Краткие теоретические сведения

Сущность литья в кокиль состоит в применении металлических многократно используемых литейных форм (кокилей), которые заполняют расплавом под действием гравитационных сил, т.е. без приложения давления.

Экономически целесообразно применять этот способ литья только в серийном или массовом производстве. В кокиль заливаются все типы сплавов, но количество съемов годных отливок с одной формы для разных сплавов бывает неодинаково (табл. 6.1).

Таблица 6.1Стойкость стального кокиля

Основные элементы кокиля обычно изготавливают из чугуна или стали. Те части кокиля, которые в наибольшей степени подвергнуты воздействию металла, рекомендуется выполнять съемными.

Полости в отливке могут быть выполнены металлическими или песчаными стержнями, извлекаемыми из отливки после ее затвердевания и охлаждения до заданной температуры. Кокиля с песчаными стержнями применяют преимущественно для чугунных и стальных отливок, с металлическими стержнями – для отливок из цветных легких сплавов.

Устройство кокиля. Кокиль (рис. 6.1) состоит из двух полуформ 1,плиты 2, замков 3, ручек 4. Полуформы взаимно центрируются штырями 5 и перед заливкой соединяются замками 2. Размеры рабочей полости 9 кокиля больше размеров отливок на величину усадки сплава.

В полуформах кокиля расположены литниковая система 7, прибыль 8, центрирующие штыри 6. Расплав поступает и заполняет рабочую полость кокиля по литниковой системе 7. Питание отливки осуществляется из прибыли 8.

Стойкость кокиля. Стойкость кокиля зависит от трех основных факторов: материала отливки и температуры заливки сплава; от материала кокиля; от конструкции кокиля.

Покрытия можно подразделить па три группы: разовые, многоразовые и постоянные.

Окрашивание кокиля. Для увеличения стойкости кокиля, т.е. для предохранения его от термического удара и эрозионного воздействия во время заливки расплава, управления условиями

б
в
а

Рис. 6.1. Кокиль: а – устройство кокиля; б – общий вид кокиля; в – отливка; 1 – подвижные полуформы; 2 – плита; 3 – замки; 4 – ручка; 5 – центрирующие штыри; 6 – направляющие штыри; 7 – литниковая система; 8 – прибыль; 9 – отливка (рабочая полость)

кристаллизации отливки, создания в форме определенной газовой атмосферы и обеспечения в некоторых случаях поверхностного легирования и модифицирования отливки производят окрашивание или облицовку кокилей огнеупорными покрытиями. Однако главное назначение покрытий – управление теплообменом между отливкой и кокилем.

К постоянным относятся покрытия, долговечность которых соизмерима со сроком использования кокиля. Это покрытия, напыленные пламенным или плазменным способами, полученные методами электрохимической или химико-термической обработки.

К многоразовым покрытиям можно отнести футеровку кокиля формовочной смесью на основе жидкого стекла.

Разовые покрытия представляют собой суспензию огнеупорного материала в воде или в связующем. Разовые покрытия наносятся на поверхность нагретого кокиля. При этом вода испаряется, а огнеупорный материал остается на поверхности кокиля.

Наиболее часто используют многоразовые покрытия с разовой краской.

В общем случае покрытие должно быть инертно к металлу отливки. Исключением являются покрытия, используемые для поверхностного модифицирования и легирования. Например, применение поверхностно-модифицирующих составов (углеродистых, FeSi) предупреждает отбеливаемость чугунных отливок.

Состав покрытий зависит от заливаемого сплава, а его толщина – от требуемой скорости охлаждения отливки: чем больше толщина слоя покрытия, тем медленнее охлаждается отливка. Покрытия содержат огнеупорную основу (материал), связующее, активизаторы, стабилизаторы, модифицирующие и легирующие вещества.

Огнеупорной основой служат мелкодисперсные материалы – кварц, шамот, оксиды и карбиды металлов (например, MgO, Fe₂O₃), графит, тальк и другие. Чем выше температура заливаемого сплава, тем большей огнеупорности выбирается наполнительный материал.

Связующим для покрытий обычно являются жидкое стекло или огнеупорная глина.

Активизаторы (например, бура или борная кислота) используют для улучшения сцепления покрытия с металлом кокиля.

Стабилизаторы применяют для улучшения определенных свойств покрытий. Такими веществами обычно являются поверхностно-активные вещества (ПАВ).

Тепловой режим кокиля. При заливке горячего расплава металл кокиля резко нагревается. В результате возникает так называемый термический удар, вызывающий деформации, которые приводят к значительным напряжениям в металле кокиля и выходу кокиля из строя. Поэтому очень важно соблюдать тепловой режим кокиля, позволяющий получать отливки высокого качества и заключающийся в правильном подборе температуры подогрева и охлаждения кокиля. Температура нагрева кокиля зависит от рода расплава, от материала кокиля, от геометрии отливок и ряда других факторов и в среднем составляет 200–250 °С. Например, при отливке в чугунный кокиль его температура нагрева составляет для медных сплавов – 120–200 °С, для стали – 150–250 °С. Верхние пределы нагрева предусмотрены для литья тонкостенных отливок.

Кокиль обычно нагревают с помощью газовых горелок, размещае­мых между половин раскрытого кокиля. Реже используют электропо­догреватели. Крупные кокиля иногда нагревают в специальных нагревательных печах-колодцах.

Существуют многочисленные способы охлаждения кокилей:

– ребристая внешняя поверхность (охлаждающие ребра-холодиль­ники), которая охлаждает кокиль на 25–30 % эффектив­нее, чем гладкая;

– воздушное охлаждение сжатым воздухом;

– охлаждение водой;

– охлаждение стержней их периодическим замачиванием в воде.

Наиболее эффективным является охлаждение водой, однако это требует некоторого усложнения кокиля.

Нагрев кокиля также полезен и для заливаемого металла. При соприкосновении с холодным кокилем расплав быстро теряет жидкотекучесть и получается незалив тонкостенных отливок.

Чрезмерный нагрев кокиля вреден, так как увеличивается химико-термическое взаимодействие с материалом кокиля (пригар, разгар), уменьшается производительность из-за увеличения времени охлажде­ния отливки, появляются усадочные дефекты в массивных частях отливки и теряется одно из преимуществ кокильного литья – получение мелкокристаллической структуры в результате ускоренной кристалли­зации.

Эффективным воздействием на тепловой режим кокиля является создание между кокилем и расплавом определенного термического сопротивления с помощью наносимых на поверхность полости кокиля облицовок и красок.

Подготовка кокиля. Кокиль перед заливкой металла подогревают до заданной температуры и наносят защитное покрытие. В полость кокиля устанавливают песчаные стержни и собирают кокиль, затем заливают расплавленный металл. После затвердевания кокиль раскрывают, извлекают отливку и отделяют от нее литниковую систему. Как правило, кокильные отливки проходят термическую обработку для снятия внутренних напряжений, возникающих из-за неподатливости металлической формы и для исправления микроструктуры. Завершающей операцией является окрашивание отливки.

Требования к отливкам, предназначенным для литья в кокиль. Отливки должны иметь наиболее простую внешнюю форму без резких углов, поворотов, выступов, иметь соответствующие уклоны для обеспечения удаления отливки, минимальное количество стержней, отъемных частей, а также не иметь резких переходов от тонких сечений к толстым, которые приводят к образованию усадочных дефектов и к бурному заполнению полости формы.

Особенности процесса литья в кокиль. К особенностям процесса относятся:быстрый теплоотвод заливаемого металла, отсутствие газопрони­цаемости кокиля, неподатливость кокиля.

Преимуществами литья в кокиль являются:

– повышение производительности труда в результате исключения трудоемких операций смесеприготовления, формовки, очистки отливок от пригара;

– повышение качества отливки, обусловленное использованием металлической формы;

– улучшение свойств отливки (плотности, шероховатости, механических свойств, точности размеров отливки);

– устранение тяжелых и вредных операций выбивки форм, очистки отливок от пригара, их обрубки, уменьшение загрязнения окружающей среды;

– механизация и автоматизация процесса изготовления отливки, обусловленная многократностью использования кокиля.

К недостаткам литья в кокиль относятся: