Лекция 3. Специальные виды литья.
Применение специальных видов литья позволяет повысить производительность труда, точность размеров, качество поверхности и механические свойства отливок. Это достигается за счет каких-либо принципиальных изменений технологии (способа формовки, заливки) или средств технологического оснащения (моделей, форм), что увеличивает себестоимость отливок. Поэтому каждый из этих способов имеет определенные области применения, в которых достигается наибольшая эффективность.
Литьё в оболочковые формы (ЛОФ).
ЛОФ основано на применении горячетвердеющих формовочных смесей со связующими из термореактивных смол. При нанесении смеси на горячую модельной плиту смола переходит из твердого в вязкотекучее состояние, воспроизводит очертания моделей и затем необратимо затвердевает, сохраняя полученную конфигурацию.
К достоинствам ЛОФ относятся: Минимальный брак отливок по горячим трещинам и газовым раковинам, т.к. после заливки формы и ее прогрева расплавом, термореактивная смола начинает разлагаться (при t > 450°С), чем обеспечивается, как незатрудненная усадка отливки, так и отвод газов. Простота механизации и автоматизации процесса. Повышенная точность размеров (IT 13…14) и качество поверхности отливок (Rz 40…10 мкм). К недостаткам относятся: высокая стоимость и вредность термореактивных смол, сложность регенерации смесей.
ЛОФ традиционно получают ответственные отливки, прежде всего из чугуна, такие как ребристые цилиндры двигателей воздушного охлаждения, коленчатые и распределительные валы и др. Однако, в связи с вредностью и энергоемкостью процесса, его все чаще заменяют на литье в песчаные формы из холоднотвердеющих смесей.
Рис.2.13. Схема формовки при литье в оболочковые формы:
а – подготовка; б – обсыпка; в – переворот;
1 – формовочная смесь; 2 – бункер; 3 – модельная плита; 4 –модель; 5 – оболочка;
6 – готовая полуформа.
Технологический процесс изготовления оболочковых полуформ, осуществляемый на одно - и многопозиционных машинах, состоит из нескольких этапов:
Вначале (рис. 2.13, а) производится нагрев модельной плиты 3 до температур 200…250°С и покрытие ее разделительным составом для предупреждения прилипания оболочки.
Затем производится засыпка нагретой модельной плиты термореактивной смесью, состоящей из кварцевого песка и связующего - термореактивной смолы, например фенолформальдегидной. Для этого бункер 2 со смесью 1 накрывают модельной плитой и переворачивают на 180° (рис. 2.13, б).
Формовочная смесь нагревается, смола переходит в вязко-текучее состояние, и смесь воспроизводит очертания модели, образуя оболочку 5, которая через 20…30 с отверждается.
Затем бункер переворачивают, и незатвердевшая смесь ссыпается в него, а оболочка толщиной 6…12 мм остается на модельной плите (рис. 2.13, в).
Окончательное отверждение полуформы происходит при нагревании ее на модельной плите в печи при 280…320°С. При этом процесс поликонденсации смолы завершается, и полуформа приобретает заданную прочность. Оболочковая полуформа 6 снимается с модельной плиты при помощи толкателей.
Вторую полуформу получают аналогично на другой модельной плите. Затем производится склеивание полуформ и заливка формы расплавом.
Относительно крупные оболочковые формы перед заливкой засыпают чугунной дробью в опоках для повышения прочности.
Литьё по выплавляемым моделям (ЛВМ).
ЛВМ основано на применении моделей из легкоплавкого состава, которые после формовки выплавляются из формы (не извлекаются механически), что позволяет получать отливки наиболее сложной конфигурации с высокой точностью размеров.
К достоинствам ЛВМ относятся:
1.Возможность получения отливок самой сложной конфигурации с тонкими стенками – от 1 мм, т.к. нет механического извлечения моделей, а заливка осуществляется в горячую форму.
2.Высокая точность размеров (IT 8…11) и качество поверхности (Rz 40…10 мкм), т.к. нет механического извлечения моделей и используется мелкий огнеупор.
3. Отсутствие перекосов в отливках (форма неразъемная).
К недостаткам процесса можно отнести:
1. Сложность технологического процесса и, соответственно, высокая стоимость отливок.
2.Возможность окисления, обезуглероживания поверхностного слоя, крупнозернистость.
3. Газонасыщенность отливок из-за низкой газопроницаемости формы.
ЛВМ применяют, прежде всего, при производстве небольших отливок сложной конфигурации из стали и тугоплавких сплавов. Способ особенно эффективен, если отливки по качеству поверхности и точности удовлетворяют предъявляемым к детали требованиям, и нет необходимости в последующей обработке резанием.
Этим способом получают коромысла клапанов двигателей, детали швейных машин, стрелкового оружия, ювелирные изделия, а также лопатки газотурбинных двигателей, мерительный и режущий инструмент
Технологический процесс литья, осуществляемый на автоматических линиях, состоит из следующих этапов:
Модели отливок 1 (рис. 2.14, а) с элементами литниковой системы изготавливают в разъемной пресс-форме 2 запрессовкой в нее легкоплавкого модельного состава, например 50% парафина и 50% стеарина.
Рис.2.14. Технология литья по выплавляемым моделям:
а – изготовление модельных звеньев; б – сборка модельного блока; в – формовка окунанием; г – обсыпка огнеупором; д – сушка; е – выплавление моделей; ж – засыпка; з – прокаливание формы; и – заливка; 1 – модель; 2 – пресс-форма; 3 – блок моделей; 4 – слой суспензии; 5 –огнеупор; 6 – нагревательная печь; 7 – расплав.
Полученные звенья моделей собирают в блоки с моделью воронки пайкой, сваркой или механически на металлической оправке.
Формовка осуществляется погружением моделей в жидкую формовочную смесь. Блок моделей 3 (рис. 2.14, б) окунают в сосуд с огнеупорной суспензией, содержащей около 90 % тонко измельченного огнеупорного материала (кварцевого песка, корунда) и жидкого связующего (раствора гидролизованного этилсиликата). На поверхности модели образуется тонкий слой суспензии 4 (рис. 2.14, в). С целью увеличения толщины этого слоя его обсыпают огнеупором 5 (рис. 2.14, г).
Для получения необходимой толщины формы нанесение суспензии и обсыпку производят несколько раз с промежуточной сушкой. Каждый слой высушивают горячим воздухом (рис. 2.14, д).
Просушенную форму помещают в сосуд с горячей водой (рис. 2.14, е) или ванну с модельным составом и выплавляют модели.
После выплавления модельного состава форму сушат на воздухе, а затем помещают в металлический контейнер (опоку) и засыпают снаружи песком, который уплотняют вибрацией, что повышает жесткость формы (рис. 2.14, ж).
Для упрочнения формы ее прокаливают в нагревательной печи 6 (рис. 2.14, з). Одновременно происходит выгорание остатков модельного состава, которые могли бы привести к образованию газовых раковин в отливках.
Раскаленная форма заливается расплавом 7 (рис. 2.14, и). Высокая температура формы обеспечивает повышение жидкотекучести расплава и получение тонкостенных отливок сложной конфигурации.
После кристаллизации расплава и охлаждения отливки форму разрушают. Остатки растрескавшейся керамической оболочки на поверхности отливки удаляют выщелачиванием в растворе едкого натра при температуре 120°С.
Кокильное литье (КЛ).
КЛ (или литье в кокиль) – это литье, осуществляемое свободной заливкой многократной металлической формы. Главной особенностью КЛ является высокая скорость охлаждения отливок из-за большой теплопроводности формы, что имеет весьма разнообразные последствия (высокие механические свойства продукции, но пониженная стойкость самого кокиля; высокая производительность, но ограниченность минимальной толщины стенки и т.д.).
К достоинствам ЛК относятся:
Комплекс высоких механических свойств отливок (прочности, пластичности, ударной вязкости) благодаря образованию мелкозернистой структуры из-за высокой скорости охлаждения расплава.
Повышенные точность размеров (IT 12…15) и качество поверхности отливок (Rz 80…10 мкм).
Высокая производительность в результате автоматизации и сокращения трудоемких операций смесеприготовления, формовки, очистки отливок.
Наиболее широко ЛК применяется для получения ответственных отливок из цветных сплавов (на основе алюминия, меди и др.) в серийном и массовом производстве, например головок блоков цилиндров, поршней и т.д. отливки из чугуна ЛК получают при необходимости искусственно вызванного отбела на поверхности и, соответственно, высокой износостойкости у прокатных валков, распределительных валов и др.
Изготавливаются кокили литьем из чугуна (СЧ20, ВЧ40 и др.) или стали (15Л, 20Л и др.) с последующей обработкой резанием (для повышения точности размеров и получения вентиляционной системы для вывода газов).
Кокили бывают разъемные и неразъемные (вытряхные), с горизонтальным и вертикальным разъемом.
Для получения отверстий и полостей используют стержни, чаще всего металлические, изготовленные из жаропрочных легированных сталей (30ХГС, 35ХГСА и др.). При сложной конфигурации отверстий и полостей применяют песчаные или разъемные металлические стержни.
На рисунке (рис. 2.15) изображен кокиль для получения поршня.
Кокиль состоит из двух половин 1, 5 и нижней плиты 6. Для получения отверстий в поршне используются металлические стержни. Причем, если боковые стержни под поршневые пальцы 7, будут затем извлекаться из отливки без особых затруднений, то извлечь центральный стержень можно только, если он разъемный. После охлаждения отливки сначала извлекается центральная клиновая часть 2, а затем боковые 3.
Рис.2.15. Кокиль для получения поршня:
1 - левая половина кокиля; 2 – клиновая часть центрального стержня; 3 – боковые части центрального стержня; 4 - полость формы; 5 – правая половина кокиля; 6 – нижняя плита; 7 – боковые стержни
Технология ЛК включает следующие операции:
1. Подогрев кокиля перед заливкой до 150…350ºC и нанесение защитного огнеупорного покрытия толщиной 0,3…0,5 мм (например, окиси цинка на жидкостекольном связующем при литье алюминиевых сплавов). При литье чугуна наносят достаточно толстый слой огнеупорной футеровки (футерованные кокили).
2. Сборка кокиля, включающая соединение его частей, установку стержней.
3. Заливка расплава через литниковую систему. Кристаллизация и охлаждение отливок до заданной температуры. Раскрытие кокиля, извлечение стержней и отливок.