель	Сельхозмашино­строение	Станкостроение
Песчаные формы	Кокиль	Песчаные формы	Кокнль
Выход годного к металлозавалке, % Выпуск на одного рабочего, т/год Съем с 1 Ma площади, т/год…. Стоимость 1 т литья, руб………………………………………..	70 47—55 4,0 ‘ 114	72 130 5,6 110	69 45 3,9 136,6	87 93 7,3 100

Вышеуказанные технические и экономические преимущества получения заготовок литьем в кокиль обусловливают непрерывное увеличение выпуска отливок этим способом. Номенклатура отли­вок, полученных в кокилях, расширяется не только за счет пере­вода ряда отливок с литья в песчаные формы на литье в кокиль, но также за счет замены сплава, например чугуна, на высокопроч­ные алюминиевые сплавы, стали — на высокопрочный чугун и т. д. При этом происходит резкое уменьшение трудоемкости механической обработки (иногда в 4—8 раз), повышение стойкости режущего инструмента в 2—3 раза. Все эти факторы стимулируют установившийся постоянный ежегодный рост выпуска кокильных отливок на 5—8%.

I. линия ЛИТЬЯ в ОБЫЧНЫЕ КОКИЛИ

Наибольшая эффективность достигается при производстве отливок на автоматизированных линиях. Такие линии применяют в условиях крупносерийного и массового производства. Они явля­ются в основном специализированными. При выпуске более широ­кой номенклатуры отливок успешно применяют поточные линии, состоящие из стационарных однопозиционных полуавтоматических кокильных машин [53]. Автоматизированные линии обычно про­ектируют на базе многопозиционных карусельных кокильных машин. В линии встраивают заливочные машины, устройства для очистки кокилей и нанесения защитных покрытий, а также меха­низмы, осуществляющие ориентированную передачу стливок из кокиля в устройство для автоматического отделения литниковой системы и выбивки песчаных стержней. Перечисленное оборудова­ние, связанное единой системой управления, составляет основу линий литья в кокили.

В линии могут входить также плавильные агрегаты, автоклавы для обработки чугуна магнием, агрегаты для термической обра­ботки отливок, транспортные устройства для подачи жидкого металла, передачи отливок на финишные операции и удаления технологических отходов, установки и приборы для контроля отливок, оборудование для очистных операций.

Линия мод. А35 для литья из чугуна с шаровидным графитом стоек тракторных плугов. Линия (рис. 178) многие годы успешно эксплуатируется на Одесском заводе сельскохозяйственного машиностроения им. Октябрьской революции (разработана в НИИСЛ) [98].

Линия состоит из четырех участков: плавильного, заливочно – кокильного, термообработки и очистки отливок. Жидкий чугун в ковшах емкостью 500 кг передается для модифицирования в ка­меры 5, а затем поступает к двухпозиционной заливочной машине 3. Ковши транспортируются с помощью винтовых подвесок с меха­низированным приводом перемещения и подъема ковша. Металл заливается в кокили, установленные на восьми – или шестипози- ционных карусельных машинах 7 и 1. Управление заливочной и карусельной кокильной машинами дистанционное и осуществля­ется оператором с общего пульта 2. Отливки извлекаются из кокиля манипулятором 8 и подаются в механизм 9 для отбивки литниковой системы и далее по конвейеру 10 поступают на прием­ный стол И, где манипулятором 12 укладываются на поддоны термоагрегата. Отожженные отливки после частичного охлажде­ния в баке 17 поступают на дробеметную очистку и зачистку шли­фовальными кругами.

Рис. 178. Комплексно-механизированная линия литья стоек тракторных плугов! 1 и 7 — кокильные карусельные машины; 2 — пульт управления; 3 — заливочная ма­шина; 4 — монорельс; б — камера модифицирования; 6 — вагранки; 8 — манипулятор съема отливок из кокиля; 9 — механизм отбивки литников; 10 — конвейер; 11 — прием­ный стол; 12 — манипулятор укладки горячих отливок на поддоны; 13 — поддон; 14 — монорельс возврата поддонов; 15 — термоагрегат; 16 — кантователь’поддонов; 17 — бак охлаждения; 18 — дробеметиая камера

В линии попеременно работают две карусельные кокильные машины: шестипозиционная пневматическая машина мод. JI125 восьмипозиционная гидравлическая машина мод. Л484 (представ­лена в виде схемы на рис. 172). Внешний вид заливочно-кокильного участка линии со стороны машины мод. Л484 показан на рис. 179. На переднем плане видна заливочная машина.

Извлечение отливок из кокиля и передача их в механизм для отбивки литниковой системы производится выталкивателем и ма­нипулятором. После захвата отливки клещами манипулятора вклю­чается гидроцилиндр выталкивателя. Штыри выталкивателя идут вперед и через знаковые гнезда неподвижной половины кокиля, в которые устанавливаются песчаные стержни, выталкивают

Рис. 179. Заливочно-кокильный участок линии литья стоек тракторных плугов

Отливку. Далее манипулятор переносит ее на приемник механизма 9 (см. рис. 178) автоматического отделения литников. Там отливка захватывается скобой за среднюю часть, клещи манипулятора разжимаются и возвращаются в исходное положение.

После отбивки литниковой системы отливка скатывается по склизу на конвейер 10, по которому передается к приемному столу 11. Отходы проваливаются в зазор между полотном конвейера и металлоконструкцией стола, а детали соскальзывают в определен­ном положении на наклонный стол. Оператор включает подъем стола, отливка захватывается клещами гидравлического манипуля­тора 12. Манипулятор имеет цилиндры подъема и разворота на 180° и механизм перемещения по бирельсовому пути от приемного стола к поддону.

Нагруженный отливками поддон 13 подается с помощью подъем­но-поворотного стола и механизма подачи в загрузочную зону тер­моагрегата 15 между толкателем и заслонкой печи.

Огжиг производится в механизированном термоагрегате 15, состоящем из двух проходных двухрядных печей (для первой и второй стадий термической обработки) и водяной ванны. Пере­мещение поддонов с отливками внутри печей, выгрузка отливок и возврат порожних поддонов под загрузку полностью автомати­зированы.

Техническая Характеристика линии: масса отливаемых деталей до 50 кг; производительность 120 шт/ч; емкость различного ковша 500 кг, число обслужи* вающих рабочих в смену 9 чел.

Особенностью линии является жесткая связь между ее отдель­ными механизмами, а также усложненная схема передачи отливок от механизма отбивки литниковой системы к манипулятору для укладки отливок на поддоны термоагрегата. Наличие здесь кон­вейера, на котором отливки теряют ориентированное положение, значительно усложнили конструкцию манипулятора. К недостат­кам линии следует также отнести наличие ряда ручных операций: окраска и очистка кокилей, установка стержней. Применение в гидросистеме линии минерального масла иногда приводит к возгораниям в зоне заливки.

Линия мод. А58 для изготовления чугунных станин электро­двигателей 5-го габарита (II на рис. 180). Линия разработана на базе шестнадцатипозиционной карусельной кокильной машины мод. Л430М (см. рис. 174).

Заливка металла в кокили осуществляется из ковшей, установ­ленных в кассеты двухпозиционной ковшовой заливочной машины (рис. 180). Металл периодически подается в ковш из барабанного обогреваемого грзом миксера, смонтированного рядом с заливочной машиной. Вытолкнутая из кокиля отливка манипулятором 13 передается на конвейер, который переносит ее к механизму от­бивки литника 10. Далее отливка подается к манипулятору 11, который устанавливает их на загрузочные тележки термоагрегата 12, состоящего из двух проходных электропечей с роликовым подом. Загрузочными тележками отливки поочередно подаются к каждой печи и проталкиваются в нее гидравлическим толкателем.

Прошедшие отжиг отливки попадают в душирующую камеру, установленную в торце термоагрегата, где охлаждаются до 70— 80° С. Далее отливки передаются ленточным конвейером в отделе­ние зачистки и контроля литья. Основные агрегаты линии кмеют гидравлический привод от общей насосной установки. Линией управляет оператор с центрального пульта управления 6.

Техническая характеристика линии: производительность 100 шт/ч (8000 т/год); масса отливки 27,5—31,5 кг; емкость заливочного ковша 500 кг; установленная мощность 130 кВт; габаритные размеры 35X9,45 м.

Линия мод. А57 для изготовления щитов и лап электродвига­телей. В состав линии (/ на рис. 180) входят две поочередно рабо­тающие восьмипозиционные карусельные кокильные машины 4, пластинчатый транспортер 5 непрерывного действия для переноса

Рис. 180. Автоматизированные линии для литья деталей электродвигателей:

I — линия для литья щитов; 11 — линия для литья стаиии; / — плавильные тигельные печи; 2 — газовый миксер; 3 — ковшовая двухпозициоииая машина; 4 — карусельная кокильная машина для подшипниковых щитов; 5 — транспортер; $ — пульт управления; 7, 11, 13 — манипуляторы; 8 н 12 — термоагрегаты; 9 — карусельная машина для ста­ции; /0 — механизм отбирки литиикор

Отливок к термоагрегату 8, манипулятор 7, термоагрегат с камерой охлаждения.

Заливка чугуна в кокили производится двухпозиционной заливочной машиной 3 из ковшей емкостью 100 кг. Ковши попол­няют из рядом стоящих миксеров 2 емкостью 2 т.

Отлитые детали выталкиваются из подвижной половины кокиля и падают в ориентированном положении на пластинчатый транс­портер. При этом происходит отделение литников. Отливки и литники подаются к загрузочному склизу, устроенному таким образом, что отливки попадают в термоагрегат, а литники прова­ливаются в специальную емкость.

Линией управляет оператор с центрального пульта. Линия проста и надежна в эксплуатации.

Основные данные линии: производительность 200—220 заливок в час; масса отливаемых деталей 3—8 кг; размеры подкокильных плит, мм: ширина 970, высота 450; ход плиты 230 мм; усилие смыкания кокилей 500 кН (5000 кгс); габа­ритные размеры линии (длинах ширина) 42X17 м.

Линия мод. А48 для литья ступиц автомобильных прицепов.

По своей компоновке она несколько отличается от описанных выше линий. В состав линии входят: камера-автоклав, двух – позиционная заливочная машина, двенадцатипозиционная кару­сельная кокильная машина (см. рис. 176), выбивная решетка, конвейер, электротали для транспортировки металла с по­мощью тельферов и две автоматизированные рольганговые элек­тропечи.

Жидкий чугун в ковшах емкостью 350 кг транспортируется от вагранок электроталями сначала к камере-автоклаву для модифи­цирования чугуна, а затем к двухпозиционной заливочной ма­шине. Операции, выполняемые на карусельной машине, ясны из ее описания (см. гл. XIX).

Выталкиваемые из кокилей отливки соскальзывают по наклон­ному желобу на выбивную решетку. После выбивки стержней от­ливки попадают на цепной транспортер, который подает их к за­грузочному устройству печей.

Загрузочное устройство подает отливки в контейнеры, пооче­редно заталкиваемые в две рольганговые электропечи. На выходе из печей отливки выгружаются из опрокидываемых контейнеров в емкость, куда подается вода для охлаждения отливок, а из нее цепным конвейером передаются в очистное отделение. Порожние контейнеры по конвейерам подаются к загрузочному устрой­ству.

Основные данные линии: производительность 115 отл/ч; металлоемкость кокилей 26 кг; привод основных агрегатов линии — гидравлический; габарит­ные размеры линии в плане (длинах ширина) 23X9 м.

2. МЕХАНИЗАЦИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ЗАЛИВКИ КОКИЛЕЙ

Техиико-экоиомические предпосылки механизации заливки,

К основным преимуществам машинной заливки следует отнести общее повышение эффективности всего комплекса технологиче­ского оборудования линии, участка и цеха. Применение механизи­рованной и в особенности автоматизированной заливки открывает большие возможности экономии металла, достигаемой уменьшением массы литниковой системы, ликвидацией сплесков и сливов, сокра­щением брака, а также уменьшением массы отливок, стабилиза­цией их размерной и массовой точности [136]. Механизированная заливка позволяет снизить брак (по вине заливщиков) вследствие стабилизации процесса заливки, ликвидации недоливов, уменьше­ния газовых и шлаковых включений и т. д. В отдельных случаях брак может быть снижен на 50% [75].

Экономическая эффективность механизированной заливки за­висит от производительности кокильной машины, типа применяе­мой заливочной машины, металлоемкости форм, степени использо­вания линии.

Значение механизации и автоматизации заливки не ограничи­вается экономическими показателями. Важнейшим преимуществом является ликвидация тяжелого ручного труда в зоне с повышенной температурой и загазованностью, возможность удалить человека из опасной зоны и создать ему нормальные санитарно-гигиениче­ские условия труда.

Особеииости и требования к заливочным устройствам. На выбор способа вылива расплава, системы дозирования и других важней­ших параметров заливочных устройств определяющее влияние оказывают следующие особенности заливки кокилей: узкий интер­вал допустимых колебаний расходов (по массе) расплава (не более 2% [168]); необходимость снижения скорости заливки в конце процесса в связи с затрудненной вентиляцией полости металли­ческой формы; разнообразие программ заливки вследствие приме­нения литниковых систем с различными функциями и конструктив­ными особенностями.

Успешному решению механизации и автоматизации заливки способствует выполнение ряда требований, предъявляемых к ли­тейным формам и транспортным средствам для них [136 ]: унифика­ция места расположения заливочной чаши и ее размеров, а также места расположения выпора (при его наличии); фиксированное расположение кокиля относительно транспортного средства (кару­сельной машины или рольганга) и заливочного устройства.

Классификация устройств для заливки. В связи с многообра­зием особенностей процесса заливки, требований к заливочным устройствам и связанными с ними транспортных средств, конструк­ций кокильных машин и линий существует большое количество различных видов заливочных устройств — машин, установок, печей. Заливочные машины классифицируют на две группы по признакам устройства и признакам назначения. В качестве основ­ных признаков устройства принят способ вылива расплава, система дозирования и регулирования расхода расплава. В каче­стве основных признаков назначения приняты конструктивное исполнение, компоновка с дополнительными средствами, вид заливаемого сплава и поддержание температуры расплава.

По виду заливаемого сплава заливочные установки разделяются на установки для заливки чугуна, алюминиевых сплавов и стали; по методу дозирования: установки с дозированием по заполнению формы, по массе, по продолжительности вылива и по объему дозы металла. По конструктивному исполнению различают заливочные установки с наклоняемой емкостью (ковшовые), с пневматической выдачей металла, магнитогидродинамические, со стопорной разда­чей металла.

Дозирование может быть осуществлено: 1) по объему: мерным ковшом, мерным приспособлением, вытеснением металла пробкой, мерной чушкой, вытеснением металла газом; 2) по массе: взвешива­нием металла в ковше, взвешиванием формы; 3) по продолжитель­ности: с помощью реле времени при выливе металла через носок секторного ковша; выливом через калиброванную втулку из сто­порного ковша; заливкой с помощью поворотных желобов, а также с помощью конических ковшей, поворачиваемых по копиру; 4) по заполнению кокиля с помощью контроля уровня металла в выпоре оптическим реле, тепловым реле, приборами изотопного контроля, заполнением кокиля под низким давлением и вакуумным всасы­ванием, с помощью контактного датчика, вмонтированного в ко­киль.

При заливке кокилей чугуном наибольшее распространение получили установки с наклоняемой емкостью, с пневмовыдачей металла и электромагнитные.

Заливочные установки с наклоняемой емкостью. На рис. 181 показана схема установки заливочной машины мод. Л396 с ков­шами емкостью 75 кг комплектно с газовым миксером емкостью 2 т. Этот комплекс входит в состав линии литья щитов, описанной в предыдущем параграфе и показанной на рис. 180. Кроме гидро­цилиндра 6 наклона ковшей для заливки, машина имеет гидро­цилиндр 7 наклона ковшей на позиции заполнения расплавом из миксера 1. С помощью гидроцилиндра 7 можно сливать остатки расплава из ковша в изложницу 8, расположенную под миксером 1. Машина оборудована устройством для автоматического прекра­щения заливки (отсечки струи) по сигналу электроконтактного датчика уровня, встроенного в заливаемый кокиль. Точность дози­рования — 2—3% [135].

Машина работает в автоматическом режиме. При подходе ко­киля на позицию заливки ковш поворачивается и металл поступает в форму. По достижении уровнем металла контактного датчика подается команда на реверс ковша. Производительность машины до 200 заливок в час при дозе 4—5 кг.

В СССР разработана гамма аналогичных установок с ковшами емкостью от 250 до 2500 кг чугуна (три типо-размера).

Заливочные установки с?пневматической выдачей металла. Установки этого типа получили довольно широкое распростране­ние при заливке кокилей алюминием. Схема пневматических доза­торов серии Д показана на рис. 182. Они представляют собой герме­тичную камерную электропечь сопротивления 1, оборудованную крышкой 4 и люком 3 для долива металла.

Имеется обогреваемый металловод 5, выполняемый из асботер – мосиликатной трубы с калиброванной втулкой 6. После герметиза­ции камеры по команде с пульта в пространство над металлом подается сжатый воздух. Металл поднимается по металловоду и достигает уровня калиброванного отверстия. В этой зоне установ­лен датчик, который подает сигнал на начало дозирования, осуще­ствляемого по времени.

Главным достоинством установок является отсутствие металли­ческих подвижных частей, ковшей, соприкасающихся с жидким алюминием, а также сифонная выдача сплава. Однако эти доза­торы имеют и ряд недостатков: низкую точность дозирования (особенно для малых доз), большую инерционность (большую про­должительность набора и сброса давления), необходимость оста­новки установки для пополнения металлом, большое зеркало

Расплава и недолговечность металловода.

Рис. 181. Ковшовая заливочная машина в комплекте с газовым миксером:

1 — миксер; 2 — ограждение; 3 — лоток; 4 — поворотная рама; 5 — ковш; 6 — гнд – роцилиндр поворота ковша; 7 — гндроци – линдр для механизации слива остатков ме­талла; 8 — изложница

Существенное влияние’на точ­ность дозирования оказывают

Рис. 182. Схема пневматического дозатора для заливки алюминиевых сплавов:

1 — электропечь сопротивления; 2 — ван – иа с жидким металлом; 3 — люк для доли­ва металла; 4 — крышка печи; 5 — метал­ловод; 6 — калиброванная втулка

Скорость сброса давления воздуха и точность работы реле времени [102]. Путем модернизации электро – и пневматических схем доза­торов Д63 удалось повысить точность дозирования с ±14—15% до ±5%.

Технические данные пиевмодозаторов типа Д

Параметры	Д63	Д250	Д630
Емкость ванны по алюминию, кг	63	250	630
Масса дозы, кг:
Наименьшая………………………………………..	0,2	1,0	5
Наибольшая………………………………………..	2,0	20	50
Продолжительность выдачи дозы (ми­
Нимальной и максимальной), с. . .	4—5	7—20	7—25
Точность дозирования, % ……………………	±5	±5	±5
Время разогрева печи, ч………………………	8	6	6
Установленная мощность, кВт. . .	11,6	21,6	34,0
Средний расход сжатого воздуха на	0,3	0,5	1,0
Один цикл, m3……………………………………………………………
Габаритные размеры, мм:
Длина………………………………………………..	2030	2650	3580
Ширина……………………………………………..	1505	1400	1900
Высота………………………………………………	1285	1900 ‘	2250
Масса с футеровкой, кг……………………….	2000	2800	4000

Для заливки чугуна созданы пневматические дозаторы с индук­ционным подогревом: отечественные установки мод. У42 (НИИСЛ), ИЧК. Р-2,5 и ИЧК. Р-6 (Саратовский завод электротермического оборудования) и установки зарубежных фирм Asea, Junker и др. Установки (рис. 183) представляют собой канальную индукцион­ную печь, в которой ванна 1 и окно скачивания шлака герметизи­рованы и рассчитаны для работы при избыточном давлении в по­лости печи [43 ]. Заливочный 2 и выпускной 3 каналы находятся

5 4 J 2

А) В)

Рис. 183. Схема пневматического дозатора для заливки чугуна:

А — в исходном положении; б — в процессе выдачи дозы металла; 1 — ванна печи; 2 — канал для заливки металла; 3 — канал для выдачи «металла; 4 — крышка; 5 — носок с калиброванной втулкой; 6 — канал индуктора

У днища печи, таким образом создается сифон, обеспечивающий наилучшие условия для выдачи чистого от шлаковых включений металла.

Использование сифонной системы позволяет без нарушения гер­метичности доливать металл в процессе работы установки, даже во время выдачи дозы. Для поддержания требуемой температуры жидкого металла в дозаторах этого типа, как правило, установ­лены канальные индукторы промышленной частоты. Дозирование металла производится по времени или по уровню металла в форме. Скорость заливки регулируется изменением уровня металла над сливным отверстием и сменой сливных втулок с калиброванным отверстием (рис. 184, а). На рис. 184, б показана зависимость расхода жидкого металла от диаметра D сливного отверстия при разном напоре H жидкого металла. Для поддержания постоянного напора на желобе установки снабжаются электроконтактными датчиками.

Недостатки пневмоустановок для чугуна: возможность окисле­ния жидкого металла при контакте со сжатым воздухом, сложность их герметизации, большая инерционность (особенно велико время после поступления команды до полного прекращения заливки), сложность эксплуатации канальных индукторов.

Для повышения быстродействия установок, особенно для выдачи мелких доз, целесообразно применять на желобе стопорный механизм, перекрывающий отверстие в сливной втулке.

ст (k – W – tg a) cos2 а, (143)

Где k — отношение наружного диаметра (размера) отливки к внут­реннему; f — коэффициент трения между поверхностью отливки и стержнем при расчетной температуре; а — уклон стержня.

По мере снижения температуры отливки и, следовательно, перехода металла в область упругих деформаций опасность ее разрушения из-за затруднения усадки увеличивается. Поэтому рекомендуется извлекать стержни при более высоких температу­рах, преимущественно в области пластических деформаций: для серого чугуна при температуре отливки в пределах 1135—1155 К, а для алюминиевых сплавов при температуре около 725 К- Большое влияние на руАоказывает величина коэффициента трения f при температуре извлечения стержня. Величина f существенно зависит от состава смазки (покрытия) (см. рис. 116). Для графитовых сма­зок этот коэффициент наименьший, а с увеличением содержания жидкого стекла и маршалита значение / увеличивается.

Для расчетов усилий извлечения круглых металлических стержней из отливок из серого чугуна с учетом конкретных усло­вий литья можно воспользоваться номограммой, приведенной на рис. 170,

Где Г2Н—начальная температура поверхности кокиля и стержня перед залив­кой; S1 -—толщина стенки отливки; Tct—Tm — разность температур стержня в момент извлечения и перед заливкой; T1—температура отливки, при которой извлекается стержень; К — отношение средней толщины стенки кокиля к сред­ней толщине стенки отливки; а°—конусность стержня в градусах; / — коэффи­циент трения между отливкой и стержнем для красок различных типов: I — на основе графита, II—без облицовки (стержень смазан машинным маслом), /// — графит + бентонит. Наклонные прямые на диаграмме соответствуют T211 при К = 1.

Порядок определения удельного усилия показан на номограмме стрелками для двух случаев: 1) Т2и = IOO0 С, Tct = 150° С,

Т or

Ьи, с —-

It, мм 7 10 15 ZO 25

Ш

Руд, мфи

Рис. 170. Номограмма для определения усилий извлечения цилиндрических металлических

Стержней

S1 = 15 мм, T1 = 1000° С, K= 1,5, = 3° и f = 0,2; 2) Гст = = 180° С, T1 = 860° С, а° = 2°, / = 0,26 и остальные параметры — по предыдущему примеру. Величина руд, выраженная в кгс/см2, в номограмме определена для круглой втулки. Для призматиче­ского стержня рУд умножают на коэффициент kK, зависящий от конструкции и размеров стержня (рис. 171: 1 — линия для случая, Kk

> 1; 2 —

1,66 1,22 OJ8

Ф

В/Н

Рис. 171. График для определения коэффициен­та К — формы призматического стержня

Ь, . „ 2,10

Когда отношение 1,5

Для круглых, стержней; 3 — Ь/а>3; а — ширина стержня, Ъ — длина стержня, H — высота стержня).

5. карусельные машины

Восьмипозиционная машина мод. J1484 предназначена для литья из чугуна с шаровидным графитом деталей тракторных плу­гов. Рама 3 карусели (рис. 172) с восемью кокильными сек­циями 8 и механизмами 7 металлических стержней установлена на мощную пустотелую колонну 1. Масса карусели воспринимается упорным шарикоподшипником. В радиальном направлении она центрируется по колонне втулками скольжения. Снизу к поворот­ной раме прикреплено зубчатое колесо, находящееся в зацеплении с шестерней гидравлического реечного механизма привода 2 карусели. Вращение сообщается карусели при ходе рейки вперед; при этом находящаяся в зацеплении с рейкой шестерня соединена с валом кулачковой муфтой. При движении рейки назад (муфта

Торных плугов:

J — колонна; 2 — привод поворота; 3 — рама карусели; 4 — маслораспределнтельная колонка; 5 — Водораспределительная колонка; 6 — командоаппарат с гидрораспреде» лителями; 7 — механизм металлических стержней; 8 — кокильная секция; 9 — фнк-

Сатор

Выведена из зацепления с шестерней) осуществляется холостой ход. Карусель в это время удерживается фиксатором 9.

Существенную роль для конструкции кокиля с удлиненным металлическим стержнем (см. рис. 72) играет система его охлаж­дения. Вода подается через водораспределительную колонку 5 к коллекторам, от которых поступает в половинки кокилей и стержень через диафрагменные водяные клапаны. Открытие клапа­нов производится на первой позиции только в случае, если в ко­киль залит металл. Закрытие клапана подачи воды в металличе­ский стержень происходит на второй позиции.

Основные данные машины: масса отливаемых чугунных деталей до 50 кг; производительность 120 шт/ч; размер подкокильных плит 600X800 мм; усилие смыкания кокилей 100 кН, диаметр карусели 6300 мм.

A-A

Вссьмипозиционная машина мод. J1390 предназначена для производства тонкостенных отливок из серого чугуна типа крышек электродвигателей, насосов и т. п. Она представляет собой кару­сель с вертикальной осью вращения (рис. 173).

Рис. 173. Восьмипозицион – иая карусельная машина мод. Л390 для литья крышек

Электродвигателей: / — основание; 2 — колон­на; 3 — центральная рама; 4 — кронштейн с отверстия­ми для фиксации; 5 — коки­льные секции; 6 — механизм раскрытия секций; 7 — рас­пределительная колонка; 8 — фиксатор; 9 — поводко­вый привод поворота

Отличительной особенностью машины является конструкция привода кокильных секций. Кокильные секции не имеют индиви­дуальных силовых цилиндров. Раскрытие и закрытие кокилей, а также сжатие половин кокиля на позиции заливки производятся с помощью стационарного механизма, расположенного в средней части карусели.

Механизм имеет четыре гидравлических цилиндра. Два из них — цилиндр закрытия и цилиндр сжатия кокиля — непод­вижны, так как указанные операции производятся в период остановки карусели.

Конструкция привода кокильных секций позволяет уменьшить число Цилиндров, золотников и гидрокоммуникаций. При некото­ром снижении оперативности работы секций (так как их раскрытие и закрытие происходит на определенных позициях) надежность работы машины повышается, а масса ее может быть уменьшена. Чем большее число позиций имеет машина, тем выгоднее примене­ние стационарного привода кокильных секций.

Основные данные машины: масса отливаемых чугунных деталей 4 кг; произ­водительность 240 шт/ч; размеры подкокильных плит 830 X 545 мм; расстояние между плитами в сомкнутом состоянии 300 мм; ход подкокильной плиты 240 мм; габаритные размеры машины 4200X3500 мм.

Шестнадцатипозиционная машина мод. J1430M (рис. 174) пред­назначена для отливки ребристых станин электродвигателей в во – доохлаждаемых кокилях (схема кокиля на рис. 92). Наружная

Рис. 174. Шестиадцатипозициоииая карусельная машина мод. Л430М для литья ста­нин электродвигателей: 1 — основание; 2 — колоина; 3 — платформа карусели; 4 — нижняя часть кокиля; 5 — траверса; 6 — консоль; 7 — заливочная машина

Поверхность отливки и литниковая система оформляются корпу­сом кокиля и крышкой. Внутренняя полость оформляется метал­лическим стержнем.

Карусельная платформа состоит из пяти элементов: централь­ного базового барабана, надеваемого на колонну 2, и четырех прикрепленных к нему секторов, образующих наружный пояс, на котором сверху располагаются кокильные секции, а на боковой поверхности — ролики привода и фиксации карусели и башмаки опорных роликов, воспринимающих вертикальные нагрузки от выталкивателя отливки из кокиля.

Кокильная секция состоит из фасонного кольца, в которое уста­навливается корпус кокиля 4 (см. рис. 92), и кронштейна с пово­ротной траверсой, предназначенной для крепления крышки ко­киля 11. Траверса снабжена рычагом с роликом для закрытия крышки по копиру и нижним — для. открытия крышки стационар­ным цилиндром. Копир крепится к центральной колонне машины. Выталкивание отливки из кокиля призводится снизу на третьей позиции гидроцилиндром. Механизм привода и фиксатор кару­сели укреплены на самостоятельных фундаментах. Механизм привода представляет собой качающуюся балку, по направляющим которой возвратно-поступательно перемещается каретка с захва­том.

Основные данные машины: масса отливаемых чугунных деталей 3D кг; производительность 110 шт/ч; диаметр карусели 5530 мм.

Четырехпозиционная машина мод. J1MB450 предназначена для отливки чугунных радиаторных секций. Отличительной осо­бенностью машины (рис. 175) является поворот карусели вокруг горизонтальной оси.

Конструкция машины позволяет осуществить заливку кокилей в любом их положении, в том числе и в наклонном. Отливки удаля­ются автоматически с помощью толкателей и по склизу 3 направ­ляются в бункер. При выталкивании отливки кокиль находится в вертикальном положении. Каждая из четырех секций 1 пред­ставляет собой пневматический станок, имеющий неподвижную и подвижную подкокильные плиты. Кокильная секция монтируется на поворотной раме 2, ось которой закреплена в станине 5. Привод 7 периодического поворота карусели состоит из электродвигателя, •муфты с электромагнитным тормозом и редуктора, связанного с валом машины открытой зубчатой передачей 6.

Формы охлаждаются вентилятором 4. Возможно также приме­нение дополнительного водяного охлаждения.

Двенадцатипозиционная машина мод. А48.01 предназначена для производства отливок из чугуна с шаровидным графитом сту­пиц автоприцепов (рис. 176). Установка стержней и заливка про­изводятся в кокиль при горизонтальном разъеме. Операции вы-

Рис. 175. Четырехпозициониая карусельная машина мод. ЛМВ450 для литья радиаторов:

1 — кокильная секция; 2 — поворотная рама; 3 — склиз для отлнвок; 4 — вентилятор системы воздушного охлаждения; 5 — станина; 6 — зубчатая передача; 7 — электро­механический привод поворота

Рис. 176. Двенадцатипозиционная карусельная машина для литья ступиц автоприце-

1 — колонна; 2 — рама; 3 — ролики; 4 — копир; 5 — плита неподвижная; в — сектор; 7 — подшипник; 8 — кокильная секция; 9 — привод поворота

Бивки отливки и обслуживания кокиля осуществляются при вертикальном расположении плоскости разъема.

На шести гранях карусели установлены секторы 6 с закреплен­ными на них подшипниками 7, на которых подвешиваются кокиль­ные секции 8, поворачивающиеся под действием копира 4 на 90°. Кокильные секции выполнены с подвижной передней и неподвиж­ной задней плитами и снабжены индивидуальными гидроцилиндра­ми (по два на каждой секции), приводящими в движение плиту. На неподвижной колонне сверху карусели установлен стационар­ный механизм выбивки стержней и выталкивания отливки из неподвижной половины кокиля. Для выталкивания отливки из подвижной половины кокиля имеется стационарный механизм с захватным устройством, предотвращающим передачу усилия выталкивания на секцию. Поворот карусельной кокильной ма­шины осуществляется пульсирующим приводом 9, установленным на опорной раме.

Основные данные машины: производительность 115 шт/ч; металлоемкость кокиля 26 кг; ритм работы 18—22 с (в том числе поворот 7 с), длительность оста­новки 11—15 с; размеры рабочего места на плитах для крепления частей кокиля 630X500 мм.

Зарубежные карусельные машины. Итальянская фирма «Fata» создала специальную шестипозиционную карусельную машину для крупносерийного производства автомобильных алюминиевых дета­лей, в том числе поршней диаметром до 150 мм. Машина имеет производительность 150 отливок в час и работает в комплексе с пневматической раздаточной печью и манипуляторами для установки стержней и съема отливок.

Привод периодического поворота карусели представляет собой систему гидромотор—редуктор—зубчатая цилиндрическая пере­дача. Для остановки и гашения инерционных сил на сварной опорной раме установлено демпфирующее гидропневматическое рычажное тормозное устройство. Движение частей кокильных секций осуществляется от стационарно расположенных приводов. Для лучшего заполнения формы металом и вентиляции секции на позиции заливки наклоняются на определенный угол. Штоки стационарных гидроцилиндров привода секций снабжены наконеч­никами грибовидной формы, входящими на рабочей позиции в охватывающие наконечники штанг механизмов секций. В центре машины установлен коллектор для подвода к секциям охлаждаю­щей воды и газа для разогрева кокилей в начале работы.

Гидропривод работает на негорючей жидкости. Давление рабо­чей жидкости до 10 МПа.

Четырехпозиционная машина фирмы «Voisin» (Франция) пред­назначена для литья тормозных цилиндров из алюминиевого сплава. Платформа машины непрерывно вращается вокруг цент-

12 П/р А. И. Вейиика ральной колонны. Привод вращения осуществляется от электро­двигателя через вариатор и червячный редуктор при помощи роли­ков с резиновыми бандажами. Один из этих роликов через рычаг прижимается к ободу платформы пневмоцилиндром.

Каждая кокильная секция снабжена горелками для предвари­тельного разогрева кокилей. Передача воздуха и газа в горелки осуществляется через специальную систему в виде водяного за­твора, смонтированного на центральной колонне.

Вверху платформы, на четырех полых лапах, через которые вода поступает к кокильным секциям, установлен бак с охлаждаю­щей водой. От кокильных секций вода возвращается в этот бак. Включение и отключение насоса перекачки воды производится от специального термодатчика; пополнение бака осуществляется с помощью поплавкового клапана.

На каждой секции установлено два кокиля. В одном кокиле отливаются две детали.

Основные данные машины: производительность 220 шт/ч; ход боковых под – кокильных плит (каждой) 120 мм; ход выталкивателей 50 мм; ход механизма верх­них стержней 140 мм; габаритные размеры: диаметр карусели 3600 мм, высота над уровнем пола 2600 мм, полная высота 3200 мм.

Пятипозиционная машина этой же фирмы предназначена для литья сложных деталей типа головок блока цилиндров автомобиль­ных двигателей. Машина работает в комплексе с двухтигельной раздаточной печью, заливочным устройством и механизмом съема отливок.

Карусель имеет конструкцию, аналогичную вышеописанной чет рехпозиционной. Кокильная секция пятипозиционной машины состоит из следующих основных узлов: станины; механизма боко­вых (правой и левой) плит; поддона с механизмом выталкивания отливок; верхнего стержня с механизмами его перемещения и устройством для поворота траверсы; механизма наклонных стерж­ней; механизма торцовых стержней (предусматривается возмож­ность установки переднего и заднего торцовых стержней); механизм перемещения мерной заливочной чаши. В связи с большим числом подвижных частей кокиля секции имеют сложную систему управ­ления. Команды на перемещение отдельных частей кокиля пода­ются с помощью пневматических датчиков, переключающих золотники.

Заливка металла производится манипулятором из специального ковша. Ковш, перемещаясь вертикально вниз, через отверстие в днище заполняется металлом. Команда на остановку вертикаль­ного перемещения вниз поступает от контактов при их соприкосно­вении с металлом. После этого ковш поворачивается и металл перетекает в закрытую полость ковша. Далее следует подъем ковша и его перемещение на специальной подвеске к заливочной чаше, установленной на каждом станке (секции). Путем наклона заливочной чаши при помощи гидроцилиндра металл с заданной скоростью заливается в кокиль.

Съем отливки осуществляется с помощью съемника. На этой же позиции обдувается воздухом кокиль и разогревается мерная чаша (на станке) с помощью стационарно установленной газовой горелки. Далее отливка устанавливается в специальное приспо­собление для отбивки литниковой системы, после чего уклады­вается в корзины и направляется по конвейеру.

Основные данные машины: производительность 40—50 шт/ч; ход боковых подкокильных плнт (каждой) 250 мм; ход выталкивателей 50 мм; ход механизма верхних стержней 150 мм; диаметр карусели 6000 мм.

Предприятием VEB Eisenhommerwerk Dresden—Dolzschen (ГДР) и фирмой Metalna—Maribor (СФРЮ) разработана карусель­ная машина типа «Edkomatic». Машины «Edkomatic» выпускают двух исполнений — двенадцати – и шестнадцатипозиционными. Плоскость разъема кокилей горизонтальная. Подвижной является верхняя полуформа. В кокильных секциях предусмотрены гидро­цилиндры для привода нижнего и боковых стержней. Поворотный стол имеет электромеханический привод.

Машина работает следующим образом. Сразу после окончания заливки кокиля оператор-заливщик нажатием педали выключателя

Поворачивает машину на ^или -^r-) окружности. Реле вре­мени, установленные на требуемую выдержку охлаждения отливки, включаются, и после того, как истечет установленное время, они пускают в действие рабочие цилиндры в той последовательности, в какой срабатывают реле. Цилиндры могут приводиться в дей­ствие как на остановке, так и во время вращения карусели. От­ливка опускается на определенную высоту (высоту можно регу­лировать), на которой нижний цилиндр отрывает нижнюю поло­винку кокиля от отливки и отводит ее в крайнее положение. В заранее установленной точке отливки выталкиваются в контей­нер либо на конвейер.

Закрытие кокилей возможно в различных позициях с помощью кулачков, замыкающих выключатели закрытия кокиля. Кокили закрываются только после того, как оптический пирометр замерит их температуру. В случае, если температура ниже или выше задан­ной, автоматически включается оптический или звуковой сигнал.

Кокильная секция снабжена тремя рабочими цилиндрами; цилиндры можно использовать каждый отдельно или комбини­рованно.

Цилиндры могут работать с кокилями, состоящими из двух, трех и четырех составных частей.

Каждая кокильная секция имеет индивидуальную панель управления с рядом пусковых кнопок, с помощью которой обеспе­чивается проверка работы механизмов установки и ручное управ­ление ими.

Основные данные машины:

Параметры	Двенадцатипози­ционная	Шестнадцатипози – ционная
Размеры отливаемых деталей, мм	600X600X400	380X380X400
Усилие смыкания (размыкания) ко­
Киля, кН……………………………………………….	До 100	До 100
Машинное время для изготовления от­		8—15
Ливок массой 5 кг, с………………………………	8—15
Габаритные размеры, мм:	6400	6400
Диаметр карусели…………………………………
Диаметр по осям кокильных сек­
Ций……………………………………………………..	5600	5800
Высота над уровнем пола. . .	2900	2900
Глубина от уровня пола….	2200	2200
Высота заливки над уровнем пола	550	550

6. КОКИЛЬНЫЕ КОНВЕЙЕРЫ

На заводе «Водоприбор» (г. Москва) разработан кокильный конвейер для литья разногабаритных чугунных деталей массой от 3 до 100 кг с различной серийностью выпуска. Транспортная часть установки выполнена в виде напольного тележечного конвей­ера, несущего кокильные машины трех типов.

Каждый тип машины рассчитан на определенную группу отли­вок, получаемых в чугунных кокилях с вертикальной плоскостью разъема.

Рис. 177. Секция кокильного конвейера: / — тележка; 2 — корпус; S — рычаг с роликом; 4 — крышка кокиля; 5 — кокиль;

6 — склиз

Подача сжатого воздуха к машинам осуществляется с помощью распределительного телескопического устройства. Извлеченные из кокилей отливки попадают по склизу в теплоизолированные кон­тейнеры, расположенные в туннеле. В целях интенсификации режима работы применена система охлаждения кокилей в виде охлаждающего экрана с водяной завесой.

Основные данные установки: масса отливок 3—100 кг; шаг платформы 1600 мм; скорость перемещения от 1,5 до 6 м/мин; усилие смыкания кокилей 50 кН; годовая производительность (при односменной работе) 6000 т отливок.

На рис. 177 показана секция кокильного конвейера для литья колес шахтных вагонеток. Она состоит из замкнутого напольного конвейера, на тележках которого установлены кокильные секции. Кокильные секции имеют корпус 2, в котором на двух взаимно перпендикулярных осях установлены кокиль 5 (ось поворота совпадает с направлением движения конвейера) и крышка кокиля 4 (ось поворота перпендикулярна направлению движения). Кор­пус закреплен на тележке 1 конвейера.

Залитые формы передвигаются к устройству для автоматиче­ского раскрытия крышки. Ролики рычагов крышки наезжают на неподвижные копиры. Крышка, соединенная с изогнутыми рыча­гами, повернувшись на угол, превышающий 90°, под действием собственного веса продолжает поворачиваться до упора в корпус секции. Плавность опускания крышки достигается с помощью контркопиров, по которым по мере передвижения конвейера пере­мещаются ролики. Раскрытие крышки происходит через 30—40 с после окончания заливки. Отливка выбивается из корпуса кокиля через 5—6 мин (при повороте его на 180°). После выбивки отливки корпус и крышку кокиля, когда они остынут (до 520—570 К), очищают металлической щеткой, обдувают сжатым воздухом и при дальнейшем движении конвейера окрашивают с помощью автомати­ческого пульверизатора. Последующими операциями являются установка песчаных стержней и закрытие крышки.

Кокильные конвейеры получили широкое распространение при производстве из серого чугуна отливок фасонных частей для изделий сантехники.

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

1. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СПЛАВОВ

В машиностроении медные сплавы — латуни и бронзы — полу­чили широкое распространение. Литые латуни — многокомпонент­ные сплавы, в состав которых, кроме меди и цинка, входят один или несколько легирующих элементов: алюминий, никель, же­лезо, кремний, марганец, олово, свинец. Легирующие элементы придают латуням специальные свойства или улучшают ординар­ные (прочность, литейные свойства и пр.).

Структура латуни обычно состоит из а-твердого раствора цинка в меди; при наличии в ней более 30% Zn в структуре содержится кроме а-твердого раствора и p-твердый раствор, основой кото­рого является химическое соединение CuZn. Увеличение содержа­ния цинка приводит к увеличению в структуре сплава твердого раствора |3, к повышению прочности и к снижению пластичности. Количество p-раствора увеличивается и при повышении скорости затвердевания отливки.

Латуни отличаются небольшим интервалом кристаллизации, что обусловливает их хорошую жидкотекучесть. Вместе с тем они имеют большую усадку: 1,6—2,5%, в зависимости от их химиче­ского состава (минимальная усадка у марганцовистых латуней, максимальная — у алюминиевых). Обычно латуни имеют малую склонность к образованию усадочной пористости, исключение составляют алюминиевые. Присутствие в латунях кремния уве­личивает растворимость водорода и ухудшает качество отливок [109].

В качестве основных компонентов бронзы могут быть олово (оловянные бронзы) и алюминий (алюминиевые бронзы). Кроме этого, применяют марганцевые, кремнистые, бериллиевые, свинцо­вые, сурьмянистые и другие бронзы. Свойства каждого из спла­вов определяются в основном количеством основного легирую­щего элемента. Зависимость механических свойств оловянной бронзы от содержания олова, показана на рис. 141.

Оловянные бронзы имеют усадку в пределах 1,4—1,6% и от­носительно высокую жидкотекучесть. Жидкотекучесть пони­жается с повышением содержания олова; присутствие цинка, свинца, никеля увеличивает ее значение. Так, бронза Бр. ОЦ 10-2 имеет жидкотекучесть, равную 21 см, а бронза Бр. ОЦС 3-12-5 — 60 см. Вместе с тем оловянные бронзы, ввиду большого интервала кристаллизации, имеют повышенную склонность к образованию усадочной пористости. Увеличение скорости затвердевания отли­вок из оловянных бронз повышает их герметичность.

Свинцовые бронзы подвержены сильной ликвации вследствие особенностей кристаллизации, которая происходит в несколько

Рис. 141. Зависимость механических свойств оловянной броизы от содержания олова

Стадий и сопровождается расслое­нием расплава на два жидких слоя (монотектический процесс). Умень­шить и даже устранить ликвацию можно ускоренным затвердева­нием отливки.

Алюминиевые бронзы дают плотные отливки (ввиду малого интервала кристаллизации), но имеют большую усадку и повышен­ную окйсляемость в жидком состоянии, что объясняется большим сродством алюминия к кислороду.

Отливки из кремнистых бронз так же, как из кремнистых ла – туней, легко поражаются газовой пористостью, причиной этого является кремний. Увеличение количества свинца в кремнистых бронзах способствует получению более плотных отливок, но ухуд­шает их механические свойства.

В последнее время все более широкое распространение в элек­тромашиностроении получают фасонные отливки из практически чистой меди с весьма малым количеством легирующих элементов (до 1,0%), повышающих ее прочность и улучшающих литейные свойства. Чистая медь, имея высокую электропроводность, от­личается низкой прочностью и плохими литейными свойствами — низкой жидкотекучестью, значительной усадкой (1,8—2,0%), что способствует образованию трещин, усадочных раковин и пор в от­ливках. Кроме того, жидкая медь способна растворять большое количество газов, выделение которых при затвердевании вызывает образование газовых’раковин. и’пористости. Окислы меди, раство­ряясь в расплаве, обогащают его’кислородом, снижают электропро­водность и ухудшают и литейные, и механические свойства металла.

Электропроводность меди снижается также при вводе неко­торых элементов. Это необходимо учитывать при выборе легирую­щей добавки для улучшения механических и литейных свойств. Такими элементами, например, являются кадмий и хром. В сплаве меди с 0,6—1,0% Cd сохраняется 05% электропроводности и по­вышается прочность до 710 МПа (71 кгс/мм2). Ввод хрома до 0,5— 0,7% снижает электропроводность на 20%, но значительно по­вышает прочность и жаропрочность. Однако эти присадки не устраняют повышенной склонности меди к образованию горячих трещин.

2. ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА И КАЧЕСТВО ОТЛИВОК

Литье в кокиль медных сплавов обеспечивает повышение свойств металла, что объясняется особенностями затвердевания, кристаллизации и питания отливки в условиях ускоренного за­твердевания (гл. II—IV). Так, например, бронза Бр. АЖ9-4 при литье в песчаные формы имеет ов = 400 МПа (40 кге/мм2) и б = = 10%, а при литье в кокиль — 500 МПа (50 кгс/мм2) и 12% соот­ветственно.

О повышении механических свойств оловянной бронзы при увеличении скорости затвердевания говорилось в гл. III (см. рис. 15 и 16) при обсуждении вопроса о комплексном параметре процесса кристаллизации.

Отливки из бронз со свинцом (Бр. ОЦС 4-4-17, Бр. АЖС 7-1,5-1,5 и др.) при замене песчаных форм кокилями значительно повы­шают антифрикционные свойства и износостойкость, что связано с резким измельчением включений свинца.

Некоторые медные сплавы (например, оловянные бронзы) при литье в кокиль настолько повышают свои свойства, что ока­зывается возможным заметно уменьшать в них дефицитные добавки.

Благотворно действует на структуру и свойства сплавов Cu— Sn—Ni повышение скорости затвердевания с одновременной до­бавкой алюминия: в этом случае свойства сплава в литом состоя­нии приближаются к свойствам термически обработанного, от­литого в обычных условиях (без алюминия и в песчаных формах).

О преимуществах литья в кокиль свидетельствует, в частности, тот факт, что латунные отливки могут устойчиво выдерживать дав­ление свыше 30 кгс/см2 только тогда, когда они отлиты в кокиле. Только при литье в кокиль можно обеспечить достаточную плот­ность отливок из оловянных бронз.

Уменьшение и полное устранение брака по газовым раковинам в отливках из кремнистой латуни возможно только при замене песчаных форм кокилями. Литье в кокиль не только позволяет снизить расход металла на заготовку, но и уменьшить толщины стенок готовых деталей (из-за более высоких свойств).

Таким образом, литье в кокиль сплавов на медной основе имеет явные преимущества перед литьем в разовые формы и целе­сообразность его применения очевидна. Однако необходимо по­мнить о некоторых особенностях этого процесса. Особенности литья в кокиль меди и ее сплавов обусловлены прежде всего низ­кой их трещиноустойчивостью. Для преодоления этого недостатка необходимы такие меры, как раскисление, модифицирование и ра­финирование. Из-за трещин сложные тонкостенные латунные от­ливки весьма трудно получать в кокилях, однако тщательная обработка сплава фтористым натрием позволяет решать эту про­блему [161].

Присадка легирующих элементов в сплавы меди с целью по­вышения служебных свойств часто вызывает одновременно сниже­ние их трещиноустойчивости. Так как при литье в кокиль слу­жебные свойства медных сплавов повышаются представляется воз-

Можность применять легирующие в меньших дозах и тем самым повышать трещиноустойчивость.

Для устранения ликвации в отливках из свинцовой бронзы, предупреждения пористости в отливках из латуни и оловянной бронзы необходимо применять процессы литья, обеспечивающие повышенную скорость затвердевания. Это достигается исключе­нием песчаных стержней и вставок, охлаждением кокилей водой, применением высокотеплопроводных материалов для кокилей. Один из примеров литья бронзы с применением металлического стержня описан в работе [15]. На рис. 142, а представлен эскиз гребенчатой втулки из латуни JIK 80-3JI с толщиной стенок до 5 мм. Получают ее в двухразъемном кокиле с центральным метал­лическим стержнем (рис. 142, б). Заливка производится через прибыль высотой 100 мм.

По конструкции стержни могут быть самые различные и, в частности, — водоохлаждаемые. В работе [47] говорится об успешном использовании подобных стержней при литье деталей из оловянных бронз. Внутренние стенки полых стержней охла­ждают водяным душем. При этом обращается внимание на следую­щую особенность: при раннем пуске воды стержень не успевает прогреться, более поздний пуск воды вызывает трещины в от­ливках.

Особенность литья в кокиль медных сплавов состоит также в целесообразности использования специальных способов повыше­ния скорости затвердевания отливок. Так, в работе [44] указы­вается, что литье в обычные кокили не обеспечивало получения здоровых отливок из свинцовистой бронзы с содержанием 9,0— 11,0% Pb. Брак золотников по усадочной пористости и ликвации достигал до 60% . Была опробована технология литья наморажива­нием на водоохлаждаемый кокиль-кристаллизатор. Применение нового способа позволило сократить брак золотников до 3%.

3. ОСОБЫЕ СЛУЧАИ ЛИТЬЯ

Литье втулок. Втулки — наиболее характерные отливки из сплавов меди; они, как правило, представляют собой детали от­ветственного назначения, для которых высокие плотность, износо­стойкость и прочность являются главными требованиями. Рас­смотрим некоторые примеры.

Освоен процесс литья втулок наружного диаметра 320 мм, внутреннего — 160 мм, высотой 1200 мм из бронзы Бр. АЖ 10-3-1,5. Стержни для них изготовляются из цельнотянутых труб толщиной 5—10 мм [78].

Интересный способ литья в кокиль втулок и полувтулок больших диаметров из бронзы Бр. ОЦС 5-5-5 приведен в работе [155]. Диаметр втулок более 400 мм, высота до 1000 мм. Для пре­дупреждения^ усадочной пористости на внутренней поверхности

Втулок применен металлический стержень (рис. 143). Стержень по­лый, состоит из трех или четырех собранных вместе секторов. Поло­сти между секторами засыпают фор­мовочной смесью, а зазоры между секторами заделывают быстросохну­щим составом.

Один из видов податливых стержней показан на рис. 144. Стержень состоит из трех частей: центральной части 3 в виде тра­пеции и двух боковин 4, кото­рые разжимаются разрезными коЛь-

Рис. 143. Эскиз кокиля для литья крупных втулок:

1 — поддон; 2 — формовочная смесь; 3 — стер­жень; 4 — корпус кокиля; 5 — литниковый стержедь

Защитные покрытия, заливка и термическая обработка

A-A

5

Рис. 144. Схема устройства податливого металлического стержня: 1 — плита; 2 — корпус кокиля; 3 — центральная часть стержня; 4 — две боковниы;

5—7 — разрезные кольца; 6 — обойма; 8 — отливка

Цами 5 и 7. Стержень фиксируется внизу в гнезде плиты 1 ко­киля, а вверху — в обойме 6. При затвердевании и усадке от­ливки 8 боковины 4 стержня сжимаются и выталкивают централь­ную часть 3, отчего стержень и делается податливым. На раз­борку и сборку такого стержня затрачивается не более 3 мин.

В отливках типа втулок используют простые литниково-пи- тающие системы, например дождевую, если высота отливки не очень большая. Для более высоких втулок рекомендуется си­фонная литниковая система. При условии I : d > 10 (/ — высота, d — диаметр отливки) вертикальное расположение отливки в ко­киле может быть заменено горизонтальным.

Литье фасонных отливок. Литье в кокиль широко и эффек­тивно используют для изготовления из медных сплавов различ­ных фасонных (в основном арматурных) отливок. При серийности мелких арматурных отливок около 10 ООО шт. их выгоднее изго­товлять в кокилях, чем литьем под давлением. И лишь для серий по 20 ООО отливок более экономичным оказывается литье под дав­лением.

4. ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ, ЗАЛИВКА И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

В настоящее время используют различные покрытия кокилей. На Череповецком металлургическом заводе им. 50-летия СССР, например, при литье медных головок кислородных фурм при­меняют покрытие следующего состава, %: 26 лака ПВБ; 26 гид­ролизного спирта, 48 графита. Плотность краски — 1,12— 1,14 г/см3; наносят ее через две заливки и получают отливки с чистой поверхностью [149].

305

Могут быть рекомендованы покрытия кокилей для латуней и бронз, состоящие из органического или водного растворителя — 100%, термореактивной смолы — 2—5% (сверх 100%) и огнеупор­ного порошка (ZxOv MgO, Al3O3, диатомит)—8—15% (сверх 100%),

Поданным работы [117], при литье в кокили деталей из бронз Бр. ОЦС6-6-3, Бр. ОФ 10-1, Бр. AMn 9-2, Бр. АЖ 9-4 применение в качестве защитного покрытия консистентной смазки ЦНИИТМАШ-201 дало хорошие результаты: отливки получались без пор, раковин и свищей. Наносят смазку слоем 0,3—0,8 мм. Расход ее составляет приблизительно 500 г на 1 т отливок. Такое покрытие может быть рекомендовано как для оловянных, так и для безоловянных бронз.

Для отливок из сплава на медной основе применяют различные виды термической обработки: отжиг для снятия напряжений, гомо­генизирующий отжиг для получения однородной структуры и свойств, закалку с последующим отжигом, а также смягчающий от­жиг с целью изменения механических свойств. Отливки, получен­ные в кокилях, в большей мере, чем заливаемые в песчаные формы, нуждаются в выравнивании структуры и снижении напряжений.

Виды и режимы термической обработки для различных спла­вов различны. Для латуней используют гомогенизирующий от­жиг, проводимый по режиму: нагрев до температуры примерно на 50 град, ниже температуры солидуса и выдержка при этой тем­пературе в течение 4—6 ч.

Отжиг латуней для снятия напряжений производится при 530— 570 К с выдержкой 2 ч и последующим медленным охлаждением с печью. Свойства кремнистой латуни можно значительно повы­сить термообработкой, состоящей из нагрева до 1020—1030 К (750—760° С), выдержки при этой температуре 1,0—1,5 ч, охла­ждении с печью до потемнения и дальнейшего охлаждения на воздухе. В этом случае предел прочности при растяжении уве­личивается до 410 МПа (41 кгс/мм2), а относительное удлинение — до 38% против 390 МПа и 17% соответственно до термообработки.

Отливки из оловянной бронзы, которые отличаются резко вы­раженной дендритной структурой, подвергают гомогенизирую­щему отжигу при температуре 920—1020 К Отжиг для снятия напряжений проводят при 470 К в течение 10—20 ч. Кроме того, для этих бронз термическая обработка может быть использована с целью уменьшения пористости. Рекомендуется следующий ре­жим: нагрев до 870—950 К в течение 4—6 ч, выдержка при этой температуре 1—3 ч и дальнейшее охлаждение с печью.

Отливки из алюминиевых и кремнистых бронз, кроме гомоге­низирующего отжига для снятия напряжений, можно подвергать термообработке с целью улучшения механических свойств — за­калке с последующим отжигом. Значительное улучшение меха­нических свойств в результате термической обработки наблюда­ется у бериллиевой бронзы. Чаще всего обработка состоит из на­грева до 1070 К- выдержки в течение нескольких часов для получе­ния однородного твердого раствора и охлаждения в воде; после этого отливки подвергают старению при температуре около §70 К-

1. СВОЙСТВА МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Особенностью магниевых сплавов является малая плотность и сравнительно большая удельная прочность. Так, удельная проч­ность магниевых сплавов составляет от 12,8 1до 19,4, алюминие­вого сплава АЛ4 — 8,6 — 10,0, высокопрочного чугуна — 6,9— 7,6, углеродистой стали — 7,0—9,5, и легированной конструк­ционной стали — 10,2—12,3 кгс ¦ см3/(г • мм2) [71].

Широкое распространение получили сплавы системы Mg— Al—Zn. К этой группе относятся сплавы МлЗ, Мл4 п. ч., Мл5, Мл5 п. ч., Мл5 о. н. (ГОСТ 2856—68). Основным упрочнителем в них является алюминий. Для улучшения того или иного свой­ства в сплавы вводят дополнительно различные элементы. Так, марганец улучшает коррозионную стойкость, кальций повышает жаропрочность, берилий снижает окисляемость сплавов.

Более высокими механическими свойствами отличаются сплавы группы Mg-Zn—Zr (Мл 12) и особенно с редкоземельными эле­ментами. Из редкоземельных металлов в качестве легирующих до­бавок чаще всего используются ниодим — сплавы Мл9 (ВМл2), МлЮ; лантан — сплав Мл15; редкоземельные цериевой группы — сплав Мл11. Используют также торий и другие элементы.

Сплавы этой группы относятся к тепло – и жаропрочным с до­статочно хорошей прочностью при комнатной температуре. Для литья в кокиль преимущественно используют сплавы Мл5, Млб, МлЮ, Мл12, Мл 15.

Основные недостатки магниевых сплавов: их большая склон­ность к окисляемости в твердом и жидком состояниях и легкая воспламеняемость. Кроме того, они имеют сравнительно низкую жидкотекучесть, повышенную усадку и склонность к образова­нию горячих трещин (табл. 33). Большинство сплавов на магние­вой основе (Мл4, Млб и др.) имеют значительный интервал кри­сталлизации. Последнее, одновременно с повышенным содержа­нием газов в металле и низкой его плотностью, приводит к обра­зованию микрорыхлот (см. гл. IV) и к понижению свойств металла.

Магниевые сплавы (в своем большинстве) чувствительны к влиянию скорости охлаждения. Так, изменение толщины стенки отливки от 4—10 до 30 мм уменьшает величину предела прочности сплава с 215 до 150 МПа (21,5 до 15 кгс/мм2) и относительное удли­нение с 7,5 до 3,5%. Повышение скорости затвердевания магние­вых сплавов увеличивает их плотность, измельчает структуру и, следовательно, улучшает механические свойства.

Ввиду особых свойств магниевые сплавы нашли широкое при­менение для изготовления отливок различного назначения [94, 151]. Из них получают детали от самых простых и мелких до

Рис. 137. Отливка «картер коленчатого вала» , масса 8 кг

Весьма сложных и крупных. Представление о сложности деталей из магниевых сплавов, отливаемых в кокиль, дает рис. 137.

Отливки, изготовленные в кокилях, не только обладают вы­сокими эксплуатационными свойствами, но и имеют хороший внешний вид.

Одной из особенностей отливок из магниевых сплавов является повышенная их склонность к короблению при затвердевании и термической обработке. Поэтому рекомендуется конструировать отливки повышенной жесткости, для чего предусматривать ребра. При этом следует помнить о повышенной склонности магниевых сплавов к горячеломкости. Следовательно, устройство ребер должно быть таким, чтобы не вызывать торможение усадки ко­килем.

Таблица 33

Литейные свойства основных магниевых сплавов, применяемых для литья в кокиль

Марка сплава	Система сплава	Линейная Усадка, %	Жидкотеку­честь по прутковой пробе, мм	Склонность к образова­нию горячих трещии (ши­рина коль­ца), MM	Склонность к образова­нию микро­рыхлоты
Мл5	Mg—Al— Zn	1,0—1,2	290—300	30,0	Средняя »
Мл 6	Mg—Al—Zn	1,1—1,2	330	27,5
• Мл 12	Mg-Zn-Zr	1,2—1,4	290	30,3—32,5	»
МлЮ	Mg—Nd—Zr	1,2—1,5	250	15—20	Малая
Мл 15	Mg—2а—Zr	1,2—1,5	320	27,5—30	»

Рекомендации по проектированию отливок из магниевых сплавов (минималь­ная толщина и уклоны стенки, предельные значения длин отверстий, прииуски на механическую обработку) изложены в гл. VIII. При проектировании необ­ходимо руководствоваться и общими требованиями к литым конструкциям, приведенным там же.

2. ОСОБЕННОСТИ ЛИТЬЯ

Применение кокилей позволяет добиться значительного упро­щения технологии производства и сокращения стоимости (при­мерно в 2 раза) отливок из магниевых сплавов. Прежде всего это объясняется отсутствием химического взаимодействия металла с формой. При заливке в песчаную форму магниевый сплав ин­тенсивно реагирует с влагой, поэтому требуются специальные меры для предупреждения его окисления, что усложняет техно­логический процесс изготовления отливок. Однако литье в ко­киль ввиду пониженных литейных свойств магниевых сплавов (низкая жидкотекучесть, высокие усадка и склонность к образо­ванию горячих трещин) имеет свои сложности, которые прояв­ляются в необходимости строгого регламентирования параметров технологического процесса.

При литье из сплава Млб тонкостенных отливок оптимальными являются значения T3an = 1000ч-1020К и Т2н = 670 К, а для простых толстостенных отливок T3an = 950 К и T2h = 570 -=- ч – 620 К – По данным А. М. Осокина, при литье сплава Млб в ко­кили удается устранять горячеломкость отливок при Т2н = = 670 К и T3an = 1070 К – При этих параметрах уменьшается отрицательное влияние большого интервала кристаллизации и по­является возможность залечивания образующихся кристаллиза­ционных микротрещин.

Следует, однако, учитывать, что повышение температуры за­ливки приводит к интенсивному окислению сплава, загрязне­нию отливки окислами, увели­чению размеров зерна и к ухуд­шению механических свойств. Поэтому считается более эф­фективным введение в расплав церия и висмута, благоприятно действующих на снижение горя – челомкости [61 ].

Ввиду повышенной склон­ности магниевых сплавов к об­разованию трещин при затруд­ненной усадке необходимо обе-

T, В

Рис. 138. Литниковая система картера: 1 — стояк; 2 — металлоприемник; 3 — рас­секатель; 4 — подпитывающие бобышки: 5 — выпор; 6 — кольцевая прибыль

Спечить своевременный «подрыв» (извлечение) металлического стержня или применять песчаные стержни. Учитывая особенности литейных свойств рассматриваемых сплавов, следует широко приме­нять верхние и отводные (боковые) прибыли совместно (рис. 138). Даже в литых образцах, предназначенных для испытания на раз­рыв (рис. 139), были достигнуты стабильные показатели меха­нических свойств сплава Мл5 после применения специальных вертикальных подпитывающих бобышек [9].

В работе [76] приводятся данные о влиянии на механические свойства и квазиизотропность (однородность) сплава Мл5 мо­дифицирования расплава магнезитом и воздействия ультразвуком в период кристаллизации в кокиле. Воздействие на расплав уль­тразвуком повысило механические свойства сплава Мл5 в цен­тральной части слитка диаметром 80 мм и высотой 260 мм (масса слитка 2,15 кг) на 40—50%. Менее эффективно действует моди­фицирование.

3. ЛИТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ

Основным условием получения качественных отливок из маг­ниевых сплавов является предупреждение окисления расплава и обеспечение его ламинарного движения в литейной полости формы. Завихрение потока магния на любом пути металла в ко­киле может привести к образованию вторичного шлака, микроне­плотностей и газовых раковин_в отливках. Литниковые системы для магниевых сплавов чаще всего состоят из стояка, коллектора и питателей. Вместо зумпфов у основания стояка устраивают рас­секатели (рис. 140). В некоторых случаях вместо коллектора уста­навливают металлоприемник с рассекателем (см. рис. 138).

Стояки применяют трех видов — цилиндрические, плоские и змееобразные. Змееобразные распространены для крупных отли­вок. Цилиндрические и плоские стояки рекомендуется выполнять наклонными. В ряде случаев перед заливкой кокиль наклоняют в сторону стояка на 40—50° от вертикали и в таком положении начинают его заливку. По мере заполнения стояка сплавом форму

Рис. 140. Типы рассекателей

Постепенно возвращают в начальное поло­жение. Такой способ обеспечивает плавное заполнение формы металлом независимо от габаритных размеров отливки. Он особенно целесообразен при литье отли* вок, имеющих большие горизонтально расположенные поверхности.

Питатели чаще всего применяют щеле­вые горизонтальные или вертикальные, реже рожковые. Целесообразно обеспе­чивать рассредоточенный подвод металла через несколько питателей во избежание местного перегрева, а также для более быстрого заполнения формы.

При литье магниевых сплавов приме­няют расширяющуюся литниковую си­стему, обеспечивающую более спокойное поступление металла в полость формы. Обычно рекомендуется соотношение эле­ментов литниковой системы (стояка, кол­лектора и питателей) для мелких и средних отливок Fct : Flion : Fn = 1 : 2 : 3, а для крупных и сложных отливок Fct : Fkoji : : Fn = 1:3:6.

(139)

Расчет литниковой системы начинают с определения площади сечения стояка (см2)

Af1

0,1 Ht1VH ‘

Где M1 — масса отливки с литниковой системой и прибылями, кг; |х — коэффициент расхода, – равный 0,7—0,8; I1 — продолжи­тельность заливки, с; Я — средний металлостатический напор, см.

S1M1

Продолжительность заливки вычисляют по формуле

(140)

Где k — коэффициент, зависящий от массы отливки;. — средняя толщина стенки отливки, мм.

Происхождение формулы {139) легко понять, если сравнить ее с выражением (135).

Г)

Как уже отмечалось, при литье магниевых сплавов необходимо использовать прибыли. Объем прибыли должен превосходить объем питаемого узла в 1,5—2 раза, форма прибыли зависит от конфигурации этого узла.

4. ПОДГОТОВКА И ЗАЛИВКА КОКИЛЕЙ

В основном эксплуатация кокилей при литье магниевых спла­вов мало чем отличается от эксплуатации их при литье алюминие­вых сплавов. Перед окраской поверхность кокиля тщательно очищают и нагревают до 470—530 К, после чего пульверизатором наносят краску.

В табл. 34 представлены некоторые составы красок.

Таблица 34

Состав (% по массе) краски для кокилей

Назначение	Прокален­ный асбест	Борная кислота	Мел	I Окись магния	Окись цинка	Тальк j	Жидкое стекло	Вода
Для отливок сложной кон­
Фигурации…………………………..	—	4,0 3,0	—	15,0	15,0	—	3,8 3,0	78,0 79,0
	—	2,5	—	—	—	18,0	2,5	77,0
Для средних и мелких отли­вок.	_____	2,0	5,0	__	,____	5,0	2,0	86,0
Для утепления литников и выпоров……………………………….	15,0	4,0	10,0	__	—.	__	3,0	68,0
Для окраски литников и выпоров……………………………………………	6,0	2,5	__	—	5,0	—	2,0	84,0
Для окраски литников и прибыли……………………………………………	25	—	20,0	—	—	—	6,5	100

Применяют краски и иных составов. Так, на Мелитопольском заводе «Автоцветлит» хорошо себя зарекомендовала краска, содер­жащая пирофиллит. Состав ее (% по массе): 13,5 — 15,0 пиро­филлита; 4,5—5,0 талька; 1,8—2,0 жидкого стекла; 5,8—6,0 бор­ной кислоты; воды — до плотности 1,12—1,2 г/см3.

Окрашенный кокиль собирают, подогревают до требуемой тем­пературы и заливают. Для лучшего прогрева кокиля и высушива­ния краски используют теплоту первых двух-трех отливок, ко­торые затем идут на переплав.

При получении сложных отливок тепловой режим кокиля ре­гулируют искусственным нагревом или охлаждением. В случае применения металлических стержней им необходимо уделить осо­бое внимание (окраска, подогрев и охлаждение, своевременное извлечение из отливки).

Кроме’тщательного проведения плавки с обязательным рафини­рованием,» необходимо обеспечить защиту расплава от вторичного окисления при заливке. Для этого зеркало металла в ковше и кромки кокиля у литниковой чаши и выпора присыпают серным цветом. Последний, сгорая, образует защитную атмосферу. За­ливочный ковш перед каждым наполнением его металлом необ­ходимо промывать в расплавленном и перегретом до 1020—1070 К флюсе.

Металлические чаши, через которые ведется заливка, предва­рительно окрашивают. Перед нанесением краски их нагревают до 420—470 К, а после окрашивания просушивают при 520—570 К – Для окрашивания литниковых чаш рекомендуются следующие краски (в % по массе): 1) 25 окиси цинка, 2,5 графита в порошке, 5,0 жидкого стекла и 67,5 воды; 2) 32,5 окиси цинка, 1,5 жидкого стекла и 66 воды.

Сплавы, легированные цирконием, заливают через фильтр. В качестве фильтра используют бой шамотного кирпича разме­ром 10—15 мм. Бой, предварительно нагретый до —1170 К, насы­пают в чашу слоем от 80 до 150 мм в зависимости от массы заливае­мого сплава.

Приготовление рабочих сплавов для литья в кокиль ничем не отличается от приготовления сплавов для литья в песчаные формы.

5. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА И ВИДЫ БРАКА

Термическую обработку отливок из магниевых сплавов при­меняют в основном с целью повышения их механических свойств; в некоторых случаях (для сложных, разностенных отливок) — для уменьшения внутренних напряжений. В первом случае ис­пользуют искусственное старение, закалку и закалку с последую­щим старением, во втором случае — отжиг.

Вследствие медленного протекания диффузионных процессов в магниевых сплавах требуется длительное время нагрева отливок под закалку и старение для перевода различных фаз в твердый раствор. Кроме того, с целью уменьшения опасности окисления и оплавления отливок применяют двух – и трехступенчатый нагрев. Вначале ведут нагрев до более низкой температуры, при которой в твердый раствор переходят легкоплавкие составляющие, а за­тем производят нагрев и выдержку при повышенной температуре.

Продолжительность термообработки отливок, полученных в ко­килях, примерно в 1,5—2,0 раза меньше, чем отливок, изготов­ляемых в песчано-глинистых формах. Это связано с тем, что в пер­вом случае металл отличается мелкозернистой структурой, в ре­зультате чего диффузионные процессы протекают с большей ско­ростью. Например, для отливок из сплава Млб, отливаемых в пес – чано-глинистые формы, требуется двухступенчатый нагрев под за­калку. Первая ступень состоит в нагреве до 630 К и выдержки при ней в течение 3 ч, вторая ступень: нагрев до 690 К с выдержкой перед закалкой 21—29 ч. Для отливок из того же сплава, но от­литых в кокиль, достаточным является одноступенчатый нагрев под закалку до 688 К с последующей выдержкой в течение 8—16 ч,

Максимальное повышение прочности магниевого сплава обес­печивается искусственным старением или закалкой с последую­щим старением. Одной закалкой достигается максимальная пла­стичность, что можно объяснить образованием однородного твер­дого раствора. Старение же приводит к Выпадению из этого рас­твора различных упрочняющих фаз, снижающих пластичность.

В работе [94 ] приведены два режима термообработки сплава Мл5, модифицированного магнезитом. Первый режим (нагрев и выдержка 12 ч при 688 К (415° С) с охлаждением на воздухе) поз­волили исходные свойства ав = 182 МПа (18,2 кгс/мм2), crx = = 159 МПа (15,9 кгс/мм2) и б =4,1% изменить соответственно на 193, 103 и 8,5. Второй режим (выдержка 12 ч при 450 К (175° С) с последующим охлаждением на воздухе) позволил получить ств =211 МПа, crT = 157 МПа и б = 3,5%.

Отжиг обязательно применяют для отливок, которые не под­вергаются другим видам термообработки.

При термообработке нагрев выше 575 К необходимо проводить в защитной атмосфере. По этой же причине не проводят закалку в воду. Ввиду малой скорости диффузии вполне достаточно охла­ждение в струе воздуха. Иногда используют горячую (369 К) воду.

Основными видами брака отливок из магниевых сплавов при литье в кокиль являются: горячие трещины, недоливы, неспаи, усадочные рыхлоты, газовые раковины, неметаллические включе­ния и утяжины.

Горячие трещины образуются в местах резких переходов сечений отливки или в перегретых участках. Основные меры борьбы с тре­щинами прежде всего должны заключаться в соблюдении устано­вленного темпа работы кокиля, в применении рассредоточенной си­стемы питателей и в своевременном извлечении отливки из кокиля.

Неспаи и недоливы могут быть связаны с низкой температурой заливаемого металла и кокиля. В этом случае необходимо экспе­риментально уточнить температуру заливки и температуру подо­грева кокиля.

Рыхлоты и утяжины возникают в результате дефицита питания отливок. Чтобы предупредить этот вид брака, необходимо отре­гулировать систему охлаждения кокиля, обеспечив равномерное или направленное затвердевание отливки. Для этого используют окраску (различной толщины) кокиля, его искусственное охла­ждение или обогрев. Кроме этого, необходимо организовать хо­рошее питание массивных частей отливки, применять подвод ме­талла Через несколько питателей во избежание местного перегрева.

Газовые раковины преимущественно образуются в результате плохой подготовки сплава, недостаточной вентиляции формы, мест­ного перегрева. Во избежание неметаллических включений следует прежде всего тщательно приготовлять сплав и вести заливку формы. В некоторых случаях требуется изменение литниковой системы.

1. ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА И СВОЙСТВА СТАЛИ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Ф87 7

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

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

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

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

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

2. ЛИТНИКОВО-ПИТАЮЩИЕ СИСТЕМЫ И ЗАЛИВКА

Г

Зоо

200

О W 20

JO L, mm

WSO 1120 ПВО К

А)

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

Ам, мдж/м

К, г

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

3Q Sfu^

Рис. 120. Кокиль для ступицы:

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

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

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

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

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

3. ПАРАМЕТРЫ ТЕХНОЛОГИИ

Ст.1

Рис. 121. Кокиль для стальных крановых колес

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

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

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

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

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

4. ОСОБЫЕ СЛУЧАИ ЛИТЬЯ

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

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

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

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

Рис. 122. Схема литья штампов

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

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

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

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

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

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

5. ВИДЫ БРАКА И СПОСОБЫ ЕГО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ

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

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

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

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

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

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

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

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

ЛИТЬЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

1. ХАРАКТЕРИСТИКА СПЛАВОВ

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

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

850 К-

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Таблица 30

№ груп­пы	Марка	Усадка, %	Ж идкотекучесть, мм, по пробе	Горяче – ломкость	Герме­тичность, кгс/см2
Линей­ная	Объемная	Прутко­вой	Спираль­ной
I	АЛ2 АЛ4 АЛ9 АЛ34 (ВАЛ5)	0,9 1,0 1,0 1,0	3,0—3,5 3,2—3,4 3,7—3,9	420 360 350 550	820 750 770	5 5 5 5	160 260 190 350
II	АЛЗ АЛ5 АЛ6 В124	1,15 1,10 1,10 1,10	4,0—4,2 4,5—4,9 4,8—5,0 3,2—3,4	240 344 300 350	700 750 650 800	12,5 7,5 10 7,5	140 160 230 350
III	АЛ7 АЛ19	1,40 1,25	6,5—6,8	163 205	280 410	3,5 32,5	50 70
IV	АЛ8 АЛ 13 АЛ22 АЛ27	1,3 1,2 1,2 1,2	4,8—5,0	280 320 380 270	600 500 650	22,5 12,5 15 12,5	60 118 130 60
V	АЛ1 АЛ21 АЛ 24 АЛ25	1,3 1,2 1,2 1,1	6,4—6,2	260 360 230 425	700	27,5 22,5 22,5 5	90 100 160

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

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

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

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

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

2. ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ ОТЛИВОК

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

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

Влияние скорости затвердевания отливок

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

Таблица 31

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

Темпера­	Литье в песчаную форму	Литье в кокили
Тура ис­пытаний, 0C	Кгс/мм2	Б, %	V Кгс•м/см2	CV Кгс/ммг	6, %	Аи’ кгс • м/см2
20 150 200 300 400 500	23,9 17,9 16,9 8,9 3,6 1,1	3.8 2.9 3,7 10,8 24,2 3,6	2,3 2,1 1,7 1,1 0,2 0,2	36,8 32,6 21,1 10,3 4.7 1.8	16,4 37,2 15.7 49,0 100,8 16.8	5,6 5,6 4,3 2,5 0,3 0,2

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

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

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

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

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

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

275

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

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

3. ЛИТНИКОВО-ПИТАЮЩИЕ СИСТЕМЫ

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

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

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

Рис. 126. Варианты литнико­вых систем поршня

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

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

2 1

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

Крыльчатки:

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

S

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

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

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

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

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

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

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

4. ОСОБЕННОСТИ УСТРОЙСТВА КОКИЛЕЙ

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

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

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

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

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

О 200 Ш 600 МО 1000 Д В. 1,мм

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

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

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

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

5. ПОДГОТОВКА КОКИЛЕЙ И ТЕМПЕРАТУРА ЗАЛИВКИ

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

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

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

Покрытия для кокилей

Таблица 32

Номер по пор.	Состав краски	Темпера­тура ко­киля, 0C	Способ нанесения; применение
1	Высоковоспламеняющееся мас­ло — 500 г Керосин — 200 г Канифоль — 30 г Алюминиевый порошок —-Юг	60—200	Пульверизатором
2	Огнеупорный порошок (окись алюминия, хромитовая мука, гра­фит и Др.) — 30—60% Натриевый метаалюминат — 1— 18% Вода — 30—60% Суспензатор (камедь или полиса- харит) — 0,1—1,0%	100—250	»
3	Цинковые белила сухие — 15% Асбестовая пудра — 5% Жидкое стекло — 3% Вода — 77%	150—200	Для рабочих поверх­ностей
4	Асбестовый порошок — 8,7% Мел — 17,5% Жидкое стекло — 3,5% Вода — 70,3%	150—200	Для литников
5	Асбестовый лист — 100% Жидкое стекло (для склеивания)	20—50	Для облицовки при­быльной части кокиля
6	Тальк—30% Жидкое стекло — 16% Вода — 54%	250—300	Как первый слой по­крытия или для поверх­ностей, не соприкасаю­щихся с жидким метал­лом (например, пласти­ны в пакетах податли­вых элементов)
7	Цинковые сухие белила —¦ 15% Жидкое стекло — 2% Вода — 85%		Окунанием Для заливочных при­способлений
8	Окись железа Fe2O3 — 25—30% Вода — (плотность 1,2-— 1,3 г/см3) — 75—70%	Сушка 170—200	Окунанием, покрытие пылевидным тальком
9	Отмученный мел — 5% Жидкое стекло — 5% Вода — 90%		Для тиглей и плавиль­ного инструмента
10	Графит — 17% Глина — 18% Жидкое стекло — 5% Вода — 60%		То же

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

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

Так же влияет и повышение температуры заливаемого металла.

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

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

6. ПОДГОТОВКА МЕТАЛЛА И ЗАЛИВКА

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

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

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

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

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

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

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

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

7. ОСОБЫЕ СЛУЧАИ ЛИТЬЯ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 133. Схема литья поршия с воздействием ультра­звука:

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

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

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

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

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

\

287

Особые случаи литья

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

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

1 и 3 — верхняя и нижняя части кокиля;

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

7 — трубопровод К вакуум-насосу

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

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

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

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

К ресиверу

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

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

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

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

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

8. ВИДЫ БРАКА И СПОСОБЫ ЕГО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ

Из-за металла в отливках могут образоваться следующие де­фекты:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Устройство литниковых систем, ускоряющих заливку

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

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

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

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

Ю*

1. ЛИТЕЙНЫЕ СВОЙСТВА

Вязкость и поверхностное натяжение. Вязкость и поверхностное натяжение литейных сплавов имеют большое значение для про­цессов питания затвердевающей отливки, заполнения тонких полостей и взаимодействия отливки с покрытиями форм. К такому выводу легко прийти на основании материалов, изложенных в гл. IV и VI. Так, например, вязкость входит в расчетные формулы для определения ширины зоны осевой пористости [формула (38)], количества профильтровавшегося расплава через сетку кристал­лов (величина коэффициента фильтрации зависит от вязкости), зоны действия прибыли [формула (47)]. С поверхностным натя­жением расплава связано капиллярное давление.

На рис. 94 приведены кривые изменения кинематической вязкости V чугуна по данным Н. И. Клочнева [66]. Как видно, для до – за – и эвтектических сплавов v снижается с повышением температуры. Такая же закономерность существует для чистого железа [34]. Влияние основных элементов, содержащихся в чу­гуне, таково: углерод в доэвтектической области и фосфор пони­жают вязкость, кремний, сера и углерод при содержании больше эвтектического —ее повышают [119].

Поверхностное натяжение серого чугуна находится в преде­лах 0,7—1,1 Н/м и понижается с повышением температуры и содержания углерода [66].

Жидкотекучесть. С увеличением концентрации углерода в доэв – тектическом чугуне жидкотекучесть растет, а в заэвтектическом падает. Влияние углерода усиливается с повышением содержания фосфора. Кремний и фосфор существенно влияют на жидкотеку­честь: она увеличивается с увеличением концентрации этих эле­ментов. Марганец и сера в тех количествах, в которых они обычно применяются при литье в кокиль, влияют несущественно [119].

Жидкотекучесть металла с повышением его температуры растет. Влияние кокиля на жидкотекучесть отчетливо видно из формулы (1). Жидкотекучесть повышается с увеличением начальной тем­пературы кокиля, толщины покрытия и с понижением коэффи-

8 П/р А. И. Вейиика

10,м2/с

V-107,м2/с

То 1500 1550 1600 к

А)

То 15оо 1550 woo к то то 7500 rsso jsoo ibsok 6) ‘ в)

Рис. 94. Кинематическая вязкость чугунов доэвтектнческого (а), эвтектического (б) и заэвтектического (в) составов:

/ — до обработки магнием; 2 — после обработки магнием. Стрелками показано направ­ление изменения температуры

Циента теплопроводности его материала. Основные из рассмотрен­ных закономерностей подтверждаются экспериментальными кри­выми (рис. 95), полученными в опытах с заливкой спиральных проб. Формулы типа (1) рекомендуются для аналитического опре­деления жидкотеку чести [165].

Сказанное выше относительно влияния покрытия на жидко- текучесть справедливо для обычных кокилей. При литье фасонных деталей в облицованные кокили толщина облицовки играет мень­шую роль. Из термофизических характеристик облицовки важное значение имеет коэффициент аккумуляции теплоты.

Зная температуру, при которой происходит остановка потока металла, по формуле (1) можно рассчитать путь, пройденный ме­таллом. Можно также определить, на сколько следует увеличить перегрев чугуна для компенсации снижения начальной темпе­ратуры кокиля. По опыту завода «Водоприбор», при уменьшении температуры формы на 50 град. T3ал следует увеличить на 25 град.

Эти данные получены при произ­водстве чугунных отливок мас­сой 17—22 кг и массе кокиля 400 кг.

1500 7600 Т700Т1ал, К Рис. 95. Влияние содержания углерода (/) и

_j___ I______ I______________ кремния (2), начальной температуры формы (3)

400 600 800 Т-,К и температуры заливки (4) на длину I спираль – ‘ ной пробы

Интересные технологические исследования жидкотекучести чу­гуна были проведены JL Б. Ко­ганом и другими исследователями с помощью U-образной пробы. Металл выплавляли в вагранке производительностью 4 т/ч. Ших – и 0,09—0,10 S. Чугун заливали при 1570 К. Во всех случаях жидкотекучесть чугуна, выплавленного по шихте II, была выше. Так, если длина прутка для чугуна по первому варианту состав­ляла 120 мм, то по второму 167 мм. Жидкотекучесть обоих чугу­нов оказалась одинаковой, когда температуру заливки металла II снизили до 1520—1540 К, т. е. на 30—50 град.

Линейная усадка. Это свойство чугуна зависит от его химиче­ского состава, скорости охлаждения отливки и других факторов, оказывающих влияние на фазовые превращения. Зависимость линейной усадки от содержания основных элементов чугуна иллюстрируется кривыми рис. 96 и 97. Из этих данных следует, что с увеличением содержания графитизирующих элементов усадка чугуна снижается. Элементы, препятствующие графитизации, усадку увеличивают. Связь свободной линейной усадки чугуна с его микроструктурой подтверждается данными, приведенными в табл. 21.

Как указывалось в гл. IV, общая линейная усадка сплава при литье в кокиль больше, чем при литье в песчаные формы. Это

Положение справедливо и для серого чугуна.

Для приближенного расчета линейной усадки чугунных отливок при литье в кокиль в работе [52 ] рекомендована формула

Е= 1,75- 0,24С-

— 0,65Сгр — (а-\-б)%,

Таблица 21 Линейная усадка чугунов

Типы чугуиов		Лиией-
Структура	Усадка, %.
Белый Половин­чатый	П+Ц П+Ц+Гр	1,75— 1,65 1,64— 1,16
Перлитный	П+Гр	1,15— 1,10
Перлито – . ферритный	П+Ф+Гр	0,90— 0,70
Ферритный	Ф+Гр	0,60— 0,00
Составляющие шихты	I
Литейные чугуны JIKO,
JIKi………………………………………	60
Чугунный лом………………………	25
Собственный возврат	15
Передельные чугуны Б1, Б2	—
Ферросилиций……………………….	—

II

35 15 45 5

Ту применяли двух со­ставов:

Металл, полученный по шихте I, содержал 3,3 — 3,5% С; 2,3—2,5% Si; 0,4—0,6% Mn; 0,25— 0,30% Р; 0,10—0,12% S, а по шихте II: 3,6— 3,8% С; 1,6—1,8% Si; 0,6— 0,8%Мп; 0,06—0,12 P

Где С и Crp —содержание общего углерода и графита, %; а я б — параметры, зависящие от торможения усадки сопря­женными элементами отливки и песчаным стержнем соответ­ственно. Параметр а зависит от

‘ О 0,1 0,2 O1J Ofi 0,5 1,0 2,0 3,0 %

Рис.

В. Влияние химических элементов на лииейиую усадку чугуна

Конструкции отливки и нахо­дится в пределах 0,2—0,4. Величина б составляет обыч­но 0,15-0,25.

720О 1250 1300 1350 IUQO П50К

Рис. 97. Зависимость относительного удли­нения 4 и линейной усадки ? чугуиов от температуры при различном содержании фосфора по данным Л. Б. Когана и И. И. Новикова:

Сплошные кривые 0,2% Р; штриховые — 1,1% P

Т

На рис. 98 показаны кривые изменения усадки чугуна по мере охлаждения. Из кривых следует, что предусадочное расши­рение вследствие первичной графитизации протекает в период затвердевания. Этим объясняется пониженная склонность чугунов с пластинчатым графитом к образованию в них дефектов в виде пустот усадочного происхождения: выделяющийся при затверде­вании графит в большей или меньшей степени восполняет дефицит питания. Однако здесь необходимо подчеркнуть, что при литье в кокиль графитизация металла затруднена вследствие относи­тельно высокой скорости нарастания твердой корочки.

\ \ \
E
\
\Р 10 15	20 25 JOmin
Т, к
То
1200
	0.S
1000
	0,6
S00
	OA
6 00
	0.2
Т
	0
	-0,2,

Влияние положения чугунов на диаграмме состояния на за­кономерности образования в отливках усадочной пористости и раковин легко объяснить на основании теоретических положений, изложенных в гл. IV. Из условий (35) и (36) следует, что с повы­шением степени эвтектичности доэвтек – тических чугунов уменьшается склон­ность к образованию в отливках уса­дочной пористости, но увеличивается вероятность образования сосредоточен­ных раковин. Следует также, что усло­вия охлаждения отливок в кокилях препятствуют появлению в чугуне рас­средоточенных дефектов усадочного происхождения.

Рис. 98. Температурная зависимость свободной ли­нейной усадки е чугуна с пластинчатым графитом (Н. И. Клочнев)

Рис. 99. Зависимость показателя склонности к трещинообразованию кольцевых проб от содержа­ния фосфора в чугуне (штриховая линия — пока­затель склонности к образованию холодных тре­щин)

В сравнении с другими распро­страненными литейными сплавами чугун имеет сравнительно малую линейную и объемную усадку. Бла­годаря этим свойствам серого чугуна литьем в кокиль получают весьма сложные по конфигурации отливки с различной массой и толщиной сте­нок. При этом широко используют металлические стержни и болваны.

Трещиноустойчивость. С усадкой металла связаны напря­женно-деформированное состояние отливки и опасность возник­новения в ней трещин. В свете общих положений, изложенных в параграфе 7 гл. IV, оценка трещиноустойчивости материала отливки должна заключаться в сравнении температурных зави­симостей напряжений или соответствующих им деформаций с проч­ностью или пластичностью литого сплава.

Из производственного опыта литья в кокили известно, что с повышением содержания углерода и кремния склонность чугуна к образованию трещин заметно снижается. По данным, получен­ным при заливке в кокиль кольцевых проб, увеличение содержа­ния марганца с 0,5 до 0,9% повышает трещиноустойчивость чугуна; дальнейшее увеличение марганца приводит к отрица­тельным результатам.

Влияние фосфора на трещиноустойчивость чугуна при кон­такте отливки с формой можно оценить по кривым рис. 97. Как видно, при повышении содержания фосфора с 0,2% до 1,1% пластичность чугуна в нижней части эффективного интервала кри­сталлизации (1220 К) растет, а относительное удлинение падает. Из этого следует повышение трещиноустойчивости чугуна. Однако концентрация фосфора в количестве 0,2% соответствует наиболь­шей склонности чугуна к образованию в нем трещин (рис. 99). При P – V 0 трещиноустойчивость также растет, что объясняется уменьшением при этом интервала кристаллизации.

Как видно из рис. 99, при P >0,8% резко увеличивается опасность возникновения в отливках холодных трещин (штрихо­вая линия). По мнению авторов этих данных, растрескивание кольцевых проб при комнатной температуре связано с охрупчи – ванием чугуна.

Практикой получения тонкостенных чугунных отливок в ко­килях с металлическими стержнями установлено, что поверхност­ный отбел способствует образованию усадочных трещин. Связано это, по-видимому, с очень низкой пластичностью и относительно высокой усадкой цементитной корочки. Все мероприятия, обеспе­чивающие получение чугуна без отбела, способствуют повышению трещиноустойчивости отливок. Как показал опыт московских заводов им. Владимира Ильича и «Водоприбор», при содержании в чугуне 3,6—3,7% С и 2,4-2,7% Si (сумма не менее 6%) отливки типа подшипниковых щитов отбела не имеют, несмотря на малую толщину их стенок.

Поражаемость газовыми и неметаллическими включениями при литье чугуна в кокиль меньше, чем при литье в песчаные формы. Объясняется это тем, что в кокиле значительно меньше источников образования указанных дефектов, чем в песчаной форме. Другие же источники этих дефектов (шихтовые материалы, плавка и заливка) мало связаны с особенностями технологии литья в кокиль и поэтому здесь не рассматриваются.

При охлаждении жидкого металла, особенно при затвердева­нии, растворимость газа в отливке уменьшается. Поэтому заливае­мый в кокиль металл может явиться источником газовыделения. Мощность этого источника связана с газонасыщенностью расплава. Процесс выделения газа из металла зависит от скорости охлажде­ния и давления. Повышение скорости охлаждения отливки при­водит к тому, что газы не успевают выделиться и остаются в раство­ренном (в металле) состоянии. Опыт показывает, что относительно небольшое давление 0,3 МПа (3 кгс/см2) вполне достаточно для подавления газовыделения. При литье чугуна, однако, основными источниками газовых дефектов являются влага, адсорбированная на поверхности кокиля, продукты окисления материала кокиля, газы, выделяющиеся вследствие деструкции покрытия кокиля, и, наконец, воздух, находящийся ‘в объеме рабочей полости ко­киля.

Железо и цементит в чугунном кокиле образуют микрогаль- ванопару, в которой в качестве анода выступает Fe, а в качестве катода Fe3C. Во влажной среде работа микрогальванопары за­ключается в следующем. Железо, теряя два электрона, превра­щается в катионы Fe++. Поскольку адсорбированная вода, будучи слабым электролитом, при диссоциации образует ионы ОН», происходит следующая реакция:

Fe+t + 20Н» – Fe(OH)2.

В поверхностном слое длительно работавшего кокиля было об­наружено 50% гидрозакиси железа [107]. Гидрозакись железа окисляется во влажной среде до Fe(OH)3. Одновременно проис­ходит восстановление ионов водорода до свободного газообраз­ного водорода. Таким образом возникает источник насыщения чугуна водородом.

Другим источником насыщения чугуна газом является разло­жение Fe(OH)2 по реакции

Fe(OH)2 FeO + H2O. Закись железа, в свою очередь, реагирует по схеме

FeO + С = Fe + СО с образованием угарного газа. Кроме того, возможна реакция

FeO + Fe3C = 4Fe + СО.

Что же касается выделения газа при нагреве кокильных по­крытий, то оно зависит от их состава и режима нанесения. Некото­рые сведения по этому вопросу приведены в гл. VI.

Для исключения опасности образования в отливке газовых раковин из-за воздуха, находящегося в объеме рабочей полости кокиля, последний должен иметь систему вентиляционных кана­лов. Для расчета площади сечения этих каналов рекомендуется формула (130).

Неметаллические включения в чугун могут вноситься извне и образовываться при взаимодействии примесей и газов, находя­щихся в металле. При литье в кокиль борьба с растворимыми вклю­чениями облегчается: с увеличением скорости затвердевания коли­чество примесей и их размеры уменьшаются.

Особенности микроструктуры. Повышенная скорость охлажде­ния отливки при литье в кокиль уменьшает степень графитиза – ции, увеличивает количество и дисперсность перлита, измель­чает графитные включения, что приводит к улучшению меха­нических и специальных свойств серого чугуна. Однако боль­шая скорость охлаждения и ее неравномерность по сечению отливки могут (при определенном химическом составе чугуна) привести к образованию особых структур, неодинаковых в раз­ных слоях с необычным их чередованием в отливках. Наиболее характерно для чугунных деталей, отлитых в кокиль, —наличие отбела в результате образования структуры белого чугуна на поверхности отливки. Интенсивность теплообмена и переохлажде­ние способствуют выделению в структуре связанного углерода (Fe3C), что и обусловливает образование отбела. Проблема преду­преждения отбела чугунных отливок при литье в кокили — одна из наиболее важных технологических проблем, решению которой посвящены работы многих исследователей [52, 105, 107, 148 и др. ]. Методы предупреждения отбела рассматриваются ниже.

Как аномальное расположение структур чугуна часто встре­чается следующее чередование их в отливках, полученных в ко­килях: в наружном слое П + Ц> 33 ним —Ф + Гр, в централь­ной части П – f Гр. При определенных условиях в наружном слое отливки может образоваться структура Ф – f Гр, во внутренних слоях —П – f – Гр. Образование ферритно-графитной структуры в^местахI повышенной скорости охлаждения на первый взгляд представляется явлением аномальным. В действительности такое явление обычно, оно обусловлено наличием дисперсного эвтек­тического графита (графита переохлаждения), который способ­ствует при перлитном превращении полному распаду аустенита и выделению феррита. Наличие в структуре чугуна феррито – графитной эвтектики заметно снижает некоторые его свойства (износостойкость, прочность и т. д.). Однако в ряде случаев фер- рито-графитная эвтектика оказывается полезной; она улучшает обрабатываемость отливок, повышает их герметичность, а иногда и повышает их термическую выносливость. Так как условия образования феррито-графитной эвтектики еще недостаточно изу­чены, то управление процессом структурообразования с целью ее предупреждения или стабильности формирования представляет собой сложную проблему.

Получение при литье в кокили благоприятной структуры чу­гуна (включая и наличие некоторого количества цементита, устраняемого последующим отжигом отливок) гарантирует от­ливкам более высокие, чем в случае литья в песчаные формы, ме­ханические свойства и герметичность. Литье чугуна в кокиль повышает его свойства до уровня, сопоставимого со свойствами литой и сортовой стали, а трудоемкость получения деталей при этом снижается почти на 50% 1162].

2. ПОДГОТОВКА МЕТАЛЛА

Примерные составы чугунов для литья в кокиль даны в табл. 22. С целью предупреждения в отливках отбела и умень­шения склонности к трещинам чаще всего увеличивают содержа­ние углерода и особенно кремния. Однако следует помнить, что при содержании кремния свыше 2,5% и большой скорости за­твердевания в чугуне обнаруживается силикокарбидная фаза, а при содержании кремния свыше 3,2% — жидкотекучесть сплава заметно падает.

Существенное влияние на предупреждение отбела оказывает модифицирование чугуна.[При модифицировании в расплаве может образовываться большое число центров кристаллизации. Некото­рые модификаторы нейтрализуют влияние вредных примесей.

Широко используемые на практике модификаторы указаны в табл. 22. Кроме них применяют силикокальций и графит. При высоком содержании углерода в качестве модификатора рекомен­дуется ферроцерий. В указанном случае другие модификаторы вызывают появление графитовой спели. Количество модифика­тора обычно вводят до 0,4% от массы жидкого металла. Исключение составляет ферроцерий. Как видно из рис. 100, при

Рис. 100. Влияние модификаторов чугуна на глу­бину h отбела технологической пробы: 1— алюминий; 2— силикокальций; 3— сплав ФЦМ-5 ®

5

Содержании ФЦМ-5 свыше, пример­но 0,2%, глубина отбела h увеличи – 41 вается. На том же рисунке приведены 5 данные о графитизирующем действии алюминия и силикокальция. 2

Наиболее сильное воздействие на качество чугуна оказывают комплекс­ные модификаторы. Последние не только изменяют параметры процесса кристал­лизации, но и рафинируют расплав. Анализ экспериментальных данных показывает, что при 1380 0C более половины введенного Si растворяется в чугуне; 26% идет на раскисление и 17% —на образование карбида кремния. Кальций же и церий в основном взаимодействуют с серой и кис­лородом, растворенным в металле. Алюминий в количестве 79% расходуется на образование окислов. Углерод в основном пере­ходит в раствор.

Уменьшение глубины отбела при модифицировании связано с уменьшением переохлаждения сплава. Следует ожидать, что элементы, которые в большей степени уменьшают переохлаждение, окажутся более активными модификаторами, предупреждающими отбел. Целесообразно сочетать модификаторы, образующие актив­ные зародыши и расширяющие зону критического переохлажде­ния [148].

Таблица 22

Химический состав (%) серого чугуна

Характеристика отлнвок	С	Sl	Mn	P	S	Модифи­каторы
Тонкостенные реб­
Ристые, отжигаемые
На феррит….	3,6 — 3,7	2,1-2,3	0,4 — 0,5	До 0,1	До 0,05	0,1 % KOKCH- Ка — в пла­вильную печь перед выда­чей метал­ла; 0,05% ФЦМ-5 — в разливоч­ный ковш
Тонкостенные арма­
Турные неответ­
Ственного назначе­
Ния (без отбела)	3,2 — 3,8	2,5 — 3,2	До 0,8	0,4-0,6	До 0,1	—
Машиностроитель­
Ные (без отбела)	3.5 — 3,7	2,5 — 2,7	0,5 — 0,9	До 0,6	До 0,12	—
	3,5 — 3,7	2,0 — 2,2	0,5 — 0,9	До 0,6	До 0,12	0,2% Al
	3,2 — 3,4	2,0 — 2,2	0,5-0.9	ДО 0,6	До 0,12	0,2% Al,
					0,3% ФС 75

В предыдущем параграфе рассматривались аномальные струк­туры чугуна. При борьбе с ними следует руководствоваться сле­дующими данными. Наиболее надежным способом получения перлитной структуры является применение специального модифи­цирования и легирования, в том числе и микролегирования. Весьма эффективными являются присадки в чугун сурьмы и олова, обеспечивающих получение перлитной структуры по всему сече­нию отливки (исследования И. П. Гладкого). Для предупреждения образования феррито-графитной эвтектики требуется присадка до 0,15% Sn. Сурьма является более эффективным перлитизатором, чем олово. Чтобы получить в чугуне перлитную структуру, доста­точно 0,05—0,1% Sb, при этом не образуется междендритное строение графита. Более эффективна комплексная присадка в чу­гун: олово и ферроцерия одновременно.

Положительные результаты по износостойкости получены после обработки чугуна присадкой ФЦМ-5. Износостойкость чугуна с присадкой олова и сурьмы, залитого в кокиль, на 10% выше, чем износостойкость чугуна, отлитого в песчаные формы.

3. ЛИТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ

Различные типы литниковых систем чугунных отливок при­ведены на рис. 101. В практике наибольшее распространение получил верхний подвод металла. При этом стойкость кокилей в 2—3 раза выше, чем при сифонной заливке. Кроме того, обеспе­чивается направленное затвердевание отливок и сокращается расход металла, на литники. Примеры конструкций производ-

Рис. 101. Схемы литниковых систем для получения отливок из серого чугуна в кокилях с вертикальной (а) и горизонтальной {б) плоскостями разъема

Ственных кокилеи с верхним подводом металла показаны на рис. 69, а; 70 и 72 и с боковым —на рис. 71. Для уменьшения разбрызгивания падающего с большой высоты металла кокиль иногда наклоняют на несколько градусов.

В кокиле более всего изнашиваются зоны, образующие литни­ковую систему, и часть формы, на которую попадает первая пор­ция металла. В связи с этим рекомендуется рассредоточенный подвод металла и плавное, безударное заполнение формы. Целе­сообразно в форме выполнять две литниковые системы для по­очередного использования каждой или предусматривать возмож­ность перехода на новую. Отливки из серого чугуна получают в кокилях обычно без прибылей.

В основе расчетных формул для расчета площади сечения эле­ментов литниковых систем лежит известное из курса гидравлики выражение, устанавливающее расход жидкости при вытекании через затопленное отверстие:

Q =VJP^wr, (134)

Где (i — коэффициент расхода; F — площадь отверстия; g — ускорение свободного падения; H — высота уровня жидкости над центром тяжести отверстия. Если считать, что в процессе заливки H не изменяется, то, очевидно,

М\ = p{Fnti\i V 2g#, (135)

Где M1 — масса отливки; pi — плотность жидкого металла; Fn — площадь сечения питателя; t1 — продолжительность заливки. Небольшим значением величины может быть период, в течение которого температура металла при движении в полости кокиля изменяется от Тзал до ГзаТв. Учитывая это из уравнения (1), полагая в нем г — 0 (фронт потока), находим

^^lnl»»»^*, (136)

А1ф ‘ затв » ‘ с ф

Где Rc — приведенный размер полости формы.

В соответствии с рассуждениями, приведенными в параграфе 2 гл. II, можно положить Oc1 = XJXkp и Tc. ф =• Т2н. Тогда из урав­нений (135) и (136) окончательно находим

Fn =——————— P^f————— = • (137)

1 затв ‘ 2Н

Величина Fn, найденная с помощью формулы (137), является минимальной. Поэтому потребное сечение питателя определяется по выражению Fn = kF„,

Где k —коэффициент запаса, k > 1.

Зал

10 30 50 70 90 1002Х,,т

Рис. 102. График для определения 7″gaJ] в зависи­мости от толщины стеики отливки 2Xt

Для определения площади сече­ния других элементов литниковой системы рекомендуются следующие соотношения [52]:

Fn-F^-Fcr=I :1,15: 1,25,

Где Fjlx — площадь сечения литникового хода; Fct — площадь сечения стояка.

В заключение рассмотрим некоторые практические данные. Для отливок из серого чугуна скорость подъема металла в кокиле должна быть не менее 10 мм/с при толщине стенки отливки до 10 мм. По опыту производства тонкостенных отливок массой 15—30 кг в кокилях с вертикальным разъемом на заводе «Водо – прибор» (г. Москва) рекомендуются питатели, рассчитанные по условию: 1 см2 — на 4,5—5,0 кг массы отливки. По данным этого же завода, заполняемость формы и качество отливок заметно улуч­шаются применением обычного зумпфа глубиной 45 мм или ша­ровидного диаметром 50 мм.

Температура заливки Тзал чугуна в кокиль находится обычно в пределах 1280—1330° С. С повышением T3an стойкость кокилей падает. Поэтому в исключительных случаях (для получения отливок сложной геометрической формы) Тзал увеличивают до 1360° С. Для выбора T3an рекомендуется график, показанный на рис. 102.

В ряде работ выявлены многие «тонкости» влияния элементов литниковой системы на качество отливок. Так отмечается, что литниковые системы, обеспечивающие ламинарный поток чугуна при минимальной продолжительности, способствуют уменьшению отбела [171].

4. ПОДГОТОВКА КОКИЛЯ

Как видно из формул (4) и (4′), возможности управления ско­ростью затвердевания и, следовательно, формирования свойств отливки заложены в выборе начальной температуры кокиля, свойств и толщины покрытия формы, т. е. в осуществлении меро­приятий по подготовке формы к очередной заливке.

В зависимости от химического состава чугуна цементит в от­ливке образуется при скоростях затвердевания 5—2 мм/с. Изме­нение и с 5 до 2 мм/с приводит к увеличению размеров зерен цементита с 4 до 20 мкм.

Из экспериментальных данных, приведенных на рис. 103, следует, что с повышением Т2н вплоть до 720 К глубина отбела заметно уменьшается. При этом уменьшается также перепад

Кокиля 7″зн иа глубину отбела А отливки и перепад температуры 6Г2 по толщине

Стенки кокиля

Температур ST2 по толщине стенки формы (расчетные данные), что является положительным фактором с точки зрения стойкости кокилей. Влияние Т2Н на жидкотекучесть и усадку металла рас­сматривалось ранее.

При заливке чугуна в неподогретый кокиль в отливке могут образовываться подкорковые газовые раковины. Это объясняется тем, что на поверхности холодной формы адсорбируются пары воды. Если холодный кокиль перед заливкой обтереть керосином или машинным маслом, то эти дефекты не возникают. При Tiil более 770 К не исключено появление в отливках газовой пори­стости. Для выбора T211 в производственных условиях можно пользоваться графиком, показанным на рис. 104.

В табл. 23 приведены покрытия, рекомендуемые НИИСЛ для литья чугуна. Согласно классификации, данной в гл. VI, все они относятся к группе тонкослойных. Составы 2 и 4 предназна­чены для многоразового использования: наносятся в качестве под­слоя 1—2 раза в смену. Составы 1, 3, 5 и 6 являются разовыми. Они могут наноситься на многоразовый подслой или непосред­ственно на рабочую поверхность кокиля. В практике литья в ко­киль чугуна в качестве разового тонкослойного покрытия широко применяют водный раствор пасты ГБ. Состав разводят до плот­ности 1080—1100 кг/м3.

Рис. 104. График для выбора начальной тем­пературы кокиля в зависимости от приве­денной толщины стенки отливки ^no

С помощью расчетных формул параграф 2 гл. II определяют толщину покрытия Xkp при заданных термических условиях литья, например скорости затвердевания, длительности каждой стадии охлаждения отливки или ее элемента и др. Необходимые для вы­числений значения Я, кр можно принять по данным, приведенным в табл. 3 и 4 (см. гл. VI), или рассчитать по формуле (60). Экспериментальные величины Хкр для многочисленных составов можно найти также в работах [11, 16—19, 56, 147 и др.].

Таблица 23 Составы покрытий и красок для литья чугуна, % по массе *

№ состава Jf	Сажа TM-15	Огнеупор­ная глина	Молотый тальк	Молотый шамот	Ацетилено­вая копоть	Марганцево- Кнслый Калий (сверх 100%)	Бура (сверх 100%)	Жидкое стекло	Смачиватель ОП-7 или Оп-ю
1 2 3 4 5 6	4 10—15 7—10 * Оста ** Соде	2 4 10—15 ** Льное — во ржание гл!	23 да. 1ННСТОЙ	40 Эмульс	100 ии гтл01	0,05 0,05 Гностью 13	1,2 30—140	4 6 8 5—7 Кг/м3.	0,5 0,4—0,6

В заключение необходимо отметить, что комплексную оценку влияния на условия формирования отливки всех факторов, свя­занных с подготовкой кокиля, можно дать с помощью структурных диаграмм, приведенных, на рис. 12 или 51, и расчетных зависи­мостей гл. II. Примеры практического применения указанных диаграмм описаны в гл. III и VII.

5. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

Термическую обработку чугунных отливок, получаемых при литье в кокили, осуществляют для устранения отбела и феррито – графитной эвтектики, снятия внутренних напряжений и улучше­ния механических свойств. Наиболее часто ее применяют для устранения отбела.

Термическая обработка состоит из высокотемпературного гра – фитизирующего отжига с нагревом до 1120—1220 К, некоторой выдержки и охлаждения вместе с печью или на воздухе. Для устранения отбела может быть осуществлена также термическая обработка отливок сразу после выбивки из формы: отливки в го­рячем состоянии загружают в печь, нагретую до 1220 К, выдер­живают в ней 2—3 ч и охлаждают на воздухе.

В настоящее время некоторые заводы начали подвергать тер­мической обработке отливки с целью перлитизации структуры чугуна, содержащей междендритный графит. При нагреве чугуна с междендритным графитом распад эвтектоидного цементита успе­вает произойти до достижения температуры Acf. Процесс аусте – низации протекает в металле за счет растворения углерода графита в Fev. Аустенит зарождается и растет в первую очередь около включений графита. С увеличением температуры нагрева количе­ство аустенита возрастает. Однако в интервале Ac^—Ас\ (1050 — 1100 К) превращение не завершается. Небольшие участки феррита наблюдаются в дендритах чугуна при нагреве выше Ас\.

Данные металлографического и высокотемпературного рент- геноструктурного анализа свидетельствуют о том, что в чугуне с междендритным графитом участки феррита сохраняются при нагреве до 1190—1200 К. Нагрев до более высоких температур (выше 1270 К) сопровождается интенсивным растворением и сфе – роидизацией графитовых включений. Для полного исключения структуры свободного феррита в чугуне аустенизацию необходимо проводить при более высоких температурах (>Лс3на 120—150 град).

При одном и том же химическом составе чугуна время, необ­ходимое для насыщения аустенита углеродом междендритного графита, в 5—8 раз меньше, чем время, необходимое для насыще­ния углеродом пластинчатого графита (Г. Г. Бойко). Это объяс­няется тем, что междендритный графит отличается чрезмерной дисперсностью и сильно развитой межфазовой поверхностью.

Наиболее высокие механические свойства у чугуна с меж­дендритным графитом достигаются при трооститной металличе­ской основе, которая обеспечивается закалкой с последующим от­пуском при 770 К. Температура высокого отпуска чугуна с меж­дендритным графитом не должна превышать 870 К во избежание образования ферритной металлической основы. Оптимальная температура закалки чугуна 1220—1270 К. Наибольшей износо­стойкостью обладают чугунные отливки с междендритным графи­том после закалки и отпуска при 570—670 К. Закалка и отпуск чугуна с междендритным графитом повышает механические свой­ства в 1,5—2 раза и износостойкость в 3—6 раз (Г. Г. Бойко).

Снятие внутренних напряжений в отливках производится на­гревом до 770—870 К, выдержкой 2—8 ч (в зависимости от кон­фигурации и габаритных размеров отливки) и охлаждением вместе с печью со скоростью 20—50 град/ч до 520 К-

6. ВИДЫ БРАКА И СПОСОБЫ ЕГО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ

Брака отливок при литье в кокиль по сравнению с литьем в песчаные формы обычно меньше, а некоторые виды брака (воз­никающие при литье в песчаные формы) вовсе не наблюдаются. Однако появляется ряд специфических видов брака, связанных с большой жесткостью литейных форм и повышенной скоростью охлаждения в них отливок. Наиболее распространенные дефекты чугунных отливок — их отбел и аномальное чередование в них структур чугуна — подробно рассмотрены выше.

Специфические виды брака при литье чугуна в кокиль, при­чины брака и методы устранения сведены в табл. 24,

Таблица 24

Виды брака, причины и способы предупреждения

Причина брака	Способы предупреждения
Hecoomeen Отклонение состава металла Нарушение температурного ре­жима плавки, модифицирования и заливки Несоответствие начальной темпе­ратуры кокиля Нарушение режима нанесения на кокиль теплозащитного покрытия	Чствие структуры Соблюдение установленных для данного технологического процесса: состава металла; режима плавки; состава, количества и режима ввода модификато­ра; режима заливки; начальной темпера­туры кокиля; состава и толщины тепло­защитного покрытия
Газо Подсос воздуха при заливке Повышенное газосодержание за­ливаемого металла Недостаточная вентиляция по­лости кокиля Низкая температура заливаемого металла Холодный кокиль и непросушен – ное теплозащитное покрытие Перегретый кокиль Сильно окисленная поверхность кокиля при значительном разгаре Повышенная газотворная спо-. собность песчаного стержня	Вые раковины Изменение конструкции литниковой си­стемы с целью исключения возможности отрыва струи от поверхности формы и раз­брызгивания потока при входе в рабочую полость Изменение состава шихты и повышение температуры перегрева Увеличение сечения вентиляционных от­верстий и устройство дополнительных Повышение температуры заливаемого ме­талла Подогрев кокиля, тщательное просуши­вание покрытия Охлаждение кокиля и в дальнейшем под­держание оптимальной частоты заливки и режима охлаждения формы Очистка кокиля, ликвидация сетки тре­щин (обычно путем механической обработ­ки), нанесение на кокиль при консерва­ции антикоррозионного покрытия Снижение газотворной способности свя­зующего, тщательное высушивание стерж­ня, снижение скорости заливки металла
Hedo Недостаточная жидкотекучесть расплава Большая протяженность литни­ковой системы	Ливы и неспаи Повышение температуры заливаемого ме­талла, снижение содержания серы и по­вышение содержания фосфора и кремния (не более 3%) Устройство коротких литниковых систем, заливка сверху

Продолжениетабл. 24

Причина брака	Способы предупреждения
Ускоренное охлаждение потока расплава	Повышение начальной температуры ко­киля, тщательное нанесение теплозащит­ного покрытия на кокиль в зоне литнико­вой системы
Нетехнологичность конструкции отливки Разъем кокиля по кромке от­ливки Местный перегрев отливки Недостаточная податливость формы Залив металла по поверхностям сопряжения частей кокиля Ускоренное и неравномерное охлаждение отливки после извле­чения из кокиля	Трещины Упрощение конструкции отливки: выпол­няются плавные переходы, вводятся гал­тели, уклоны и др. Перенос разъема формы на расстояние не менее 2—3 мм от кромки отливки Рассредоточивание подвода металла Применение податливых песчаных стерж­ней, раннее извлечение металлических стержней, раскрепление кокиля и извле­чение отливки из формы Тщательная сборка формы, подгонка ча­стей кокиля Замедление охлаждения отливки, напри­мер путем помещения ее в термостат

ЛИТЬЕ ЧУГУНА С ШАРОВИДНЫМ ГРАФИТОМ

1. ЛИТЕЙНЫЕ СВОЙСТВА

Вязкость и поверхностное натяжение. Вязкость чугунов, неза­висимо от их положения на диаграмме состояния, после обра­ботки магнием и церием заметно падает. Снижение температуры расплава приводит к повышению вязкости (см. рис. 94). Вязкость растет с увеличением содержания углерода и при изотермической выдержке. Последнее обстоятельство, по мнению Н. И. Клочнева, связано с удалением из расплава модификатора [66].

Обработка чугунов магнием и церием вызывает увеличение поверхностного натяжения расплава на 50—60%.

Жидкотекучесть. Данные о влиянии магния на жидкотеку – честь чугуна разноречивы.

Влияние начальной температуры кокиля, температуры за­ливки, толщины и состава покрытия кокиля на жидкотекучесть чугуна с шаровидным графитом аналогично влиянию на жидко­текучесть чугуна с пластинчатым графитом. Количественная оценка влияния перечисленных факторов может быть осуществлена с помощью формулы (1).

Усадка. В табл. 25 приведены данные (Р. Л. Снежной, Г. В. Немченко) о свободной линейной усадке в кокилях образцов из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Как видно, увеличение диаметра образцов, а также дополнительное модифи­цирование металла ферросилицием приводят к уменьшению усадки. Полученные результаты вполне закономерны и объясняются уве­личением степени графитизации с ростом толщины стенки отливки и с вводом графитизирующего модификатора. Сравнение данных табл. 21 и 25 показывает, что полная усадка чугуна с шаровидным графитом примерно равна усадке чугуна с пластинчатым графитом при аналогичных металлических основах (образцы диаметром 10 мм имели структуру белого, диаметром 30 мм — половинчатого и диаметром 50 мм — перлитного чугунов).

Многочисленными исследованиями установлено, что влияние химического состава и скорости охлаждения на рассматриваемое свойство не зависит от формы включений графита.

Особенность линейной усадки чугуна с шаровидным графитом заключается в 2—3 раза большей, чем у чугуна с пластинчатым графитом, величине предусадочного расширения, а также в бо­лее либо менее полной реализации последнего процесса после затвердевания (рис. 105). Вследствие этих особенностей чугун с шаровидным графитом имеет пониженную склонность к образо­ванию горячих трещин, но повышенную склонность к образова­нию усадочных в основном сосредоточенных раковин и пористости (рис. 106). Графики на рис. 106 показывают, что объем усадочных

Таблица 25

Свободная линейная усадка чугуна

Диаметр образца, MM	Усадка, %, при модифицировании
Магнием	Магнием и ферроси­лицием
10	2,09	1,81
30	1,77	1,53
50	1,24	1,17

Рис. 106. Относительный объем усадочных раковин (%) в отливках:

1 — усадочные раковины и пористость; 2 — сосредоточенные усадочные раковины

Раковин зависит от углеродного эквивалента и достигает макси­мальной величины, если состав чугуна близок к эвтектическому. Опыт показывает также, что объем усадочной раковины увели­чивается при снижении Tзал. Влияние ширины интервала кри­сталлизации ВЧШГ на особенности усадочных процессов анало­гично рассмотренному ранее для серого чугуна (см. параграф 1 гл. XI).

Рис. 105. Изменение температуры отливки (/) и предусадочного расширения (2) чугуна (по Н. И. Клочневу)

Трещиноустойчивость. Как указывалось, чугун с шаровид­ным графитом имеет предусадочное расширение большее, чем серый чугун, и, следовательно, меньшую склонность к образованию горячих трещин. Благодаря этому в кокилях из чугуна с шаровид­ным графитом получают весьма сложные отливки, т. е. такие, фор­мирование которых протекает в условиях сильно затрудненной усадки. Сказанное подтверждается производственными приме­рами (см. рис. 66 и 72), а также результатами специальных исследований. При отливке образцов диаметром 10, 30 и 50 мм в кокилях, исключающих свободную усадку металла, было уста­новлено (Р. Л. Снежной, Г. В. Немченко), что трещины образуются в интервалах температур 1000—970, 970—700 и 800—700 К соот­ветственно. Следовательно, опасные с точки зрения образования трещин интервалы температур находятся ниже, чем принятые тем­пературы удаления отливок из кокиля. Можно подчеркнуть, что с повышением толщины стенки отливки опасность появления горя­чих трещин снижается.

Чугун с шаровидным графитом, однако, имеет повышенную в сравнении с серым чугуном склонность к образованию холодных трещин. Этот недостаток проявляется полнее всего при литье в кокиль, что связано с отбелом чугуна (особенно в тонких сече­ниях). Из других факторов, влияющих на образование холодных трещин, необходимо отметить относительно высокое значение модуля упругости и пониженную величину теплопроводности. Понятно, что эти факторы снижают трещи неустойчивость высо­копрочного чугуна.

Поражаемость газовыми и неметаллическими включениями. Данные относительно поражаемосы газовыми включениями серого чугуна, изложенные в предыдущей главе, имеют прямое отноше­ние к литью чугуна с шаровидным графитом. Для отливок из чу­гуна с шаровидным графитом характерны также неметаллические включения, получившие название «черные пятна».

Первыми исследованиями зон отливок, пораженных черными пятнами, было обнаружено повышенное (в сравнении со средним) содержание магния (в несколько раз) и серы (в несколько десят­ков раз). Это послужило основанием для предположения, что черные пятна представляют собой в основном сульфиды магния (MgS), образующиеся при модифицировании. Такое предположе­ние подтверждалось уменьшением черных пятен по данным сер­ных отпечатков по мере снижения в чугуне содержания серы. Однако позднее, благодаря исследованиям Е. Б. Шицмана и др., было установлено, что черные пятна кроме MgS содержат MgO в виде окисных плен.

Включения сульфидов имеют более или менее компактную форму. Их образование завершается в процессе модифицирования и связано с наличием серы расплава. Обладая существенно мень­шей, чем чугун, плотностью включения, MgS легко всплывают в ковше. Поэтому радикальными мерами борьбы с сульфидными включениями являются снижение содержания серы в чугуне (до 0,01%) и перевод сульфидов в шлак с помощью флюсов (крио­лит, плавиковый шпат и др.) с последующим скачиванием шлака. В случае, когда сульфиды попадают в форму, они располагаются обычно в верхней по заливке части отливки. При ускоренном охла­ждении чугуна (например, в кокиле) соединения MgS могут быть рассредоточены по объему отливки. Они легко обнаруживаются по серным отпечаткам и характерному темно-серому цвету в из­ломе.

Включения окислов имеют форму тонких пленок. Эти включе­ния, действуя подобно надрезам, заметно снижают прочность, пла­стичность и герметичность чугуна. Окислы образуются на свобод­ной поверхности расплава, чем и объясняется их пленочный вид,

Рис. 107. Окисиые плеиы в изломе отливки из чу­гуна, модифицированного магнием

А также возникновение как в ковше, так и при движении металла в фор­ме. Пленки окислов при завихрении потока расплава разрываются и за­стревают в теле отливки. Их раз­меры могут быть от десятых долей до нескольких миллиметров (рис. 107). С окисными пленами могут взаимо­действовать включения сульфидов. В этом случае плены обнаружи­ваются по серным отпечаткам. Образование плен связано с по­вышенной окисляемостью магние­вого чугуна. Как показал Е. Б. Шиц-

Ман, склонность чугуна к образованию этих включений за­висит от температуры и содержания магния: чем больше маг­ния содержится в металле, тем выше температура пленообразо – вания. При нагреве выше этой температуры образование плен термодинамически невыгодно. Так, при содержании 0,035— 0,037% Mg окисные плены не обнаруживаются, если T3an свы­ше 1690—1720 К. Из изложенного следует, что борьба с окисными пленами заключается в предотвращении окисления расплава магниевого чугуна.

К специфичным дефектам отливок из чугуна с шаровидным графитом относятся также неметаллические включения в виде ликватов графита. Располагаются они, как и прочие неметалличе­ские включения, в верхних по заливке участках отливки. Иссле­дованиями, проведенными в НИИСЛе, установлено, что ликва­ция не наблюдается, если углеродный эквивалент не превышает 4,35% для отливок с приведенной толщиной стенки 20—25 мм и 4,5% для тонкостенных (~5 мм) отливок.

Особенности микроструктуры. Из данных гл. III следует, чем больше скорость затвердевания и охлаждения чугуна, моди­фицированного сфероидизирующими веществами, тем правильнее шаровидная форма и меньше размеры включений графита. Поэтому при литье в кокиль создаются весьма благоприятные условия для получения чугуна с шаровидным графитом.

Как известно, основные сфероидизаторы графита — магний и церий — при их использовании в количествах, обеспечивающих получение шаровидного графита, оказывают сильное отбеливаю­щее действие. Это обстоятельство в сочетании с ускоренным охла­ждением металла приводит к тому, что отливки из чугуна с шаро­видным графитом, полученные в кокилях, при толщине стенки до 15—20 мм имеют сквозной отбел. Следовательно, термическая обработка таких отливок, за исключением особых случаев, является обязательной.

2. ПОДГОТОВКА МЕТАЛЛА

Чугун с шаровидным графитом, применяемый для литья в ко­кили, имеет обычно следующий состав, %: 3,2—3,5 С; 2,8—3 Si; 0,6—0,9 Mn; до 0,12 Р; до 0,12 S (до модифицирования). Содержа­ние модификаторов в металле должно находиться в пределах: 0,03—0,08% Mg и 0,02—0,05% Ce. При большем содержании сфероидизаторов металл охрупчивается. Углерод следует поддер­живать на верхнем пределе, так как при этом, в отличие от серого чугуна, обеспечиваются высокие механические и, кроме того, улуч­шаются литейные свойства. На структуру отливок из чугуна с ша­ровидным графитом воздействуют обычно изменением количества кремния. Однако превышение концентрации кремния сверх 3% не рекомендуется вследствие появления хрупкости.

При литье в кокиль наибольшее практическое применение нашло модифицирование чугуна металлическим магнием в каме­рах-автоклавах. Основные положения этой технологии разрабо­таны в НИИСЛе и сводятся они к следующему [145]. Если содер­жание серы в исходном чугуне превышает 0,12%, то металл обра­батывают кальцинированной содой. Магний вводят в количестве 0,17—0,25% от массы чугуна в ковше. Модификатор представляет собой магниевый сплав в чушках марок MMl или ММ2 по ГОСТ 2581—78. Перед модифицированием в металл дают криолит (ГОСТ 10561—73) в количестве от 0,05 до 0,10%. Давление сжа­того воздуха в камере-автоклаве устанавливают перед вводом модификатора в зависимости от температуры:

Температура чугуна в ков­ше, К До 1630 1630—1650 1650—1670 1670—1690

Давление сжатого воздуха,

Кгс/см2, не менее…………………. 5,0 5,6 6,4 7,3

После ввода магния металл перемешивают мешалкой, погру­жаемой в ковш с частотой не менее 20—30 погружений в минуту. Продолжительность этой операции зависит от количества вводи­мого магния и массы чугуна в ковше. Так, при количестве моди­фикатора 0,1 % и массе чугуна 250 кг длительность перемешивания составляет 20 с; с увеличением массы чугуна до 1000 кг длитель­ность равна 35 с. При вводе 0,30% Mg указанные параметры соста­вляют 80 и 135 с соответственно. Графитизирующие модификаторы (например, ферросилиций) вводят в расплав вместе с магнием, либо после него.

3. ЛИТНИКОВО-ПИТАЮЩИЕ СИСТЕМЫ

Литниковые системы. Специфику литейных свойств чугуна с шаровидным графитом учитывают при выборе литниковой си­стемы. Большинство отливок, получаемых литьем в кокили, имеют вертикальную плоскость разъема, что диктуется технологическими и экономическими соображениями (вертикальный разъем предопре­деляет использование конструктивно простых и удобных в обслу­живании кокильных машин). Подвод металла в форму с верти­кальным разъемом можно осуществлять сверху, сбоку и снизу. Возможные варианты подвода металла и конструкции литниковых систем показаны в виде схем на рис. 108. Для получения сложных отливок металл целесообразно подводить через прибыли и питаю­щие бобышки.

Большая склонность жидкого чугуна с шаровидным графитом к образованию тугоплавких неметаллических включений требует спокойного заполнения кокиля. При такой заливке резко умень­шается окисление поверхности металла и предотвращается попа­дание образовавшихся включений в отливку. Кроме того, литни­ковая система должна быть обязательно тормозящей для обеспе­чения подачи в нее защитного флюса и предохранения от попада­ния его в форму.

Рис. 108. Варианты подвода металла и конструкции литниковых систем: а, б, а — подвод сверху; г, д — подвод сбоку; е — подвод снизу

В) е)

Расчеты сечения питателей Fu при литье чугуна с шаровидным графитом можно выполнять по формуле (137). При этом необхо­димо учитывать, что коэффициент расхода {г для этого чугуна сечения питателей в первом случае соответственно больше, чем во втором. Для практических расчетов величины р, рекомендуется принимать по табл. 26.

Таблица 26

Значение коэффициента расхода

Внутренние полости	Подвод металла
Снизу	Сбоку	Сверху
Без песчаных стержней……………………… С песчаными стержнями……………………..	0,18—0,27 0,23—0,37	0,21—0,31 0,26—0,42	0,24—0,35 0,29—0,45

Меньшие значения р, в табл. 26 относятся к кокилям с затруд­ненным газоотводом.

При расчетах величины Fn для литья высокопрочного чугуна в кокили удобно также пользоваться номограммами, позволяю­щими определить продолжительность заливки (рис. 109) и пло­щади сечения питателей Fn (рис. 110) [157]. По первой номограмме продолжительность заливки находят, пользуясь последовательно шкалами Mi, 2Xi, у, Kv и t – Вспомогательная шкала у необхо­дима для перехода от прямой Mi 2Xi, пересекающей шкалу у, к прямой у Kv, пересекающейся со шкалой t в точке искомой величины (индексы «св» и «сн» соответствуют подводам металла сверху и снизу).

Номограмма на рис. 110 имеет три вспомогательные шкалы 7i, 72, 73, на которых последовательно определяют точки пересече­ния с прямыми соответственно:

T Я; 7i Mi; 72 -»- ц, после чего по точке пересечения прямой 73 г] со шкалой F находят искомую площадь сечения питателей. Коэффициент Kv принимают в зависимости от величины отношения yv = Mi/Vra6 (где Mi и Kra6 — масса и габаритный объем отливки);

Yv, кг/м^ 0—500 500—1000 1000— 1500— 2000— 2500— 3000—

1500 2000 2500 3000 ‘ 3500 Kv 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4

Коэффициент заполняемости т] определяют по зависимости

T1 = 0,036СЭ + 0,0028ГП + 0,0013Г2н,

Где C3 — углеродный эквивалент (C3= (С + 0,31Si)%); Tn — температура перегрева заливаемого металла, °С; Tzh — начальная температура кокиля, °С,

Для построения номограмм, представленных на рис. 109 и 110, использована зависимость (134) и известная эмпирическая формула для определения продолжительности заливки:

‘зал = fIlM»*,

Где W1 и п2 — коэффициенты, определяемые эксперименталь­ным путем.

Размеры остальных элементов литниковой системы назначают из условия ее постоянного заполнения и обеспечения шлакоотде – ления, для чего пользуются соотношениями

Wt 60

Рис. 109. НомограммаЮ. С. Jlep – иера и Е. Б. Шицмана для определения продолжительности заливки высокопрочного чугуна в кокиль. Продолжительность заливки сверху ^cb и снизу Z1ch определяется в последовательно­сти :

Mj-> 2 X^ у Ky -+ t. Линиями 1 — 11 показан пример определения для отливки массой M1 = 15 кг при следующих условиях: преобладающая толщина стенкн 2Xt = 10 мм, Ky = 1,0

TCB’0 tCh’0

^1Fn : Fct = 1,0 :1,1,

Рис. 110. Номограмма Ю. С. Лернера и Е. Б. Шицмана для определения площади се­чения питателей прн заливке высокопрочного чугуна. Площадь сечеиия питателей Fn определяется в последовательности:

T H -> V1 M^ ->72->ц->7з->Л-> Fn – Лнннямн I-IV показан пример опре­деления Fn для отлнвкн массой M1 = 30 кг прн следующих условиях: t= 10 с, на­пор H = 9 см, коэффициент расхода ц = 0,3, Г) = 1,4

А при наличии шлакоуловителя

Ј^:^:^=1,0:(1,2-1,4): 1,1,

Где Fct и Fiuji — площади поперечного сечения стояка и шлако­уловителя.

В заключение отметим, что T3ajl в кокиль чугуна с шаровид­ным графитом находится обычно в пределах 1570—1610 К.

Прибыли и питающие бобышки. Эти элементы рекомендуется выполнять в стержнях либо в песчаных чашах (см. рис. 108). Коэффициент тепловой аккумуляции песчаного состава, как пра­вило, на порядок меньше, чем материала кокиля, что обеспечи­вает сокращение размеров и повышение эффективности работы прибылей. Конструкция и место расположения прибылей и пи­тающих бобышек зависят от объема и конструкции теплового узла отливки. При этом в качестве исходного параметра берут диаметр окружности (Dy), вписанной в питаемый узел. Анализом питающих систем, применяемых при литье чугуна с шаровидным графитом в кокили, установлено, что выбор прибылей отливок целесообразно осуществлять, пользуясь следующими соотноше­ниями: диаметр прибылей (Dnp) для компактных узлов отливок типа втулок, поршней Dnp = 0,8Dy; для узлов типа брусков, ста­нин, кронштейнов ит. п. Dnp = Dy; для плоских отливок типа плит, заливаемых горизонтально, Dnp = l,2Dy. Высоту прибыли назначают из соотношения Hnp= 1,25Dnp. Диаметр перешейка, связывающего прибыль с питаемым узлом, должен быть d — (0,3-г – -0,5) Dnp.

Толщины стенок стержней, в которых выполняются питаю­щие элементы, не должны превышать 10—20 мм.

Приведенные рекомендации позволяют выбрать размеры пи­тающих отливку элементов в первом приближении. При желании уточнения выбранных величин следует обратиться к формулам гл. IV.

4. термическая обработка

Полученные в кокилях отливки из высокопрочного чугуна подлежат, как правило, термической обработке. Она необходима для ликвидации в отливках структурно-свободного цементита, получения необходимого соотношения перлита и феррита в ме­таллической матрице, снятия внутренних напряжений и дости­жения в конечном итоге заданных свойств чугуна.

1. Основы теории графитизирующей термической обработки. Если представить законы изменения радиуса аустенитного дво­рика [45] шаровидного включения г (t) и скорости роста числа центров кристаллизации п (t) в виде функций

Г = Kutb и n(t) = n0 + тxt + m2t2,

Где Ku, п-о, т2 — постоянные коэффициенты, то можно решить известное кинетическое уравнение А. Н. Колмогорова (23). Решение это имеет вид

^L=I – exp [-(K3+ Knt + Kmf + Kmf) t3bV (138)

* от

Здесь V — текущий графитизированный объем отливки; Vot — объем отливки;

K3 = -^-nN3Ki, Kn — 3(364J1[_!) по Ku,

К ^nmlKl_______________________ 8 Ttm2K3u__________

Дот’ 3(36 + 1)(36 + 2)’ дш* 3(36+ 1)(36 + 2)(36 + 3)’

N3 — число активных затравок (подложечных включений) в еди­нице объема. При выводе формулы (138) внутренний интеграл в вы­ражении (24) взят в пределах 0 — (t — f), так как начальная скорость роста зародыша не зависит от момента его появления.

Из теории кристаллизации известно, что при завершении про­цесса показатель экспоненты со в выражении (138) находится в пре­делах 4—5,36. Поэтому, приравняв показатель экспоненты этой величине, получим формулу для расчетов продолжительности графитизирующей термической обработки tK. Необходимые для практических расчетов значения коэффициентов. приведены

Таблица 27

Результаты обработки экспериментальных данных графитизации высокопрочных чугунов

S– О. СЛ ф

Н t. Я S » S с ё

Я К S

S 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~