Производство чугунных отливок

Слой остается на модельной  плите после поворота бункера  в исходное положение (рис.8, в) и сброса на дно бункера не прореагировавшей, сохранившей свои начальные свойства и пригодной для последующего использования части смеси.

Теперь модельную плиту  со сформированной оболочковой полуформой снимают с бункера (рис.8, г) и подают в печь 12 (рис.8, д), где при температуре 300-400 ^oС за 90-120 с заканчивается полимеризация, и смола приобретает высокую технологическую прочность. Затем готовую оболочковую полуформу снимают с модельной плиты (рис.8, е) и соединяют с другой полу-формой (например, склеиванием) на специальном пневмопрессе (рис.8, ж). Для исключения прорыва расплава, формы с вертикальным разъемом обычно заформовывают (рис.8, з) в опорный наполнитель (песок, дробь и т.п.). Формы небольшой высоты с горизонтальным разъемом в большинстве случаев не заформовывают и заливают на поддонах с песчаной постелью.

В оболочковые формы получают отливки практически из любых  промышленных сплавов массой до 200-300 кг. Преимущества литья в оболочковые  формы по сравнению с литьем в  песчано-глинистые разовые формы  заключаются в следующем:

• уменьшение параметров шероховатости поверхности и существенное улучшение внешнего товарного вида отливок;
• возможность получения отливок с тонким и сложным рельефом, а также толстостенных отливок с литыми каналами малых сечений;
• уменьшение трудоемкости ряда операций технологического процесса (приготовление смеси, изготовление формы, очистка отливок и пр.);
• сокращение в 8-10 раз и более объема переработки и транспортирования формовочных материалов;
• уменьшение металлоемкости формовочного оборудования.

Кроме того, для литья  в оболочковые формы характерна меньшая жесткость оболочки, что  следует рассматривать как достоинство  метода в сравнении с методами литья в кокиль.

Основные недостатки метода литья в оболочковые формы:

• относительно высокая стоимость смоляного связующего;
• сложность модельной и стержневой оснастки;
• повышенное выделение вредных химических веществ в ходе термического разложения смоляного связующего;
• недостаточная прочность оболочек при получении тяжелых отливок;
• склонность к появлению некоторых специфических видов дефектов, сопровождающих низкую газопроницаемость литейной формы.

3.4 Литье по выплавляемым моделям

Литье по выплавляемым моделям представляет собой способ получения отливок в многослойных оболочковых неразъемных разовых формах. Формы изготавливают с использованием выплавляемых, выжигаемых и растворяемых моделей однократного применения. Применение этого способа обеспечивает возможность изготовления из любых литейных сплавов фасонных отливок, в том числе сложных по конфигурации и тонкостенных.

Последовательность подготовительных и основных производственных операций при различных вариантах современного промышленного процесса литья по выплавляемым моделям представлена на рис.9.

Рисунок 9 – Литье по выплавляемым моделям

Модели отливок изготавливают  преимущественно с применением  металлической пресс-формы. Для изготовления моделей используют воскообразные  сплавы, в состав которых могут  входить парафин, церезин и различные  воскоподобные материалы. Воскообразные  модельные составы обычно запрессовывают в полость пресс-формы в жидком или пастообразном состоянии. На рис.9, а показана запрессовка модельного состава в четырехместную пресс-форму 1. Модели отливок обычно собирают в блок, соединяя их с моделью литниковой системы, сделанной также из модельного сплава. В условиях массового производства обычно применяют высокопроизводительный метод механического соединения звеньев в блок (рис.9, б) нанизыванием на металлический стояк-каркас и скреплением их пружинным устройством в верхней части стояка. На стояк с рукояткой 3 и опорным фланцем 4 сначала надевают модель литниковой воронки 5, затем нанизывают звенья 2 моделей 4 и скрепляют прижимным устройством 6 с гайкой 7, после чего на нее напаивают колпачок 8 из модельного сплава.

Для получения оболочки формы (рис.9, в, г) на модельные блоки путем  их погружения в бак 9 последовательно  наносят несколько слоев суспензии 10, содержащей раствор специального связующего (например, этилсиликата) и порошок огнеупорной основы (пылевидный кварц, корунд, алюмосиликат и пр.). Каждый слой суспензии присыпают упрочняющими его огнеупорными материалами 12 (например, кварцевым песком, шамотом или корундом), которые располагаются в специальном устройстве 11 во взвешенном состоянии. Обычно для получения оболочки необходимой прочности наносят от 3-4 до 7-8 слоев суспензии, а при изготовлении крупных отливок наносят до 18-20 слоев, получая, таким образом, оболочку толщиной около 20-22 мм. Сушка слоев оболочки состоит из двух процессов: собственно сушки (испарения органических растворителей или воды, введенных в состав связующего) и отверждения пленки связующего вещества в результате огеливания или полимеризации.

Удаление моделей после  формирования оболочки производят различными способами с учетом свойств модельного сплава. Так, легкоплавкие воскообразные  составы на основе парафина удаляют  из оболочки в горячей воде, горячим  воздухом или паром, в перегретом расплаве модельного состава и т.п. На рис.9, д показано в качестве примера удаление моделей в горячей воде (14 – бак с горячей водой; 15 – сетка для приема оболочки формы 16; 17 – сливной патрубок для очистки модельного сплава). После удаления модельного сплава оболочки сушат (рис.9, е) и затем для удаления остатков его органических компонентов прокаливают при температуре 850-1000 ^oС. Заливку форм производят непосредственно после прокаливания их в горячем состоянии при температуре 600-900 ^oС, что обеспечивает хорошее заполнение форм. Заливка может производиться как в заформованные в опорный наполнитель 19 оболочки (рис.9, ж), так и в незаформованные. После заливки форм и охлаждения отливок оболочка обычно растрескивается на поверхности литого блока из-за меньшего сжатия при охлаждении по сравнению с усадкой металла. Отливки 21 отделяются от литниковой системы 22 механически, например, специальным инструментом – трубчатой фильерой 23 (рис.9, з).

4. Центробежное литье

Центробежное  литьё - перспективный способ производства фасонных изделий с формой тел вращения преимущественно при крупносерийном их изготовлении. Этим способом литья получают водопроводные и канализационные трубы, заготовки гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания, облицовки судовых валов, корпуса сушильных цилиндров бумагоделательных машин, труба для энергетического машиностроения и другие изделия ответственного назначения.

Центробежное литьё по сравнению с литьём в разовые  формы имеет следующие преимущества. Производительность труда при работе на центробежной машине увеличивается  в несколько раз, отпадает потребность  в площадях для формовки, смесях, связующих материалах для стержней, а также в оборудовании для  сушки форм и стержней.

Однако, центробежное литьё имеет и недостатки: необходимы специальные машины; формы должны быть повышенной прочности и герметичности, необходимо строгое дозирование металла для получения нужного размера внутреннего отверстия отливки; усиливается ликвация компонентов сплавов по плотности. Сама отливка может иметь только форму тела вращения.

Особенность центробежного  литья состоит в том, что металл заливают во вращающуюся форму, чаще всего металлическую. При заливке  и кристаллизации металл испытывает действие центробежных сил.

Ось вращения формы может  быть горизонтальной, вертикальной, наклонной  или перемещающейся в пространстве в процессе получения отливки.

Металл, свободно заливаемый во вращающуюся вокруг горизонтальной оси форму, растекается по ней под действием кинетической энергии струи и вовлекается во вращательное движение за счёт сил трения металла о форму. Однако, такая скорость частиц металла при его вращении вокруг горизонтальной оси не может быть постоянной из-за пульсации результирующей силы в течение оборота формы, так как она складывается из постоянной по величине и направлению силы тяжести и постоянной по величине, но меняющейся по направлению центробежной силы. Это приводит к тому, что свободная поверхность металла, залитого в форму, смещается к низу от оси вращения (рис. 10).

Рисунок 10 – Гидростатические силы, действующие на металл при вращении формы относительно горизонтальной оси: 1-расплав; 2-форма; F_р – равнодействующая сил центробежной (F_ц) и тяжести (F_g)

В длинных формах кинетической энергии струи заливаемого металла  недостаточно для равномерного растекания его вдоль формы, поэтому ось  вращения таких форм делают наклонной, либо перемещают заливочный желоб вдоль  формы во время заливки расплава, либо передвигают форму вдоль  неподвижного желоба. Частота вращения формы при центробежном литье - один из основных технологических параметров, определяющих качество отливки. От частоты  вращения формы зависят плотность  отливки, ее механическая прочность, однородность состава по радиальному сечению, степень удаления шлаковых включений  от наружной поверхности отливки  к внутренней и правильность формы  свободной поверхности отливки.

Определение скорости вращения формы является одним из основных вопросов при разработке технологии литья и конструировании центробежных машин. Чрезмерное увеличение частоты  вращения нежелательно из-за возможности  образования в отливках продольных трещин на наружной поверхности и повышенной ликвации элементов сплава.

Кроме того, машины с большой  частотой вращения конструктивно более  сложны, менее удобны и менее безопасны в работе. Поэтому, при технологической разработке процесса и конструирования машин выбирают не наибольшую, а наименьшую частоту вращения, которая обеспечивала бы надлежащее качество отливок. Нижний предел частоты вращения при литье полых заготовок с горизонтальной осью вращения определяется следующим условием: заливаемый металл во время первого оборота вокруг оси должен получить ускорение, превышающее g. Невыполнение этого условия приводит к «дождеванию» металла при заливке в форму. Наиболее известным способом расчёта скорости вращения формы является расчёт по коэффициенту гравитации.

Огнеупорное покрытие уменьшает  скорость и степень нагрева изложниц при заливке их металлом, а также  снижает скорость охлаждения отливок, что предотвращает образование  трещин при литье стали и отбела при литье чугуна.

Для форм наиболее распространены огнеупорные покрытия из сыпучих  материалов (обычно из сухого кварцевого песка). Благодаря большой частоте  вращения изложницы такое покрытие наносится ровным слоем на ее стенку, удерживается на ней и не размывается струей горячего металла. Но значительный пригар песка и формирование некачественной наружной поверхности отливок обусловливает необходимость разработки более технологичных огнеупорных покрытий.

Скорость заливки металла  влияет на качество наружной поверхности отливки и заполнения формы и зависит от критической скорости вращения формы. Подачу металла в начале заливки рекомендуется ускорить, чтобы металл быстрее распределился по всей поверхности формы. В этом случае неслитины и спаи на поверхности отливки не образуются. В дальнейшем скорость наращивания толщины слоя снижают в целях создания благоприятных условий для направленного затвердевания, уменьшения гидравлического давления на затвердевшую оболочку и вероятности развития ликвации и т.д. Регулирование скорости заливки удобнее выполнять при заливке металла через носок ковша и гораздо сложнее - через стопор или чашу с отверстием.

При разработке технологического процесса центробежного литья необходимо учитывать плотности первично выпадающих фаз в интервале кристаллизации и остающегося маточного раствора. В тех случаях, когда плотность  первично выпадающей фазы меньше плотности  жидкости, необходимо обеспечить минимальные  скорость литья, температуру металла  и формы для обеспечения направленной кристаллизации.

Водопроводные и канализационные  трубы из серого чугуна являются одним  из наиболее массовых видов продукции, изготовляемых центробежным литьем. Центробежное литьё напорных труб обеспечивает их плотную структуру и отсутствие разностенности. Этот способ литья максимально экономичен, поскольку для образования внутренней поверхности не используются стержни, а массовое производство продукции оправдывает применение дорогих машин и установок.

В табл. 1 приведены составы чугунов для центробежного литья труб; а в табл. 2 - характеристики напорных труб при различных способах производства (ГОСТ 9583-75), свидетельствующие о преимуществах центробежного литья по сравнению с другими методами.

Перспективным является применение для напорных труб чугуна с шаровидным графитом (высокопрочного). Повышенная прочность и пластичность этого  чугуна, хорошая свариваемость открывают  возможность экономить металл за счёт уменьшения толщины стенок труб и сохранения высокой коррозионной стойкости по сравнению со стальными  трубопроводами.