Литье в кокиль — технология, преимущества, недостатки, изготовление

июня 2013

Кокиль — это стальная форма, обладающая рядом весомых преимуществ, таких как: высокая теплопроводность, прочность и теплоемкость. Главные отличительные характеристики литья в кокиль преведены ниже.

Технологический процесс

Кокильным литьем называют способ получения отливок в металлических формах при гравитационном заполнении металла. Металлическая форма используется многократно.

Технологический процесс состоит в следующем. Кокиль нагревают и окрашивают. Окончательный разогрев кокиля производят двух-, трехразовой заливкой жидким металлом. Расплавленный металл очищают, рафинируют и заливают в кокиль. После извлечения из кокиля отливки отделяют от литниковой системы и зачищают. Для ликвидации пористости отливки пропитывают спецсоставом. Если отливка имеет сложную внутреннюю конфигурацию, то в кокиль устанавливают песчаные стержни.

Особенности формирования отливки:

• • быстрый теплоотвод через металлический кокиль, обеспечивающий мелкокристаллическую плотную структуру. В чугунных отливках наблюдается отбел;
• • отсутствие газопроницаемости формы требует конструктивных приспособлений в кокильной оснастке;
• • неподатливость кокиля вызывает сильные напряжения в отливке и даже образование трещин.

Преимущества процесса:

• • повышение точности и качества поверхности отливок;
• • высокие механические свойства металла;
• • многократное использование формы;
• • сокращение расхода формовочных материалов, оборудования и площадей для его размещения;
• • повышение производительности труда и увеличение съема с производственной площади;
• • снижение себестоимости отливок при их высоком качестве.

Недостатки процесса:

• • сложность получения тонкостенных отливок;
• • невозможность извлечения отливок со сложным контурами (стоящие животные, люди и пр.);
• • невозможность получения сложных полостей металлическими стержнями;
• • значительные напряжения, возникающие в отливках;
• • отбел в чугунных отливках;
• • высокая стоимость кокиля и длительность его изготовления.

Краски предназначены для предотвращения пригара металла к материалу кокиля и для регулировки теплопередачи. Благодаря меньшей по сравнению с металлом теплопроводностью уменьшается скорость отвода теплоты (q) от жидкого металла (рис. 25.1):

где Р — коэффициент теплоотдачи металла; X — теплопроводность облицовки; % — толщина облицовки.

Рис. 25.1. Температура в системе «металл — краска — кокиль»:

1 — металл; 2 — краска; 3 — кокиль

Изменяя состав облицовки (ее теплопроводность) и ее толщину, можно регулировать скорость охлаждения металла отливки. Краски состоят из связующих (жидкое стекло, глина, лигносульфонаты) активаторов (KMn0/j-K2Cl;07) H3B03 и огнеупорного порошка (пылевидный кварц, оксиды магния, циркония, тальк, графит и т.д.). Выбор краски определяется материалом и конфигурацией отливки.

В кокиль заливают стали, чугуны, цветные сплавы. Особо широко применяют алюминиевые легкоплавкие сплавы.

В кокильном литье используют литниковые системы с подводом сверху, сифоном и т.д., щелевые литники. Площадь питателя (FimT) рассчитывают по формуле

где G — масса отливок, кг; р — коэффициент расхода и сопротивления, зависящий от вида сплава, р чугуна = 0,24-^0,43, р алюминия = 0,6^-0,7; р —

коэффициент, учитывающий плотность металла, р = 0,001y^/2g (g= 980 см/с2), алюминий — у = 2,7, р = 0,1, серый чугун — у = 7,2, р = 0,31; t — время заливки, с, выбирается эмпирически; Я — расчетный статический напор (рис. 25.2),

Рис. 25.2. К расчету статистического напора

Площадь сечения остальных элементов литниковой системы определяют: • серый чугун и алюминий —

При работе кокиль должен иметь оптимальную температуру. Цель подогрева:

• • улучшение качества отливок (недолив, трещины);
• • предупреждение отбела в чугунных отливках;
• • удлинение срока эксплуатации кокиля (тепловой удар);
• • предупреждение образования газовых раковин и соблюдение правил техники безопасности (конденсация влаги).

Перегрев кокиля недопустим, поскольку:

• • в утолщенных местах отливок может появиться усадочная раковина или пористость;
• • снижается стойкость кокиля;
• • снижется производительность (увеличение времени охлаждения). Температурный режим подбирают таким образом, чтобы охлаждение

кокиля компенсировало приход тепла от заливаемого металла, который в свою очередь определяется ритмом работы. Режим кокиля зависит:

• • от материала кокиля;
• • материала краски и ее толщины;
• • материала заливаемого сплава;
• • конфигурации отливки (тонко- или толстостенная отливка).

Для нагрева используют электричество или газ. Окончательный разогрев — жидкий металл.

Охлаждение интенсифицируют ребристой поверхностью кокиля, воздушным и водяным охлаждением.

Толщина кокиля определяется в основном эмпирическим способом из условий достаточной механической прочности. Формула для расчета толщины кокиля:

где 1Х — толщина стенки отливки; /2 — толщина стенки кокиля.

Время выдержки отливки в кокиле определяют с учетом тепловых взаимодействий между отливкой и кокилем. Формула для расчета:

где т — общее время охлаждения отливки в кокиле.

Особенности формирования и качество отливок

Металлическая форма по сравнению с песчаной обладает значительно большими теплопроводностью, теплоемкостью, прочностью, практически нулевыми газопроницаемостью и газотворностью. Этими свойствами материала кокиля обусловлены рассмотренные далее особенности его взаимодействия с металлом отливки.

1. Высокая эффективность теплового взаимодействия отливки и формы: расплав и затвердевшая отливка охлаждаются в кокиле быстрее, чем в песчаной форме, т.е. при одинаковых гидростатическом напоре и температуре заливаемого расплава заполняемость кокиля обычно хуже, чем песчаной формы. Это осложняет получение в кокилях отливок из сплавов с пониженной жидкотекучестью и ограничивает минимальную толщину стенок и размеры отливок. Вместе с тем повышенная скорость охлаждения способствует получению плотных отливок с мелкозернистой структурой, что повышает прочность и пластичность металла отливок. Однако в отливках из чугуна, получаемых в кокилях, вследствие особенностей кристаллизации часто образуются карбиды, феррито-графитная эвтектика, отрицательно влияющие на свойства чугуна, так как снижают показатели ударной вязкости и износостойкости. Резко возрастающая твердость в отбеленном поверхностном слое затрудняет обработку резанием таких отливок и приводит к необходимости подвергать их термической обработке (отжигу) для устранения отбела.

2. Кокиль практически неподатлив и более интенсивно препятствует усадке отливки, что затрудняет извлечение ее из формы и может вызвать появление внутренних напряжений, коробления отливки и трещин в ней. В то же время неподатливая форма не деформируется по причине увеличения объема некоторых расплавов при кристаллизации из-за предусадочного расширения, например, в результате выделения графита в чугуне. В этом случае уменьшается опасность формирования усадочной пористости при затвердевании отливки.

При литье в кокиль отсутствуют погрешности, вызываемые упругими и остаточными деформациями песчаной формы, снижающими точность ее рабочей полости и соответственно отливки. Размеры рабочей полости кокиля могут быть выполнены значительно точнее, чем размеры песчаной формы, и отливки в кокилях соответственно получаются более точными. Точность отливок в кокилях обычно соответствует классам 5 – 9 для отливок из цветных сплавов и классам 7 – 11 для отливок из черных металлов (ГОСТ 26645-85 (изм. № 1, 1989)). При этом наибольшая точность обеспечивается для размеров в одной части формы. Точность размеров в двух и более частях формы, а также размеров, оформляемых подвижными частями формы, ниже. Точность отливок, полученных в кокиле, по массе примерно на один класс выше по сравнению с песчаными формами, при этом обеспечивается возможность уменьшения припусков на обработку резанием.

3. Физико-химическое взаимодействие металла отливки и кокиля минимально, что определяет высокое качество поверхности отливки. Отливки в кокиль не имеют пригара. Шероховатость поверхности отливок зависит от состава облицовок и красок, наносимых на поверхность рабочей полости формы, и соответствует Rz = 40 – 10 мкм, но может быть и меньше.

4. Кокиль практически газонепроницаем и имеет минимальную газотворность, определяемую в основном составами огнеупорных покрытий, наносимых на поверхность рабочей полости. Однако газовые раковины в кокильных отливках – явление нередкое. Причины их появления различны, но в любом случае расположение отливки в форме, способ подвода расплава и вентиляционная система должны обеспечивать удаление воздуха и газов из кокиля при заливке.

Преимущества литья в кокиль

• Увеличение производительности. Благодаря этому процессу можно значительно увеличить эффективность труда в литейном цехе без реконструкций или строительства новых цехов, покупки оснащения. Например, литье из алюминиевых сплавов в кокиль исключает использование сложных операций (формовки, приготовления смесей и очистки от пригара).
• Повышение качества отливок. Применение стальных форм повышает такие важные качественные показатели, как: механические свойства, плотность, структура и соответствие отливок детали-прототипу.
• Улучшение условий труда. Отсутствие или значительное снижение вредных для здоровья работ (выбивка формы и очистка отливок).
• Автоматизация работы по изготовлению отливок. Автоматизировать процесс и получить более качественные отливки, а также повысить производительность возможно благодаря многоразовости использования металлических форм.

Плюсы и минусы процесса кокильного литья

Литье в кокиль имеет явные преимущества перед другими видами аналогичного процесса, в том числе перед литьем в песчаные формы, так как оно:

• дает возможность многоразового использования форм;
• сокращает расходы на формовочные материалы;
• позволяет получить отливки повышенной точности, с меньшими припусками на механическую обработку;
• обеспечивает более чистовую поверхность литья, снижает шероховатость поверхности заготовки;
• позволяет повысить качество, прочность и другие механические свойства отливок;
• позволяет автоматизировать и механизировать процесс;
• является более экономичным и эффективным.

При том, что данный процесс имеет явные преимущества по сравнению с другими методами литья, стоит отметить некоторые недостатки:

• трудоемкость и сложность самого процесса изготовления кокилей;
• высокая стоимость изготовления кокилей, которая повышается в зависимости от сложности конфигурации формы;
• ограниченное число отливок, так как кокиль не вечный, имеет ограниченную износостойкость;
• невозможность изготовления отливок с более тонкими стенками, «отбел» чугуна, сложности при изготовлении стальных отливок (газовая пористость);
• неподатливость форм, что иногда приводит к деформациям и трещинам в заготовках, короблению стенок кокиля во время литья;
• необходимость использования стержней, вентканалов, газоотводов, термоизолирующих покрытий.

Кокильная оснастка

Кокили классифицируют:

• • по плоскости разъема (горизонтальная, вертикальная и т.д.);
• • по подготовке рабочей поверхности (без покрытий, отбеливание и т.д.);
• • по способу изготовления (механическая обработка, литье и т.д.);
• • по применяемым стержням (металлические, песчаные и т.д.).

Кокиль состоит из следующих основных элементов:

• • нолуформа;
• • вентиляционная система;
• • толкатели и контртолкатели;
• • стержни.

К материалам кокилей предъявляют требование противостоять гермо- ударам.

Недостатки способа литья в кокили

• Достаточно высокая стоимость кокиля, сложность его изготовления, причем стоимость кокиля возрастает в случае отливки сложной конфигурации.
• Ограничения в стойкости кокиля и общем количестве годных отливок. Стойкость кокиля влияет на общую экономическую эффективность процесса литья, особенно в случае литья чугуна и стали.
• Ограниченная возможность получения тонкостенных протяженных отливок вследствие интенсивного охлаждения металла в форме.
• Твердость формы может привести к появлению в отливках напряжений, даже трещин при извлечении.
• При сложных формах отливки необходимо использование большого количества песчаных стержней, что влечет за собой снижение точности отливок.

По итогам сопоставления достоинств и недостатков кокильного производства отливок специалист определяет, насколько рационально его использование на конкретном предприятии, так как выгодно использовать литье в кокиль только в массовом и серийном производстве. Однако именно литье в кокиль можно отнести к малооперационному, малоотходному, материало- и трудосберегающему технологическому процессу, позволяющему, кроме того, улучшить условия труда и уменьшить вредное воздействие на окружающую среду.

Особенности конструкции кокилей и материалы

Конструкции кокилей, которые используются в металлургическом производстве делятся на два вида:

1. разъемные;
2. неразъемные (вытряхные, название говорит само за себя).

Второй вид конструкции форм используется если отливки имеют простую конфигурацию.

Разъемные формы, в свою очередь, по форме плоскости разъема бывают:

• горизонтальные;
• вертикальные;
• наклонные;
• со створчатой плоскостью разъема;
• со сложной плоскостью разъема.

Каждая часть формы называется полуформой. Они бывают:

1. коробчатые;
2. с ребрами жесткости (что позволяет избежать коробления стенок формы).

Разъемные формы подразумевают использование дополнительных технологических элементов:

• стержней (металлических или песчаных);
• вставок;
• оснований;
• поддонов;
• толкателей;
• центрирующих штырей;
• втулок.

Способы подачи в форму раскаленного металла: сверху; сбоку; снизу (сифонный метод).

Для обеспечения технологического процесса кокиль оснащается:

• вентиляционной системой (система вентканалов, выпоры, зазоры);
• газоотводными каналами (чаще всего направленными вверх);
• системой нагрева и охлаждения (водоохлаждение включают после образования корки на отливке).

2. Сложность формы отливки.

В зависимости от конфигурации, размеров, массы и необходимого количества стержней отливки делят на шесть групп сложности. Наиболее простые отливки относят к первой группе, которая характеризуется гладкими и прямолинейными наружными поверхностями с наличием невысоких усиливающих рёбер, фланцев, отверстий, а также внутренними поверхностями простой формы. Типовые изделия – крышки, фланцы, муфты, колёса вагонеток. Самые сложные отливки относят к шестой группе, которая характеризуется криволинейными наружными поверхностями, имеющими рёбра, кронштейны и фланцы значительной протяжённости, пересекающиеся друг с другом под различными углами, а также внутренние полости особо сложной конфигурации с затруднёнными выходами на поверхность отливки. Типовые изделия – станины специальных металлорежущих станков, сложные корпуса насосов, рабочие колёса гидротурбин.

Сложные по конфигурации отливки получают литьем под давлением, по выплавляемым моделям, в песчаных формах. Литьем в кокиль получают отливки с простой наружной конфигурацией, а центробежным литьем – отливки типа тел вращения. Наиболее тонкостенные отливки получают литьем по выплавляемым моделям и литьем под давлением.

3. Количество.

В условиях крупносерийного или массового производства рентабельны способы литья с применением металлических или оболочковых форм. Но если необходимо изготовить одну или всего несколько отливок (единичное производство), то нерационально изготавливать для этого дорогостоящий кокиль или использовать дорогостоящее литьё по выплавляемым моделям. Поэтому в данном случае может окупиться и является наиболее рациональным применение литья в песчаные формы, для которого можно использовать недорогие деревянные модели.

4. Требуемые точность геометрических показателей и качество поверхности.

Следует выбирать способ, обеспечивающий заданную точность размеров и шероховатость поверхности. Высокое качество поверхности позволяет либо исключить последующую механическую обработку, либо выполнять ее с минимальными припусками. Это дает возможность сохранить при механической обработке литейную корку, имеющую повышенную твердость и износостойкость, снизить себестоимость готовых деталей за счет экономии металла. Однако при этом увеличиваются расходы на литейное оборудование и оснастку, их ремонт и обслуживание. Поэтому, при выборе метода получения отливки следует проводить технико-экономический анализ не одного заготовительного (литейного), а двух этапов производства – заготовительного (литейного) и механообрабатывающего.

Наиболее точным показателем, определяющим эффективность применения того или иного способа, является себестоимость изделия.

При выборе оптимального способа получения отливок, как правило, требуется проводить сравнительный анализ возможных вариантов литья и их технологических показателей, ориентировочно представленных в табл. 1Л.

Дата добавления: 2014-02-13; 17743; Опубликованный материал нарушает авторские права? | Защита персональных данных |

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Материалы для изготовления кокилей

В кокиле во время литья происходят резкие перепады температур, обусловленные технологическим процессом, что может привести к необратимым изменениям в структуре формы.

В связи с этим материалы для изготовления кокилей должны обладать следующими качествами:

• термоустойчивость;
• иметь высокие механические свойства;
• быть высококачественными;
• высокопрочными;
• быть легкими в обработке;
• иметь доступную цену.

На практике, для изготовления кокильных форм, чаще всего используют следующие материалы:

• сталь низкоуглеродистая, легированная сталь и ее сплавы (Ст3, Ст10, Ст20, Ст15ХМЛ);
• чугун, в том числе и высокопрочный (СЧ20, СЧ25, ВЧ40, ВЧ45);
• медь и ее сплавы;
• алюминий и его сплавы.

Стержни чаще всего изготавливают из углеродистой или легированной стали, а песчаные – из песчано-масляной или песчано-смоляной смесей. Для остальных деталей кокильных форм — поддонов, толкателей, втулок, штырей, болтов, используют в основном конструкционную сталь.

Поделитесь в соц.сетях:

Оцените статью: (Пока оценок нет) Загрузка...