Специальные способы литья

1. Специальные способы литья и их характеристика.

 

1.1. Литье под давлением

 

Литьем под давлением получают отливки в металлических формах (пресс-формах), при этом заливку металла в форму и формирование отливки осуществляют под давлением. Отливки получают на машины литья под давлением с холодной или горячей камерой прессования. В машинах с холодной камерой прессования камеры прессования располагаются либо горизонтально, либо вертикально.

На машинах с горизонтальной холодной камерой прессования (рис. 1) расплавленный металл заливают в камеру прессования 4 (рис. 1.а). Затем металл плунжером 5, под давлением 40…100 МПа, подается в полость пресс-формы (рис.1.б), состоящей из неподвижной 3 и подвижной 1 полуформ. Внутреннюю полость в отливке получают стержнем 2. После затвердевания отливки пресс-форма раскрывается, стержень 2 извлекается (рис. 1.в) и отливка 7 выталкивателями 6 удаляется из рабочей полости пресс-формы.

 

 

Рис.1. Технологические операции изготовления отливок на машинах с горизонтальной холодной камерой прессования

 

Перед заливкой пресс-форму  нагревают до 120…320 ⁰C. После удаления отливки рабочую поверхность пресс-формы обдувают воздухом и смазывают специальными материалами для предупреждения приваривания отливки. Воздух и газы удаляются через каналы, расположенные в плоскости разъема пресс-формы или вакуумированием рабочей полости перед заливкой металла. Такие машины применяют для изготовления отливок из медных, алюминиевых, магниевых и цинковых сплавов массой до 45 кг.

На машинах с горячей  камерой прессования (рис. 2) камера прессования 2 расположена в обогреваемом тигле 1 с расплавленным металлом. При верхнем положении плунжера 3 металл через отверстие 4 заполняет камеру прессования. При движении плунжера вниз отверстие перекрывается, сплав под давлением 10…30 МПа заполняет полость пресс-формы 5. После затвердевания отливки плунжер возвращается в исходное положение, остатки расплавленного металла сливаются в камеру прессования, а отливка удаляется из пресс-формы выталкивателями 6.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Схема изготовления отливки  на машинах с горячей камерой  прессования

отливка сплав  дефект прессование

При литье под давлением  температура заливки сплава выбирается на 10…20 ⁰C выше температуры плавления.

Литье под давлением  используют в массовом и крупносерийном производствах отливок с минимальной  толщиной стенок 0,8 мм, с высокой  точностью размеров и малой шероховатостью поверхности, за счет тщательного полирования рабочей полости пресс-формы, без механической обработки или с минимальными припусками, с высокой производительностью процесса.

Недостатки: высокая стоимость  пресс-формы и оборудования, ограниченность габаритных размеров и массы отливок, наличие воздушной пористости в массивных частях отливки. [1, c. 353]

 

1.2. Изготовление отливок электрошлаковым литьем

 

Сущность процесса электрошлакового литья заключается в переплаве  расходуемого электрода в водоохлаждаемой  металлической форме (кристаллизаторе).

При этом операции расплавления металла, его заливка и выдержка отливки в форме совмещены  по месту и времени.

Схема изготовления отливок  электрошлаковым литьем представлена на рис. 3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Схема изготовления отливок электрошлаковым литьем

 

В качестве расходуемого электрода используется прокат. В  кристаллизатор 6 заливают расплавленный шлак 4 (фторид кальция или смесь на его основе), обладающий высоким электро- сопротивлением. При пропускании тока через электрод 7 и затравку 1 выделяется значительное количество теплоты, и шлаковые ванна нагревается до 1700 ⁰C, происходит оплавление электрода. Капли расплавленного металла проходят через расплавленный шлак и образуют под ним металлическую ванну 3. Она в водоохлаждаемой форме затвердевает последовательно, образуя плотную без усадочных дефектов отливку 2. Внутренняя полость образуется металлической вставкой 5.

Расплавленный шлак способствует удалению кислорода, снижению содержания серы и неметаллических включений, поэтому получают отливки с высокими механическими и эксплуатационными свойствами.

Изготавливаются отливки  ответственного назначения массой до 300 тонн: корпуса клапанов и задвижек атомных и тепловых электростанций, коленчатые валы судовых двигателей, корпуса сосудов сверхвысокого  давления, ротора турбогенераторов. [1, c.363]

 

1.3. Изготовление отливок непрерывным литьем

 

При непрерывном литье (рис. 4) расплавленный металл из металлоприемника 1 через графитовую насадку 2 поступает в водоохлаждаемый кристаллизатор 3 и затвердевает в виде отливки 4, которая вытягивается специальным устройством 5. Длинные отливки разрезают на заготовки требуемой длины.

Используют при получении  отливок с параллельными образующими  из чугуна, медных, алюминиевых сплавов. Отливки не имеют неметаллических  включений, усадочных раковин и пористости, благодаря созданию направленного затвердевания отливок. [3, c. 198]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

                        

                                        а)      б)

 

Рис. 4. Схема непрерывного литья (а) и разновидности получаемых отливок (б)

1.4. Литье в песчаные формы.

 

Литьё в песчаные формы  — дешёвый, самый грубый, но самый  массовый (до 75-80 % по массе получаемых в мире отливок) вид литья. Вначале  изготовляется литейная модель (ранее  — деревянная, в настоящее время  часто используются пластиковые модели, полученные методами быстрого прототипирования), копирующая будущую деталь. Модель засыпается песком или формовочной смесью (обычно песок и связующее), заполняющей пространство между ею и двумя открытыми ящиками (опоками). Отверстия в детали образуются с помощью размещённых в форме литейных песчаных стержней, копирующих форму будущего отверстия. Насыпанная в опоки смесь уплотняется встряхиванием, прессованием или же затвердевает в термическом шкафу (сушильной печи). Образовавшиеся полости заливаются расплавом металла через специальные отверстия — литники. После остывания форму разбивают и извлекают отливку. После чего отделяют литниковую систему (обычно это обрубка), удаляют облой и проводят термообработку.

Новым направлением технологии литья в песчаные формы является применение вакуумируемых форм из сухого песка без связующего. Для получения отливки данным методом могут применяться различные формовочные материалы, например песчано-глинистая смесь или песок в смеси со смолой и т. д. Для формирования формы используют опоку (металлический короб без дна и крышки). Опока имеет две полуформы, то есть состоит из двух коробов. Плоскость соприкосновения двух полуформ — поверхность разъёма. В полуформу засыпают формовочную смесь и утрамбовывают её. На поверхности разъёма делают отпечаток промодели (промодель соответствует форме отливки). Также выполняют вторую полуформу. Соединяют две полуформы по поверхности разъёма и производят заливку металла.

 

 

1.5. Литье в постоянные формы

 

Литье в металлические формы. При этом методе литья расплавленный металл заливают в металлические формы, имеющие очертания изготовляемой отливки. После застывания металла форму открывают и из нее извлекают отливку. Затем форму охлаждают, смазывают и процесс повторяют.

Высокая скорость охлаждения отливки обеспечивает образование  в ней мелкозернистой структуры, что повышает механические свойства детали.

Припуск на механическую обработку при литье в металлическую  форму в два-три раза меньше, чем  при литье в земляную форму. Металлические формы собирают из нескольких частей. Например, форма для отливки алюминиевых поршней тракторного двигателя. Она состоит ш двух частей с вертикальной плоскостью разъема. Стержень, образующий полость поршня, состоит из трех частей. Литниковую систему устанавливают на разъеме формы. Стержни, образующие отверстия в бабышках отливаемого поршня, вставляют в форму в соответствующих гнездах для знаков.

Для чугунного и стального  литья металлические формы изготовляют  из серого чугуна, для цветного литья — из стали и алюминиевых сплавов. Стержни используют песчаные или металлические (сборные).

Существенными недостатками литья в металлические формы  являются трудность отливать детали со сложными внутренними и внешними очертаниями и получать в отливке тонкие стенки вследствие быстрой кристаллизации металла в форме. [5, c. 206]

 

1.6. Литье в кокиль.

 

Разновидностью литья  в постоянные формы является литье  в кокиль. Литьё металлов в кокиль — более качественный способ. Изготавливается кокиль — разборная форма (чаще всего металлическая), в которую производится литьё. После застывания и охлаждения, кокиль раскрывается и из него извлекается изделие. Затем кокиль можно повторно использовать для отливки такой же детали. В отличие от других способов литья в металлические формы (литьё под давлением, центробежное литьё и др.), при литье в кокиль заполнение формы жидким сплавом и его затвердевание происходят без какого-либо внешнего воздействия на жидкий металл, а лишь под действием силы тяжести.

Основные операции и процессы: очистка кокиля от старой облицовки, прогрев его до 200—300°С, покрытие рабочей полости новым слоем облицовки, простановка стержней, закрывание частей кокиля, заливка металла, охлаждение и удаление полученной отливки. Процесс кристаллизации сплава при литье в кокиль ускоряется, что способствует получению отливок с плотным и мелкозернистым строением, а следовательно, с хорошей герметичностью и высокими физико-механическими свойствами. Однако отливки из чугуна из-за образующихся на поверхности карбидов требуют последующего отжига. При многократном использовании кокиль коробится и размеры отливок в направлениях, перпендикулярных плоскости разъёма, увеличиваются.

В кокилях получают отливки  из чугуна, стали, алюминиевых, магниевых  и др. сплавов. Особенно эффективно применение кокильного литья при изготовлении отливок из алюминиевых и магниевых сплавов. Эти сплавы имеют относительно невысокую температуру плавления, поэтому один кокиль можно использовать до 10000 раз (с простановкой металлических стержней). До 45 % всех отливок из этих сплавов получают в кокилях. При литье в кокиль расширяется диапазон скоростей охлаждения сплавов и образования различных структур. Сталь имеет относительно высокую температуру плавления, стойкость кокилей при получении стальных отливок резко снижается, большинство поверхностей образуют стержни, поэтому метод кокильного литья для стали находит меньшее применение, чем для цветных сплавов. Данный метод широко применяется при серийном и крупносерийном производстве. [4, с.258]

 

1.7. Центробежное литье.

 

Суть способа. Основные операции и область использования. Принцип центробежного литья заключается в том, что заполнение фор-мы расплавом и формирование отливки происходят при вращении формы вокруг горизонтальной, вертикальной или наклонной оси, либо при ее вращении по сложной траектории. Этим достигается дополнительное воздействие на расплав и затвердевающую отливку поля центробежных сил. Процесс реализуется на специальных центробежных машинах и столах.

Чаше используют два  варианта способа, в которых расплав заливается в форму с горизонтальной или вертикальной осью вращения. В первом варианте получают отливки – тела вращения малой и большой протяженности, во втором – тела вращения малой протяженности и фасонные отливки.

Наиболее распространенным является способ литья пустотелых цилиндрических отливок в металлические формы с горизонтальной осью вращения. По этому способу (рисунок 5) отливка 4 формируется в поле центробежных сил со свободной цилиндрической поверхностью, а формообразующей поверхностью служит внутренняя поверхность изложницы. Расплав 1 из ковша 3 заливают во вращающуюся форму 5 через заливочный желоб 2. Расплав растекается по внутренней поверхности формы, образуя под действием поля центробежных сил пустотелый цилиндр. После затвердевания металла и остановки формы отливку 4 извлекают. Данный способ характеризуется наиболее высоким технологическим выходом годного (ТВГ = 100%), так как отсутствует расход металла на литниковую систему. [1, c. 356]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 5. Литье пустотелых цилиндрических отливок в металлические формы с горизонтальной осью вращения.

 

1.8. Литье выжиманием.

 

Для улучшения заполнения формы и повышения качества отливки  процесс литья осуществляют так, чтобы геометрические размеры полости  формы изменялись по мере заполнения ее расплавом и затвердевания отливки. Это позволяет уменьшить потери теплоты расплавом и заполнять формы тонкостенных крупногабаритных отливок, а также осуществлять компенсацию усадки отливки путем уменьшения ее объема при кристаллизации.

Первая из указанных  особенностей формирования и в значительной мере вторая реализуются при литье  выжиманием тонкостенных крупногабаритных отливок. Процесс может быть реализован по двум схемам: поворотом подвижной  полуформы вокруг неподвижной оси (рисунок 6а) и плоскопараллельным перемещением одной или двух подвижных полуформ (рисунок 6).

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 6– Схемы технологических процессов литья выжиманием: а – поворотом подвижной полуформы; б – плоскопараллельным перемещением полуформ (показано стрелками)

После подготовки и сборки формы расплав заливают в нижнюю часть (металлоприемник) литейной установки (этап 1). Затем подвижную полуформу  поворачивают (этап 2) и расплав поднимается  в установке, заполняя полость между  полуформами и боковыми стенками, закрывающими установку с торцов. В начальный момент сближения полуформ конфигурация объема расплава такова, что потери им теплоты в форме минимальны. В момент окончания сближения полуформ (этап 3) расстояние между ними соответствует толщине тела отливки, а движение излишка расплава, сливающегося из установки в приемный ковш, способствует уменьшению потерь теплоты и хорошему заполнению форм отливок с весьма малой толщиной стенки (до 2 мм) при значительных габаритных размерах (до 1000 x 3000 мм). После затвердевания отливки подвижная полуформа возвращается в исходное положение, а отливка извлекается из установки.

Отливки, полученные литьем выжиманием, имеют хорошие показатели структуры и механических свойств  благодаря тому, что формирование отливки происходит одновременно с заполнением литейной формы и заканчивается в основном в момент завершения ее заполнения. Это обеспечивает питание затвердевающей отливки. Таким способом получают отливки из алюминиевых сплавов АК7, АК9 и др.

 

1.9. Особенности  изготовления отливок из различных сплавов

 

Чугун.

Преобладающее количество отливок из серого чугуна изготовляют  в песчаных формах. Отливки получают ,как правило, получают без применения прибылей.

При изготовлении отливок  из серого чугуна в кокилях, в связи  с повышенной скоростью охлаждения при затвердевании, начинает выделяться цементит – появление отбеливания. Для предупреждения отбела на рабочую поверхность кокиля наносят малотеплопроводные покрытия. Кокили перед работой их нагревают, а чугун подвергают модифицированию. Для устранения отбела отливки подвергают отжигу.

Отливки типа тел вращения (трубы, гильзы, втулки) получают центробежным литьем.

Отливки из высокопрочного чугуна преимущественно изготовляют  в песчаных формах, в оболочковых  формах, литьем в кокиль, центробежным литьем. Достаточно высокая усадка чугуна вызывает необходимость создания условий направленного затвердевания отливок для предупреждения образования усадочных дефектов в массивных частях отливки путем установки прибылей и использования холодильников.

Расплавленный чугун в полость формы подводят через сужающуюся литниковую систему и, как правило, через прибыль.

Особенностью получения  отливок из ковкого чугуна является то, что исходный материал – белый  чугун имеет пониженную жидкотекучесть, что требует повышенной температуры заливки при изготовлении тонкостенных отливок. Для сокращения продолжительности отжига чугун модифицируют алюминием, бором, висмутом. Отливки изготавливают в песчаных формах, а также в оболочковых формах и кокилях. [2, c.202]

Стальные отливки.

Углеродистые и легированные стали – 15Л, 12Х18Н9ТЛ, 30ХГСЛ, 10Х13Л, 110Г13Л  – литейные стали.

Литейные стали имеют  пониженную жидкотекучесть, высокую  усадку до 2,5%, склонны к образованию  трещин.

Стальные отливки изготовляют  в песчаных и оболочковых формах, литьем по выплавляемым моделям, центробежным литьем.

Для предупреждения усадочных  раковин и пористости в отливках на массивные части устанавливают  прибыли, а в тепловых узлах –  используют наружные или внутренние холодильники. Для предупреждения трещин формы изготавливают из податливых формовочных смесей, в отливках предусматривают технологические ребра.

Подачу расплавленного металла для мелких и средних  отливок выполняют по разъему  или сверху, а для массивных  – сифоном. В связи с низкой жидкотекучестью площадь сечения питателей в 1,5…2 раза больше, чем при литье чугуна. Для получения высоких механических свойств, стальные отливки подвергают отжигу, нормализации и другим видам термической обработки. [2. c210]

Алюминиевые сплавы.

Основные литейные сплавы – сплавы системы алюминий – кремний (силумины). Силумины (АЛ2, АЛ4, АЛ9) имеют высокую жидкотекучесть, малую усадку (0,8…1%), не склонны к образованию горячих и холодных трещин, потому что по химическому составу близки к эвтектическим сплавам (интервал кристаллизации составляет 10…30 0С). Остальные алюминиевые сплавы имеют низкую жидкотекучесть, повышенную усадку, склонны к образованию трещин. Отливки из алюминиевых сплавов изготовляют литьем в кокиль, под давлением, в песчаные формы.

Используют кокили с вертикальным разъемом. Для получения плотных отливок устанавливаются массивные прибыли. Металл подводят через расширяющиеся литниковые системы с нижним подводом металла к тонким сечениям отливки. Все элементы литниковой системы размещают в плоскости разъема кокиля. [2, c. 235]

Медные сплавы.

Бронзы (БрО5Ц5С5, БрАЖЗЛ) и латуни (ЛЦ40Мц3А).

Все медные сплавы склонны  к образованию трещин. Отливки  изготавливаются литьем в песчаные и оболочковые формы, а также  литьем в кокиль, под давлением, центробежным.

Для предупреждения образования усадочных раковин и пористости в массивных узлах отливок устанавливают прибыли. Для предупреждения появления трещин в отливках используют форму с высокой податливостью.

Для плавного поступления  металла применяют расширяющиеся  литниковые системы с верхним, нижним и боковым подводом. Для отделения оксидных пленок в литниковой системе устанавливают фильтры из стеклоткани. [2, c. 245]

Титановые сплавы.

Имеют высокую химическую активность в расплавленном состоянии. Они активно взаимодействуют с кислородом, азотом, водородом и углеродом. Плавку этих сплавов ведут в вакууме или в среде защитных газов.

Основной способ производства титановых  отливок – литье в графитовые формы, в оболочковые формы из нейтральных оксидов магния, циркония. При изготовлении сложных тонкостенных отливок применяют формы, полученные по выплавляемым моделям. [2, c. 260]

2. Дефекты  отливок и их исправление 

 

Дефекты отливок по внешним  признакам подразделяют: на наружные (песчаные раковины, перекос недолив); внутренние (усадочные и газовые раковины, горячие и холодные трещины) [9, с. 37]

Песчаные раковины – открытые или закрытые пустоты в теле отливки, которые возникают из-за низкой прочности формы и стержней, слабого уплотнения формы и других причин.

Перекос – смещение одной части отливки относительно другой, возникающее в результате небрежной сборки формы, износа центрирующих штырей, несоответствия знаковых частей стержня на модели и в стержневом ящике, неправильной установке стержня.

Недолив – некоторые части отливки остаются незаполненными в связи с низкой температурой заливки, недостаточной жидкотекучести, недостаточным сечением элементов литниковой системы.

Усадочные раковины – открытые или закрытые пустоты в теле отливки с шероховатой поверхностью и грубокристаллическим строением. Возникают при недостаточном питании массивных узлов, нетехнологичной конструкции отливки, заливки перегретым металлом, неправильная установка прибылей.

Газовые раковины – открытые или закрытые пустоты с чистой и гладкой поверхностью, которая возникает из-за недостаточной газопроницаемости формы и стержней, повышенной влажности формовочных смесей и стержней, насыщенности расплавленного металла газами.

Трещины горячие и  холодные – разрывы в теле отливки, возникающие при заливке чрезмерно перегретым металлом, из-за неправильной конструкции литниковой системы, неправильной конструкции отливок, повышенной неравномерной усадки, низкой податливости форм и стержней.[7]

 

2.1. Методы  обнаружения дефектов

 

Наружные дефекты отливок обнаруживаются внешним осмотром после извлечения отливки из формы или после очистки.

Внутренние  дефекты определяют радиографическими или ультразвуковыми методами дефектоскопии.

При использовании радиографических методов (рентгенография, гаммаграфия) на отливки воздействуют рентгеновским или гамма-излучением. С помощью этих методов выявляют наличие дефекта, размеры и глубину его залегания.

При ультразвуковом контроле ультразвуковая волна, проходящая через  стенку отливки при встрече с  границей дефекта (трещиной, раковиной) частично отражается. По интенсивности отражения волны судят о наличие, размерах и глубине залегания дефекта.

Трещины выявляют люминесцентным контролем, магнитной или цветной  дефектоскопией. [6, c.198]

 

2.2. Методы  исправления дефектов отливок

 

Наиболее распространенными методами исправления дефектных отливок являются:

• холодная заварка,
• заварка с подогревом,
• металлизация,
• газовая сварка с общим подогревом отливок,
• пропитка,
• декоративное исправление.

Холодной заваркой исправляют дефекты чугунных отливок. При этом используют стальные, медные или медные с железной оболочкой, медно-никелевые и другие электроды. Дефектное место предварительно разделывают зубилом или высверливают. Разделанная под заварку раковина должна иметь чашеобразную форму с отлогими стенками под углом 35—40°. Трещины вырубают на всю длину и глубину.

Чугун по сравнению со сталью обладает плохой свариваемостью. Большая хрупкость, повышенная чувствительность к скорости охлаждения, резкий переход  от твердого состояния к жидкому, и наоборот, затрудняют процесс заварки дефектов на отливках из чугуна.

Ввиду неравномерности  нагрева при холодной сварке завариваемое место получается по структуре и  твердости неоднородным. При холодной сварке может образоваться отбел, трещины  и другие дефекты в сварном  шве или в теле отливки. Заварку ведут так, чтобы сварной шов выступал над поверхностью тела отливки. После заварки и термической обработки валик усиления срезают по всей длине шва.

 

Заваркой с  подогревом до 600—650°С исправляют дефекты, расположенные на обрабатываемых поверхностях чугунных отливок. При этом обеспечивается однородность наплавленного чугуна с основным. После заварки отливку медленно охлаждают, для этого заваренное место засыпают раскаленным коксом.

Металлизацию применяют после заварки для предотвращения поверхностной пористости в отливках из серого чугуна. Перед металлизацией место заварки зачищают. Затем на поверхность отливки наносят металлизатором слой сплава толщиной 0,3—0,8 мм. При этом за один проход наносится слой 0,03 мм.

Газовую сварку с подогревом применяют для исправления дефектов в отливках из серого чугуна. Этот способ заварки обеспечивает высокую прочность и плотность сварного соединения, а также однородность химического состава основного и наплавленного чугуна. Отливка перед заваркой нагревается до 700°С. В качестве присадочного материала применяют чугунные стержни диаметром 5—6 мм и длиной 350—450 мм. Присадочный материал и место заварки отливки нагревают кислородно-ацетиленовым пламенем или пламенем другого газа (водорода, паров бензина, керосина и др.). После заварки отливки подвергают отжигу.

Пропитыванием составами исправляют пористость отливок. С этой целью отливки погружают на 8—12 ч в водный раствор хлористого аммония. Проникая в поры и тонкие по площади поперечного сечения отверстия, раствор образует окислы, которые и заполняют различные пустоты. Используют также пропитку под давлением водными растворами соды и медного купороса, жидким стеклом, бакелитовым или карбинольным лаком. Раствор под давлением 3—5 кгс/см2 просачивается в поры и заполняет их продуктами коррозии или коллоидной пленкой. Иногда для пропитки отливок из цветных сплавов применяют метод вакуумирования с использованием бакелитового лака.

Декоративное  исправление чугунных отливок замазками или мастиками применяют для улучшения внешнего вида отливок в местах, не подвергающихся механической обработке. Замазки должны обладать хорошей плотностью и достаточной адгезией (прилипанием) к сплаву отливки. Применяют замазки на основе эпоксидных смол ЭД-5 и ЭД-6, для декоративного исправления поверхности отливок используют замазку на основе стиракрила. Стиракрил предварительно перемешивают с чугунной стружкой, а затем с эфиром в соотношении 2:1. Полученная тестообразная масса затвердевает при 15— 20°С за 3—4 ч без нагрева, обладает хорошей механической прочностью, устойчива к действию растворителей, почти не дает усадки, применяется для заделки поверхностных дефектов больших размеров. [9, с. 215]