Пром Маркет

Литье

Литьем (или литейное производство) — это метод производства, при котором изготовляют фасонные заготовки деталей путем заливки расплавленного металла в заранее приготовленную литейную форму, полость которой имеет конфигурацию заготовки детали. После затвердевания и охлаждения металла в форме получают отливку-заготовку детали.

Отливки из различных сплавов невозможно наиболее экономично получить одним и тем же способом, поскольку они различны по форме, размерам и точности. Экономически верно при литье производить отливку с определенными качественными свойствами каким-либо одним или двумя способами. На сегодняшний день в производстве задействовано около 15 способов литья. Такие способы литья применяют при производстве приборов:

1.  литье в песчаные формы («землю»);
2.  литье в ЖСС (жидкие самоотвердевающие смеси);
3.  литье в оболочковые формы;
4.  литье в кокиль (металлические защищенные формы);
5.  литье по выплавляемым моделям;
6.  литье под давлением;
7.  центробежное литье;

Литье в ЖСС.

Реализуя литье в песчаные формы, достигается невысокое качество поверхности (ниже Rz =320 мкм), низкая точность (ниже 16 квалитета), при этом довольно сложно автоматизировать процесс, что обеспечивает неудовлетворительные условия труда. Чтобы достигнуть более высоких качественных показателей, применяют литье в формы из жидких самоотвердевавщих смесей (ЖСС). Этот способ литья используют в любом виде производства. Формовочная смесь включает в себя: связку — жидкую композицию (жидкое стекло, поверхностно-активные вещества и вода) и огнеупорную составляющую-наполнитель. Наполнители — это мелкозернистые кварцевые пески, феррохромовый шлак.

Литье в оболочковые формы.

Как и предыдущие, это способ литья в разовые формы. Для изготовления тонких оболочковых форм необходимо в 20-30 раз меньше формовочных материалов, чем для песчаных или форм из ЖСС. Способ оптимален для стальных, для алюминиевых отливок, простой конфигурации без внутренних полостей в серийном производстве.

Формовочная смесь состоит из мелкозернистого песка (размер зерна 0,25...0,06мм) и термореактивной смолы — пульвербакелита. При таком способе литья достигаются шероховатость поверхности Rz =80...40 мкм, точность — 12...14 квалитет. Литье оболочковых форм легко можно механизировать и автоматизировать.

Литье по выплавляемым моделями.

Литье по выплавляемым моделям применяют в приборостроении для изготовления отливок различной сложности из любых сплавов, массой от нескольких граммов до нескольких килограммов с толщиной стенок 0,4-20 мм, точностью размеров до 12 квалитета и шероховатостью поверхности до Rz =20 мкм. Способ оптимален при любом виде производства. Процесс литья: изготовление моделей из легкоплавкого материала, покрытие моделей тонкой огнеупорной оболочкой , выплавление модельного материала из огнеупорной оболочки и заливки освободившейся от моделей полости металлом. В процессе литья по выплавляемым моделям и две используют две формы. Первую форму — для изготовления моделей, вторая форма — это литейная изготовляемая на основе мелкого песка и связующего вещества.

Конструкция модельной формы — прессформы зависит от вида производства. Прессформы с ручным разъемом и выталкиванием применяют для опытного и единичного производства, в серийном и массовом производстве изготовление моделей механизировано или автоматизировано.

Литье под давлением.

Литье под давлением — наиболее производительный способом изготовления тонкостенных деталей сложной конфигурации в серийном и массовом производстве. Литье под давлением включает в себя следующие этапы: заливают расплавленный металл в камеру сжатия машины, выталкивают его через литниковую систему в полость металлической формы, заполняемой под давлением. Заполнение полости происходит при высокой скорости впуска металла, что обеспечивает высокую кинетическую энергию, поступающего в форму металла.

Скорость выпуска при литье под давлением в зависимости от типа отливки и сплава может быть в пределах от 0,5 до 120 м/с. Существует три способа литья под давлением:

1.  Литье с низкими скоростями впуска (0,5-2,5 м/с), обеспечивающее заполнение формы сплошным ламинарным потоком. Этот способ годится для изготовления толстостенных отливок из алюминиевых сплавов и латуней.
2.  Литье со средними скоростями впуска (2-15 м/с) обеспечивает турбулентное движение расплавленного металла, при котором в результате срыва струй захватываются в поток металла пузырьки воздуха, оттесняемые затвердевающим сплавом к середине отливки. Эти действия создают воздушную, практически неудаляемую пористость, эту пористость можно уменьшить под действием высокого давления. Оптимальны для получения отливок средней сложности.
3.  Литье с высокими скоростями впуска (более 30 м/с), обеспечивает заполнение только в режиме турбулентного течения истока расплава, но и со значительным его распылением, результатом которого является еще больший объем захваченного в полость отливки воздуха, для уменьшения воздушной пористости и в этом случае создают высокое давление [до 500МПа(н/мм2)] Этот способ применяют для тонкостенных отливок сложной конфигурации. Для литья под давлением применяют литейные машины с горячей и холодной камерой прессования.

Требования к литейным сплавам для литья под давлением:

1.  Достаточная прочность при высоких температурах, чтобы отливка не ломалась при выталкивании.
2.  Минимальная усадка.
3.  Высокая жидкотекучесть при небольшом перегреве.
4.  Небольшой интервал кристаллизации
5.  Этим требованиям удовлетворяют сплавы на основе цинка, алюминия, магния и меди.

Основными факторами, определяющими выбор того или иного способа литья под давлением (в зависимости от скорости впуска) и сплава является конфигурация отливки и требования к качеству.

1.  Применяя литье под давлением, получают высокое качество отливок. Достижимая точность: 9-11 квалитет по размерам, получаемым в одной части литейной формы и 11-12 квалитет по размерам, получаемым в двух частях формы. Точность зависит от точности изготовления формы, обычно форму изготовляют на 1-2 квалитета точнее детали.
2.  Некоторая неровность поверхности отливки зависит от шероховатости поверхности рабочей поверхности формы, длительности ее эксплуатации и материала отливки. Обычно рабочую поверхность формы полируют (при этом достигают параметр Ra=0,16 мкм). При литье до 500 отливок получают шероховатость поверхности Ra=1,25-0,63 мкм — для отливок из цинковых сплавов. Ra =2,5-1,25 мкм — для отливок из алюминиевых сплавов и Ra =2,5- Rz мкм — для медных сплавов, а при изготовлении 10000 отливок соответственно получают Ra =2,5-1,25 мкм, Ra =2.5 — Rz =20 мкм, Rz = 160-80 мкм.
3.  Литье под давлением определяет неравномерные механические свойства по толщине отливки, они отличаются в лучшую сторону в сравнению с характеристиками отливок, полученных другим способом. При быстром охлаждении отливки образуют литейную корочку с мелкозернистой структурой, толщина составляет не более 1-1-1,5мм. Поэтому тонкостенные отливки имеют мелкозернистую структуру, повышенную прочность (на 20-30%).
4.  Пористость отливки — важный показатель качества, вскрывается при механической обработке, она же и является причиной брака. Поскольку литье сложных тонкостенных деталей сопровождается пористостью, применяют конструктивные меры для предупреждения вскрытия пор. В этом случае для уменьшения влияния воздушной пористости на качество устраняют механическую обработку отливок, предусматривают отливку отверстий.

Основные преимущества процесса литья под низким давлением:

• автоматизация трудоемкой операции заливки формы;
• возможность регулирования скорости потока расплава в полости формы изменением давления в камере установки;
• улучшение питания отливки; снижение расхода металла на литниковую систему.

Литье под низким давлением имеет и недостатки:

• невысокая стойкость части металлопровода, погруженной в расплав, что затрудняет использование способа литья для сплавов с высокой температурой плавления;
• сложность системы регулирования скорости потока расплава в форме, вызванная динамическими процессами, происходящими в установке при заполнении ее камеры воздухом, нестабильностью утечек воздуха через уплотнения, понижением уровня расплава в установке по мере изготовления отливок;
• возможность ухудшения качества сплава при длительной выдержке в тигле установки; сложность эксплуатации и наладки установок.

Литье в кокиль В приборостроении литье в кокиль используют для отливки толстостенных деталей из алюминиевых или магниевых сплавов, реже из чугуна в серийном и массовом производстве. Кокиль — металлическая форма, заполненная расплавом под действием гравитационных сил. В отличие от разовой песчаной формы кокиль может быть использован многократно. Иными словами, литье в кокиль заключается в применении металлических материалов для изготовления многократно используемых литейных форм, металлические части которых составляют их основу и формируют конфигурацию и свойства отливки.

Основные операции технологического процесса

Прежде, чем залить расплав, новый кокиль готовят к работе:

• поверхность рабочей полости и разъем необходимо очистить от следов загрязнений, ржавчины, масла;
• проконтролировать легкость перемещения подвижных частей, точность их центрирования, надежность крепления
• на поверхность рабочей полости и металлических стержней наносят слой огнеупорного покрытия облицовки и краски (состав облицовок и красок зависит в основном от заливаемого сплава, а их толщина — от требуемой скорости охлаждения отливки: чем толще слой огнеупорного покрытия, тем медленнее охлаждается отливка). Перед нанесением кокиль нагревают газовыми горелками или электрическими нагревателями до температуры 423 — 453 К, краски наносят на кокиль, как правило, в виде водной суспензии через пульверизатор. Капли водной суспензии, попадая на поверхность нагретого кокиля, испаряются, а огнеупорная составляющая ровным слоем покрывает поверхность.

Нанесенное огнеупорное покрытие предохраняет рабочую поверхность формы от резкого повышения ее температуры при заливке, расплавлении и схватывании с металлом отливки. Облицовки и краски выполняют две функции: защищают поверхность кокиля от резкого нагрева и схватывания с отливкой и регулируют скорость охлаждения отливки, а значит, и процессы ее затвердевания, влияющие на свойства металла отливки.

После покрытия кокиль нагревают до рабочей температуры, которая зависит от состава заливаемого сплава, толщины стенки отливки, ее размеров, требуемых свойств. Обычно температура нагрева кокиля перед заливкой 473 — 623 К. После чего, по необходимости, в кокиль устанавливают песчаные или керамические стержни для получения отливки; половины кокиля соединяют специальными зажимами, при установке кокиля на кокильной машине с помощью ее механизма запирания, после чего заливают расплав в кокиль. Часто в процессе затвердевания и охлаждения отливки, после того как отливка приобретет достаточную прочность, металлические стержни частично извлекают из отливки еще до ее извлечения из кокиля. Такая процедура уменьшает обжатие усаживающейся отливкой металлического стержня и обеспечивает его извлечение из отливки. После охлаждения отливки до заданной температуры кокиль раскрывают, окончательно извлекают металлический стержень и удаляют отливку из кокиля. Из отливки выбивают песчаный стержень, обрезают литники, прибыли, выпоры, контролируют качество отливки. Затем цикл повторяется.

Процесс литья в кокиль — малооперационный. Манипуляторные операции просты и кратковременны, а лимитирующей по продолжительности операцией является охлаждение отливки в форме до заданной температуры. Практически все операции могут быть выполнены механизмами машины или автоматической установки, это является достаточно весомым преимуществом способа, поскольку исключается трудоемкий и материалоемкий процесс изготовления формы: кокиль используется многократно.

Особенности формирования и качество отливок

Кокиль — металлическая форма, в сравнении с песчаной обладает значительно большей теплопроводностью, теплоемкостью, прочностью, имеет практически нулевые показатели газопроницаемости и газотворности. Благодаря этим свойствам, кокиль имеет некоторые особенности взаимодействия с металлом отливки.

1.  Высокая эффективность теплового взаимодействия между отливкой и формой: расплав и затвердевающая отливка охлаждаются в кокиле быстрее. При одинаковом гидростатическом напоре и температуре заливаемого расплава кокиль заполняется обычно хуже, чем песчаные формы. Такой момент осложняет получение в кокилях отливок из сплавов с пониженной жидкотекучестью, ограничивает минимальную толщину стенок и размеры отливок. Но, с другой стороны, благодаря повышенной скорости охлаждения получаются более плотные отливки с мелкозернистой структурой, это существенно увеличивает прочность и пластичность металла отливок. Однако в отливках из чугуна, получаемых в кокилях, вследствие особенностей кристаллизации часто образуются карбиды, ферритографитная эвтектика, отрицательно влияющие на свойства чугуна: снижается ударная вязкость, износостойкость, резко возрастает твердость в отбеленном поверхностном слое, что затрудняет обработку резанием таких отливок и приводит к необходимости подвергать их термической обработке (отжигу) для устранения отбела.

2.  Кокиль практически неподатлив: он интенсивно препятствует усадке отливки, это весьма затрудняет извлечение из формы, и порой вызывает появление внутренних напряжений, появляется коробление и трещины в отливке.

   Плюс кокиля: размеры рабочей полости могут быть выполнены значительно точнее, нежели у песчаной формы. При литье в кокиль отсутствуют погрешности, вызываемые расталкиванием модели, упругими и остаточными деформациями песчаной формы, снижающими точность ее рабочей полости и соответственно отливки. Поэтому отливки в кокилях получаются более точными.

   Точность отливок в кокилях обычно соответствует 12 — 15-ам квалитетам по СТ СЭВ 145 — 75. При этом точность по 12-му квалитету возможна для размеров, расположенных в одной части формы. Точность размеров, расположенных в двух и более частях формы, а также оформляемых подвижными частями формы, ниже. Коэффициент точности отливок по массе достигает 0.71, обеспечивая возможность уменьшения припусков на обработку резанием.

3.  Физико-химическое взаимодействие металла отливки и кокиля сведено к минимуму, что способствует повышению качества поверхности отливки. Отливки в кокиль не имеют пригара. Шероховатость поверхности отливок определяется составами облицовок и красок, наносимых на поверхность рабочей полости формы, и соответствует Rz=80-18 мкм, но может быть и меньше. 4. Газотворность кокиля минимальна и определяется в преимущественно составами огнеупорных покрытий, которые наносят на поверхность рабочей полсти. Однако газовые раковины в кокильных отливках — не редки. 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.

Эффективность производства и область применения

Эффективность производства отливок в кокиль, как и иных способов литья, зависит от правильного использования инженером-литейщиком сильные стороны этого процесса, учитывает его плюсы и минусы в условиях конкретного производства.

Как правило, эффективность литья в кокиль определяют, сравнивая с литьем в песчаные формы. Экономический эффект достигается за счет устранения формовочной смеси, повышения качества отливок, их точности, уменьшения припусков на обработку, снижению трудоемкости очистки и обдувки отливок, механизации и автоматизации основных операций и, как правило, повышения производительности и улучшения условий труда.

Литье в кокиль относят к трудо- и материалосберегающим, малооперационным и малоотходным технологическим процессам. Это процесс способствует улучшающим условия труда в литейных цехах.