Литьё цветных металлов в металлические формы - кокили

p>Материалы для кокилей

В процессе эксплуатации в кокиле возникают значительные термические напряжения вследствие чередующихся резких нагревов при заливке и затвердевании отливки и охлаждений при раскрытии кокиля и извлечении отливки, нанесении на рабочую поверхность огнеупорного покрытия. Кроме знакопеременных термических напряжений под действием переменных температур в материале кокиля могут протекать сложные структурные изменения, химические процессы. Поэтому материалы для кокиля, особенно для его частей, непосредственно соприкасающихся с расплавом, должны хорошо противостоять термической усталости, иметь высокие механические свойства и минимальные структурные превращения при температурах эксплуатации, обладать повышенной ростоустойчивостью и окалиностойкостью, иметь минимальную диффузию отдельных элементов при циклическом воздействии температур, хорошо обрабатываться, быть недефицитными и недорогими. Производственный опыт показывает, что для рабочих стенок кокилей достаточно полно указанным требованиям отвечают приведенные ниже материалы.
|СЧ20, СЧ25 |кокили для мелких и средних отливок |
| |из алюминиевых, магниевых, медных |
| |сплавов, чугуна; кокили с воздушным |
| |и водовоздушным охлаждением |
|ВЧ42-12, ВЧ45-5 |Кокили для мелких, средних и крупных|
| |отливок из чугунов: серого, |
| |высокопрочного, ковкого; кокили с |
| |воздушным и водовоздушным |
| |охлаждением |
|Стали 10, 20, СтЗ, стали 15Л-П, |Кокили для мелких, средних, крупных |
|15ХМЛ |и особо крупных отливок из чугуна, |
| |стали, алюминиевых, магниевых, |
| |медных сплавов |
|Медь и ее сплавы, легированные стали|Вставки для интенсивного охлаждения |
|и сплавы с особыми свойствами |отдельных частей отливок; |
| |тонкостенные водоохлаждаемые кокили;|
| |массивные металлические стержни для |
| |отливок из различных сплавов |
|АЛ9, АЛ11 |Водоохлаждаемые кокили с |
| |анодированной поверхностью для |
| |мелких отливок из алюминиевых, |
| |медных сплавов, чугуна |

Наиболее широко для изготовления кокилей применяют серый и высокопрочный чугуны марок СЧ20, СЧ25, ВЧ42-12, так как эти материалы в достаточной мере удовлетворяют основным требованиям и сравнительно дешевы.
Эти чугуны должны иметь ферритно-перлитную структуру. Графит в серых чугунах должен иметь форму мелких изолированных включений. В этих чугунах не допускается присутствие свободного цементита, так как при нагревах кокиля происходит распад цементита с изменением объема материала, в результате в кокиле возникают внутренние напряжения, способствующие короблению, образованию сетки разгара, снижению его стойкости. В состав таких чугунов для повышения их стойкости вводят до 1% никеля, меди, хрома, а содержание вредных примесей серы и фосфора должно быть минимальным.
Например, для изготовления кокилей с высокой тепло-нагружснностью рекомендуется [14] серый чугун следующего химического состава, мае. %:
3,0—3,2 С; 1,3—1,5 Si; 0,6—0,8 Mn; 0,7—0,9 Cu; 0,3—0,7 Ni; 0,08—0,1 Ti; до
0,12 S; до 0,1 Р.

Для изготовления кокилей используют низкоуглеродистые стали 10, 20, а также стали, легированные хромом и молибденом, например 15ХМЛ. Эти материалы обладают высокой пластичностью, поэтому хорошо сопротивляются растрескиванию при эксплуатации. Кокили для мелких отливок из чугуна и алюминиевых сплавов иногда изготовляют из алюминиевых сплавов АЛ9 и АЛ11.
Такие кокили анодируют, в результате чего на их рабочей поверхности образуется тугоплавкая (температура плавления около 2273 К) износостойкая пленка окислов алюминия толщиной до 0,4 мм. Высокая теплопроводность алюминиевых стенок кокиля способствует быстрому отводу теплоты от отливки.

Таблица 2.1

Материалы для изготовления деталей кокилей

* Подвергают цементации.
Эти кокили обычно делают водоохлаждаемыми. Медь также часто используют для изготовления рабочих стенок водоохлаждаемых кокилей. Из меди делают отдельные вставки, вкладыши в местах, где необходимо ускорять теплоотвод от отливки и тем самым управлять процессом ее затвердевания.

Стержни простой конфигурации изготовляют из конструкционных углеродистых сталей, а сложной конфигурации — из легированных сталей, для прочих деталей — осей, валов, болтов и т. д.— используют конструкционные стали (табл. 2.1).

Изготовление кокилей

Кокили небольших размеров для мелких отливок из алюминиевых, магниевых, цинковых, оловянных сплавов изготовляют литыми из чугуна, а также часто из поковок обработкой резанием с электрофизической и электрохимической обработкой рабочих полостей. Более крупные кокили - выполняют литыми. При отливке рабочих стенок кокилей особое внимание обращают на то, чтобы заготовки не имели внутренних напряжений, что обеспечивается технологией литья, а также .снижением уровня остаточных напряжений соответствующей термической обработкой.

Желательно выполнять литую заготовку кокиля такой, чтобы не требовалось обработки резанием рабочих полостей, в крайнем случае производилась бы их зачистка. Это обеспечивает снижение стоимости кокиля и повышение стойкости рабочей поверхности к появлению сетки разгарных трещин при эксплуатации.

Однако решить эту задачу трудно, особенно если конфигурация рабочей полости сложная. Поэтому литые необработанные кокили применяют для отливок несложной конфигурации. Рабочую полость кокиля выполняют стержнями, которые для получения чистой поверхности кокиля, без пригара, обязательно окрашивают или натирают противопригарными пастами. Без окраски используют лишь стержни, получаемые по нагреваемой оснастке из смесей со связующим ПК-
104, а также стержни из песков зернистости не выше 016, стержни из цирконовых песков.
Для получения литых кокилей из стали используют СО2 — процесс, а также керамические формы, изготовляемые по постоянным моделям [11]. Последний способ позволяет получать рабочие полости кокилей сложной конфигурации без обработки резанием. Точность размеров рабочих полостей в этом случае достигает 12 — 14-го квалитетов по СТ СЭВ 145—75, а шероховатость поверхности
Rz = 40ч10 мкм по ГОСТ 2789—73. Использование керамических форм для изготовления рабочих стенок кокилей позволяет снизить объем обработки резанием на 50—60%.

Литые заготовки стальных кокилей после отливки подвергают термической обработке — нормализации. Термическую обработку стальных водоохлаждаемых кокилей проводят после приварки к ним кожухов и коробок для подачи жидкости, так как при сварке в конструкции неизбежно возникнут внутренние напряжения, которые могут привести к короблению кокиля при эксплуатации.

Для стабилизации размеров и формы стальные кокили перед окончательной обработкой резанием подвергают старению по режиму: нагрев до 773—873 К, выдержка 2 ч на каждые 25 мм толщины стенки, охлаждение с ночью до 473— 573
К и далее на воздухе. Используют также «тренировку» — циклическую термическую обработку: в печь, нагретую до 1173 К, помещают кокиль и нагревают до 573 К, затем охлаждают обдувкой воздуха. Этот цикл повторяют
3—4 раза. Стареыие и циклическую термическую обработку по указанным режимам используют также и для чугунных заготовок кокилей.

Стойкость кокилей и пути ее повышения

Стойкость кокилей измеряется числом отливок требуемого, качества, полученных в данном кокиле до выхода его из строя. Приблизительная стойкость кокилей приведена в табл. 2.2.
Увеличение стойкости кокиля при литье чугуна, стали, медных сплавов позволяет повысить эффективность производства отливок благодаря снижению затрат на изготовление кокиля, расширить область применения этого перспективного технологического процесса.

Таблица 2.2

Основной причиной разрушения кокиля являются сложные термохимические процессы, вызываемые неравномерным циклическим нагревом и охлаждением рабочей стенки кокиля во всех трех ее измерениях (по толщине, длине, ширине). Это приводит к появлению неоднородного, изменяющегося с изменением температуры поля напряжений в стенке кокиля, вызывающего ее упругие и пластические деформации. Последние приводят к остаточным деформациям и напряжениям. Теоретически показано, что в поверхностном слое кокиля нереализованная термическая деформация обычно в 2 раза превосходит деформацию, соответствующую пределу текучести материалов при определенной температуре. Поэтому в каждом цикле нагружения (заливка — выбивка) деформация сжатия сменяется деформацией растяжения, что приводит к термической усталости материала кокиля. Термические напряжения возникают также вследствие структурных превращений и роста зерна материала кокиля, протекающих тем интенсивнее, чем выше температура его нагрева.

Способность кокиля выдерживать термические напряжения зависит от механических свойств его материала при температурах работы кокиля. Эти свойства резко снижаются при нагреве. Напри- : мер, предел текучести стали
15 при нагреве до 900 К уменьшается в 3 раза.

Уровень возникающих в кокиле напряжений зависит также от конструкции кокиля — толщины его стенки, конструкции ребер жесткости и т. д. Например, тонкие ребра жесткости большой высоты приводят к появлению трещин на рабочей поверхности кокиля, а низкие ребра могут не обеспечить жесткость кокиля и привести к короблению.

Стойкость кокилей обеспечивается конструктивными, технологическими и эксплуатационными методами.
Конструктивные методы основаны на правильном выборе материалов для кокилей в зависимости от преобладающего вида разрушения, разработки рациональной конструкции кокиля.

Термические напряжения, приводящие к снижению стойкости кокиля, являются следствием нереализованной термической деформации: менее нагретые части кокиля (слои рабочей стенки, прилегающие к внешней нерабочей поверхности, ребра жесткости) препятствуют расширению нагревающейся металлом отливки части кокиля. Уменьшить напряжения возможно, если термическая деформация нагретой части происходит беспрепятственно. Этого можно достичь, если расчленить рабочую стенку кокиля на отдельные элементы
(вставки) в продольном (рис. 2.10, 6) или поперечном (рис. 2.10, а) направлениях. Тогда вследствие зазоров между элементами кокиля каждый из них при нагреве расширяется свободно.

Для повышения стойкости кокилей используют сменные вставки 1, оформляющие рабочую полость кокиля (рис. 2.10, в). Благодаря зазорам между корпусом 2 и вставкой 1 термическая деформация вставки протекает свободно, возникающие в ней напряжения снижаются, стойкость кокиля возрастает.
Наиболее эффективно использование сменных вставок в многоместных кокилях.

Технологические методы направлены на повышение стойкости поверхностного слоя рабочей полости, имеющего наибольшую температуру при работе кокиля. Для этого используют армирование, поверхностное легирование, алитирование, силицирование, термическую обработку различных видов, наплавку, напыление на рабочую поверхность материалов, повышающих стойкость кокиля. Каждый из этих способов предназначен для повышения стойкости кокиля к разрушениям определенного вида.

Эксплуатационные методы повышения стойкости кокилей основаны на строгой регламентации температурного режима кокиля, зависящего от температуры кокиля перед заливкой, температуры заливаемого металла, состава, свойств и состояния огнеупорного покрытия на его рабочей поверхности, темпа (частоты заливок) работы кокиля. Перед заливкой кокиль нагревают или охлаждают (если он был нагрет) до оптимальной для данного сплава и отливки температуры TФ (см. табл. 2.4). Начальная температура Тф кокиля зависит от темпа работы кокиля (рис. 2.11). При повышении темпа работы сокращается продолжительность tц цикла, в основном вследствие уменьшения времени t3an от выбивки отливки из кокиля до следующей заливки.
Это приводит к тому, что в момент заливки кокиль имеет температуру несколько выше требуемой (рис. 2.11, а), С увеличением Ц кокиля уменьшается разность температур АГФ — Тюл — Тф и соответственно уменьшаются остаточные напряжения в кокилях из упруго-пластических материалов. Вместе с тем повышение Гф способствует интенсификации коррозии, структурных превращений и других процессов в материале кокиля, что снижает его стойкость.

При уменьшении темпа работы (рис. 2.11,6) продолжительность цикла возрастает также из-за увеличения времени t3an. Это приведет к тому, что перед очередной заливкой температура Т'ф будет ниже заданной, соответственно возрастет разность температур АГФ и увеличатся остаточные напряжения в кокиле, его стойкость понизится. Производственные данные показывают (рис. 2.12), что для данного конкретного кокиля существует оптимальный темп работы т, при котором стойкость его &зал наибольшая.

На стойкость кокиля оказывает влияние температура заливаемого металла
Гзал. Повышение температуры металла выше требуемой по технологии для данной отливки приводит к снижению стойкости кокиля и ухудшению качества отливки — усадочным раковинам, рыхлотам, трещинам.

Стойкость кокиля может быть повышена при надлежащем уходе за ним при эксплуатации. Это обеспечивается системой планово-предупредительного ремонта (ППР).

ТЕХНОЛОГИЯ ЛИТЬЯ В КОКИЛЬ

Технологические режимы литья

Почти всегда, за исключением особых случаев, требуемое качество отливки достигается при условии, если литейная форма заполнена расплавом без неспаев, газовых и неметаллических включений в отливке, а при затвердевании в отливке не образовалось усадочных дефектов — раковин, пористости, трещин — и ее структура и механические свойства отвечают заданным. Из теории формирования отливки известно, что эти условия достижения качества во многом зависят от того, насколько данный технологический прооцесс обеспечивает выполнение одного из общих принципов получения качественной отливки — ее направленное затвердеание и питание.
Направленное затвердевание и питание усадки отливки обеспечивается комплексом мероприятий: рациональной конструкцией отливки, ее расположением в форме, конструкцией ЛПС, технологическими режимами литья, конструкцией и свойствами материала формы и т. д., назначаемых технологом с учетом свойств сплава и особенностей взаимодействия формы с расплавом. Напомним, что при литье в кокиль главная из этих особенностей — высокая интенсивность охлаждения расплава и отливки. Это затрудняет заполнение формы расплавом, ускоряет охлаждение его в форме, что не всегда благоприятно влияет на качество отливок, особенно чугунных.

Интенсивность теплового взаимодействия между кокилем и расплавом или отливкой возможно регулировать в широких пределах. Обычно это достигается созданием определенного термического сопротивления на границе контакта отливки 1 (расплав) — рабочая поверхность полости кокиля 2 (рис. 2.13). Для этого на поверхности полости кокиля наносят слой 3 огнеупорной облицовки и краски (табл. 2.3). Благодаря меньшей по сравнению с металлом кокиля теплопроводности ?кр огнеупорного покрытия между отливкой и кокилем возникает термическое сопротивление переносу теплоты:

[pic], где [pic]- коэффициент тепловой проводимости огнеупорного покрытия- [pic] — толщина слоя огнеупорного покрытия.
Огнеупорное покрытие уменьшает скорость q отвода теплоты от расплава и отливки, зависящую от тепловой проводимости огнеупорного покрытия и разности между температурой [pic] поверхности отливки и температуры [pic] поверхности кокиля:

[pic].
Величины [pic] и ?кр возможно изменять в самых широких пределах, регулируя коэффициент тепловой проводимости огнеупорного покрытия и соответственно скорость охлаждения отливки, а следовательно, ее структуру, плотность, механические свойства.

Таблица 2.3

Составы огнеупорных покрытий (красок) кокилем
|Назначение |Компоненты |Содерж|Коэффи|
| | |ание, |циент |
| | |мас.% |теплоп|
| | | |роводн|
| | | |ости, |
| | | |Вт/ |
| | | |(.ч |
| | | |-К) |
|Для отливок |1 Окись цинка |15 |0,41 |
|из алюми- | | | |
|ниевых сплавок | | | |
| |Асбест |5 | |
| |прокаленный | | |
| |(пудра) | | |
| | | | |
| |Жидкое стекло |3 | |
| |Вода |77 | |
| |2. * Асбест |8.7 |0,27 |
| |прокаленный | | |
| |Мел молотый |17,5 | |
| |Жидкое стекло |3,5 | |
| |Вода |70,3 | |
|Для отливок |3. Тальк |18 |0,39 |
|id магние- | | | |
|вых сплавок |Борная кислота |2,5 | |
| |Жидкое стекло |2,5 | |
| |Вода |77 | |
|Для отливок |4. Пылевидный |10— 15|0,58 |
|из чугуна |кварц | | |
| |Жидкое стекло |3 - 5 | |
| |Вода |87—80 | |
| |5. * Молотый |40 |0,25 |
| |шамот | | |
| |Жидкое стекло |6 | |
| |Вода |54 | |
| |Марганцевокйслый | | |
| |ка- | | |
| |лий 0,05 % (сверх| | |
| |100 %) | | |
|Для отливок |6. Огнеупорная |30 —40|0,3 |
|из стали |составляю- | | |
| |щая (циркон, | | |
| |карбооунд, | | |
| |окись хрома) | | |
| |Жидкое стекло |5 - 9 | |
| |Борная кислота |0,7—0,| |
| | |8 | |
| |Вода |Осталь| |
| | |ное | |
| | |до | |
| | |плотно| |
| | |- | |
| | |сти | |
| | |1,1-1,| |
| | |22 | |
| | |г/см3 | |

* Составы применяют для покрытия поверхности литниковых каналов и выпоров.

В соответствии с необходимой скоростью отвода теплоты от различных мест отливки толщину [pic] и теплопроводность ?кр огнеупорного покрытия можно делать разными в различных частях кокиля, создавая условия для направленного затвердевания отливки, регулируя скорость ее охлаждения в отдельных местах.

Огнеупорное покрытие уменьшает скорость нагрева рабочей поверхности кокиля; благодаря термическому сопротивлению огнеупорного покрытия температура рабочей поверхности будет ниже, чем без покрытия. Это снижает разность температур по толщине кокиля, уменьшает температурные напряжения в нем и повышает его стойкость.
Огнеупорное покрытие на поверхности кокиля должно иметь заданную теплопроводность, хорошо наноситься и удерживаться на поверхности формы, противостоять резким колебаниям температуры, не выделять газов при нагреве, способных растворяться в отливке или создавать на ее поверхности газовые раковины. Покрытия приготовляют из огнеупорных материалов, связующих, активизаторов и стабилизаторов (см. табл. 2.3).

В качестве огнеупорных материалов применяют пылевидный кварц, шамотный порошок, окислы и карбиды металлов, тальк, графит, асбест.
Связующие для покрытий — жидкое стекло, огнеупорная глина, сульфитный щелок.

Активизаторы применяют для улучшения схватывания с поверхностью кокиля. В качестве активизаторов используют для шамотных и асбестовых покрытий буру (Na2B4O7* lOH2O) и борную кислоту (Н3ВO4); для маршалитовых — кремнефто-ристый натрий (Na2SiF6), для тальковых — буру, борную кислоту или марганцевокислый калий. Перед приготовлением огнеупорные материалы просеивают через сито 016—01.

Стабилизаторы применяют для того, чтобы уменьшить седиментацию огнеупорных составляющих покрытия. Чаще всего это поверхностно-активные вещества ОП5, ОП7.
При литье в кокиль чугуна для устранения отбела в отливках на огнеупорное покрытие наносят копоть (сажу) ацетиленового пламени.

Толщину слоя огнеупорного покрытия контролируют измерительными пластинами, проволочками, прямым измерением, электроконтактным способом.
При прямом измерении толщину слоя облицовки определяют микрометром (рис.
2.14): измеряют расстояние от базовой поверхности 1 до поверхностей 2 и 3, соответственно не покрытой и покрытой облицовкой. Разность дает толщину слоя облицовки.

Схема распределения температур в системе отливка — покрытие — форма практически реализуется только для поверхностей отливки, которые при усадке образуют плотный контакт с кокилем, между охватываемыми поверхностями отливки и кокилем образуется зазор, изменяющийся по мере усадки отливки.
Этот зазор заполнен воздухом и газами, выделяющимися из покрытия.
Образование зазора приводит к увеличению термического сопротивления переносу теплоты от отливки в кокиль. Поэтому со стороны внутренних стенок отливка охлаждается интенсивнее, чем со стороны внешних. В результате смещается зона образования осевой пористости отливки к наружной ее стенке, что следует учитывать при разработке системы питания усадки отливки.

Рассмотренное явление используют для устранения отбела в поверхностных случаях чугунных отливок. Для этого после образования в отливке твердой корочки достаточной прочности кокиль слегка раскрывают гак чтобы между поверхностями отливки и кокиля образовался воздушный зазор.
Тогда теплота затвердевания внутренних слоев отливки, проходя через затвердевающую наружную корку, разогревает ее и в результате происходит
«самоотжиг» отливки — она не имеет отбела.

Скорость отвода теплоты от расплава и отливки зависит от разницы между температурами поверхностей отливки Т0 и кокиля Тп С повышением температуры заливаемого расплава возрастает температура То и скорость отвода теплоты от отливки; с повышением температуры Тn скорость отвода теплоты от отливки уменьшается. Поэтому на практике широко используют регулирование скорости отвода теплоты от расплава и отливки, изменяя температуры заливаемого сплава или кокиля перед заливкой. Однако чрезмерное снижение температуры заливаемого сплава приводит к ухудшению заполняемости кокиля. Повышение температуры кокиля увеличивает опасность приваривания отливки к кокилю, особенно при литье чугуна и стали, снижает стойкость кокиля.

Практически установлено, что оптимальная температура кокиля перед заливкой зависит от заливаемого сплава, толщины стенки отливки и ее конфигурации (табл. 2.4).

Температура заливки расплава в кокиль зависит от его химического состава, толщины стенки отливки, способа ее питания при затвердевании.
Оптимальные температуры заливки в кокиль различных сплавов приведены ниже.

Страницы: 1, 2, 3

МЕНЮ

Литьё цветных металлов в металлические формы - кокили

ИНТЕРЕСНОЕ