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)