Основные сведения о процессе

Чаще всего литье под регулируемым давлением называют литьем под низким давлением (ЛНД). Под этим термином на практике принято понимать давление, величина которого не превышает давления воздуха в обычном компрессоре, широко используемым на производстве 0,5...0,7 МПа, хотя чаще всего использу­ются машины, давление воздуха или газа в которых не превышает 0,1 МПа.

Метод ЛНД представлен 4 основными способами:

- литье под низким давлением (рис. 9.1, а). Внутрь герметичной камеры "а" подается воздух или газ под давлением. За счет разницы давлений расплав поднимается по металлопроводу и заполняет форму до уровня, соответствующего Н=(р_изб-р_атм)/q, где q - плотность расплава. Термин ЛНД используется потому, что для подъема расплава и заполнения формы требуемое избыточное давление обычно не более 0,1 МПа;

-литье вакуумным всасыванием (рис. 9.1, б). В камере "б" создается вакуум, а в камере "а", поддерживается атмосферное давление. Заполнение формы происходит за счет разницы давлений р_атм - р;

- литье под низким давлением с противодавлением (рис. 9.1, в). В камерах создается одинаковое, но больше атмосферного давления воздуха или газа р_к > >р_атм. Затем подача воздуха в камеру "б" прекращается, а в камеру "а" продолжается. Давление в камере "а" повышается до р_к + Др. Тогда расплав будет поднимать­ся по металлопроводу вследствие разницы давлений р_а- р_б, т.е. аналогично тому, как и при ЛНД. Того же результата можно достичь, если понижать давление в камере "б", оставляя постоянным давление в камере "а";

- вакуумно-компрессионное литье (рис. 4.1, г). В начале процесса в камерах "а" и "б" создают вакуум (1 стадия), что дегазирует расплав. Затем понижают давление в камере "б" и заполняют форму в условиях вакуумного всасывания. Дегазация понижает содер­жание растворенных в расплаве газов и уменьшает пористость в отливках. После дегазации расплава (2 стадия) и заполнения формы вакуумным всасыва­нием металлопровод перекрывают затвором в верхнем сечении и создают в камере И избыточное давление. Тогда кристаллизация металла отливки происходит в условиях всестороннего газового давления. Такой вид литья эффективно уменьшает газоусадочную пористость в отливках, повышает их герметичность и механи­ческие свойства.

Все разновидности литья под регулируемым давлением используют принцип выдавливания жидкого металла через металлопровод из ковша в полость литейной формы с помощью сжатого газа, что сказыва­ется на температуре расплава. Для предотвращения, во время заливки, охлаждения металла давление создают электромагнитным полем. Пневматические и гидравли­ческие процессы при заполнении форм всеми рассмот­ренными способами имеют единую физическую при­роду:

- для подъема расплава до верхней точки полости формы на высоту Н необходимо приложить давление где Н - понижение уровня расплава в тигле; р_пот - гидравлические потери в системе;

- скорость подъема расплава регулируют, изменяя скорость нарастания давления р. При оптимальной скорости расплав быстро и плавно заполняет форму, при повышенной - будет фонтанировать, при понижен­ной - возможны спаи на отливке;

- скорость нарастания давления зависит от регули­ровки проходного отверстия, через которое газ подается или отсасывается из камеры установки, от величины давления, от соотношений объемов камер и др.;

- движение расплава в металлопроводе и в форме неустановившее­ся и зависит от параметров давления, гидравлических сопротивлений и геометрических размеров тигля, металлопровода и формы.

9.2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС

Технологический процесс во многом определяется вариантами литья под регулируемым давлением и видом литейной формы. Напри­мер, при использовании металличес­кой или графитовой формы могут применяться песча­ные или керамические стержни и др. (рис. 9.2).

ЛНД в основном применяют для алюминиевых сплавов и его можно считать особым способом литья в кокиль. Многие этапы технологии: назначение припусков на обработку, температурный режим заливки, окраска форм - решаются аналогично или почти аналогично литью в кокиль и при технологичес­кой разработке этих вопросов используются рекоменда­ции для литья в кокиль.

Плавку металла ведут в отдельных печах, а затем после рафинирования металл разливают в раздаточную печь, являющуюся непременным элементом установки для ЛНД, например, установки, схема которой показана на рис. 9.3. Раздаточная электропечь 1 заключена в приемный корпус 3 с заливочной горловиной 2. На раме установки расположена плита с металлопроводом б. В Т-образных пазах плиты крепится форма 4. Гидроци­линдром 5 перемещается верхняя часть формы. Штанги служат для выталкивания отливки 7, которая затем удаляется съемником 8

Разработан также тип установки без гер­метизации раздаточной печи (рис. 9.4) погруж­еного типа.

Корпус уста­новки погружен в ти­гель 1 раздаточной пе­чи. Металлопровод 5, служащий одновременно стопором, плотно прижимает­ся к фланцу тигля 2. Фланец 4 служит для поджима саль­никового уплотнения 6. Положение электроконтакта 7 соответствует дозе жидкого металла, необходимой для заливки данной литейной формы. Тигель 2 заполняется металлом при открытом металлопроводе. При подаче в тигель сжатого воздуха 3 жидкий металл через боковые отверстия в металлопроводе выжимается в полость формы.

Затвердевающая отливка питается жидким метал­лом через металлопровод. Сливаемые из него остатки незатвердевшего расплава вновь используются для заливки следующих форм. Поэтому литниковая система составляет незначительную часть отливки.

Последующие финишные операции аналогичны операциям, проводимым с отливками, полученными в металлических кокилях.

Особенности процесса:

- заливка и кристаллизация расплава происходит под избыточным давлением, что увеличивает плотность металла отливки; особенно это проявляется при литье с противодавлением и вакуумно-компрессионном литье;

- заливка форм расплавом осуществляется со скоростями потока, которые можно регулировать в широком диапазоне. Для получения качественных отливок предпочтительно заполнять форму сплошным потоком со скоростями, исключающими захват воздуха металлом;

- при ЛНД используют стандартное давление, применяемое в практической работе литейных цехов - до 0,6 МПа.

Преимущества процесса:

- снижение вероятности захвата неметаллических включений, так как забор металла производится из нижних слоев расплава;

- уменьшение расхода металла на литниковую систему из-за повторного его использования, так как остатки металла сливают из металлопровода;

- повышение плотности металла отливки из-за устранения газовой пористости и усадочных дефектов;

- получение отливок с малыми толщинами стенок до 1,5...2 мм, т.е. значительно меньше, чем при литье в кокиль;

- возможность полной механизации и автоматиза­ции процесса.

Недостатки процесса:

- малая стойкость металлопровода, что затрудняет использование ЛНД для сплавов с высокой температу­рой плавления - чугуна, стали, спецсплавов;

- сложность системы регулирования скорости потока в форме, вызванная динамическими процессами, происходящими в установке при заполнении ее камеры воздухом и нестабильностью утечки воздуха.

Область применения:

- широкая номенклатура отливок из магниевых и алюминиевых сплавов со сложным профилем и тонко­стенными элементами, требующими высокой плотности и точности. К таким отливкам относятся рабочие колеса гидравлических устройств (гидротрансформаторы, гидромуфты), литые автомобильные колеса с декоратив­ной поверхностью, картеры, корпусные детали лодоч­ных моторов; головки моторов водяного и воздушного охлаждения;

- крупные алюминиевые отливки с габаритными размерами свыше 500 мм (блоки цилиндров, рамы мотоциклов и др.);

- средние (3...12 кг) и мелкие (1..3 кг) отливки кокильной номенклатуры (поршни, крышки, накладки и др.);

- реже отливают детали из медных и железных сплавов - чугуна, стали и спецсплавов.

9.3. ЛИТЬЕ ПОД НИЗКИМ ДАВЛЕНИЕМ С ПРОТИВОДАВЛЕНИЕМ

Способ литья с противодавлением получил промыш­ленное применение благодаря разработкам болгарских ученых, в результате которых был создан ряд типовых технологий и освоен выпуск гаммы специализированно­го оборудования.

Установка для литья с противодавлением (рис. 9.8) состоит из двух камер "а" и "б". В герметичной камере "а" располагается тигель 7 с расплавом 6. В камере "б" находится форма 3. Камеры разделены герметичной крышкой 4, через нее проходит металлопровод 2, соединяющий тигель и форму. Камеры прочно сжаты друг с другом зажимами 5.

В начальный период сжатый воздух или инертный газ при давлении 0,5...0,6 МПа поступает через вентили 8, 9 и 10 в обе камеры. Расплав в тигле 7 остается под давлением и неподвижен. По достижении заданного давления вентиль 10 закрывается, а вентиль 1 по­степенно открывается. В результате давление в камере "б" понижается и под действием разности давлений в камерах расплав поднимается по металлопроводу и заполняет форму. После заполнения формы расплав затвердевает под избыточным всесторонним давле­нием.

По существу в этом процессе литья совмещены два способа - способ литья под низким давлением и способ кристаллизации металла отливок под всесторонним давлением газа или воздуха.

Одна из основных особенностей технологии состоит в создании условий, при которых еще до начала движения металла вверх по металлопроводу и в процес­се заполнения формы жидкий металл находится в сжатом состоянии. Такой технологический прием препятствует выделению растворенных в металле газов не только при затвердевании отливки, но и при снятии перегрева жидкого металла в процессе заливки. Гидродинамические и температурные параметры процесса формирования отливки рассчитываются с использованием тех же методик, что и для случая ЛНД.

При этом необходимо учитывать следующие особен­ности:

- повышение плотности газа под давлением сопро­вождается ростом его теплопроводности и способствует интенсификации конвективного теплообмена;

- продолжительность затвердевания отливок сок­ращается на 10...20 %, что также является следствием увеличения применяемых давлений от 0,05...0,10 МПа при ЛНД, до 0,4...0,6 МПа при литье с противодав­лением;

- увеличение плотности газа, находящегося в форме, требует увеличения площади вентиляционных каналов.

Способом литья с противодавлением получают отливки, у которых шероховатость низкая, так как газовое противодавление со стороны формы препятству­ет заполнению расплавом микронеровностей ее повер­хности, что особенно важно при изготовлении отливок с песчаными стержнями.

Наибольший эффект воздействия давления на свойства металла достигается при изготовлении массивных отливок с многочисленными тепловыми узлами. Происходит заметное измельчение структуры, повышение физико-механических и эксплуатационных свойств литого материала. Прочность отливок повыша­ется на 25...35 %.

Важным показателем процесса является не только рост прочности и пластичности материала отливки, но и выравнивание значений этих величин по сечению отливки. Улучшение однородности литого материала положительно сказывается на его эксплуатационных характеристиках.

Для процесса литья с противодавлением используют­ся вертикальные пневматические машины с горизон­тальной или наклонной плоскостью разъема форм. Размеры плит этих машин от 625х1025 до 1100х1600 мм. Вместимость тигля по алюминию от 80 до 300 кг.

9.4. ЛИТЬЕ ПОД ВСЕСТОРОННИМ ГАЗОВЫМ ДАВЛЕНИЕМ

Вакуумно-компрессионное литье является одной из разновидностей литья под всесторонним газовым давлением или литья в автоклавах. Применяются следующие схемы этого процесса:

-литейная форма заливается при обычных условиях. Затем форма с залитым металлом устанавливается в автоклав, где под всесторонним давлением происходит кристаллизация металла;

- литейная форма и жидкий металл находятся в автоклаве под всесторонним давлением и металл заливается в формы и кристаллизуется. В этом случае все операции проводят при одинаковом давлении (рис. 9.9, а);

- форма заливается металлом, подаваемым вакуу­мом. После заполнения формы на зеркало металла и на

форму подается избыточное давление. Этот способ называют вакуумно-компрессионным литьем (рис. 9.9, б);

- форма находится под вакуумом, а заливаемый металл - под давлением. После заливки металла форма также подвергается давлению (рис. 9.9, в).

Установка по схеме (рис. 9.9, а) используется для литья под всесторонним газовым давлением алюминие­вых, магниевых и медных сплавов. При литье магниевых сплавов применяют заливочное устройство с тиглем чайникового типа, а при литье медных сплавов - разогретый тигель 1 со стопорным устройством 2, установленный непосредственно на литейную форму 3. Литейная форма и заливочное устройство размещены в автоклаве 4.

Вакуумно-компрессионная установка состоит из двух камер (рис. 9.9, б). Форма 1 располагается в верхней камере и ее литник соединяется с жидким металлом

металлопроводом 5. Форма закрыта герметичным колпаком 2. В нижнюю камеру помещают тигель 4 и камера герметично закрывается крышкой 5. Обе камеры соединяются системой трубопроводов 7 и 8. По оконча­нии дегазации гидроцилиндр 6 поднимает тигель с расплавом для погружения металлопровода в расплав. Затем

давление в камере формы постепенно снижают, благодаря чему происходит всасывание металла в форму. Разница давлений обычно не превышает 0,025 МПа. После заполнения формы отверстие метал­лопровода перекрывается, и в камеру формы по трубо­проводу 8 подается сжатый воздух или газ и отливка кристаллизуется под всесторонним давлением.

Для изготовления тонкостенных отливок применяют автоклав 2 с крышкой 7, в котором установлена дополнительная камера пониженного давления 4 (рис. 9.9, в). Внутри камеры размещена литейная съемная форма 5. Опока с литейной формой устанавли­вается при открытой крышке. Фланцы опоки своей нижней плоскостью опираются на уплотнительную площадку. В разогретый тигель 3 заливают расплав.

Рис. 9.9. Схема литья под всесторонним газовым давлением

После этого крыш­ку закрывают, а в автоклаве создается ся избыточное давление. При дости жении требуемого давления расплав заливают в форму, которая соединена с вакуумной системой. Расплав под повышенным воздействием вакуума и избыточного давления хорошо заполняет узкие полости литейной формы. После заполнения формы металлом камера пониженного давления соединяется с атмосферой, что обеспечивает всестороннее газовое давление на кристаллизующийся металл.

9.5. ОСНАСТКА

Чаще всего в ЛНД используются металлические формы. Температурный режим этих форм аналогичен режиму кокилей, т.е. довольно напряжен и на рабочих поверхностях температура достигает 300...400 °С при литье алюминиевых сплавов и еще выше при литье медных, черных и спецсплавов. В то же время допусти­мые зазоры жестко ограничены из-за возможности] утечки металла, что приближает эти формы по точности к пресс-формам для литья под давлением. Поэтому одним из основных требований, которым должна удовлетворять форма, является минимальное коробле­ние при высоких температурах на рабочих поверхнос­тях.

Удаление всего воздуха, находящегося в полости формы и металлопроводе, производится только через зазоры по разъему формы, между подвижными частями, зазора между вставками, через специальные вентиляци­онные пробки-венты. Поэтому обеспечение вентиляции является важным моментом, влияющим на выбор положения отливки в форме, линии разъема и количес­тва разъемов формы.

Коробление металлических форм объясняется перепадами температур между рабочими, более нагре­тыми и наружными более холодными поверхностями. При значительном короблении вследствие больших перепадов температуры или неправильной конструкции формы на отливке образуется облой, а система выталки­вания заклинивается и перестает работать.

Наиболее часто применяются формы типа тонкостен­ной оболочки с одинаковыми толщинами стенок.

На рис. 9.10 показана форма для литья насосного колеса гидромеханической коробки передачи, которая содержит песчаные стержни. Колесо имеет большое количество тонкостенных лопаток сложного профиля между выемками и внутренними торами. Они выполня­ются комплексом песчаных стержней. Нижняя полуфор­ма состоит из плиты 7, на которой закреплен формооб­разующий вкладыш 13 и литниковая втулка 12. Сни­зу на плите установлены плиты толкателей 15 с толкате­лями и контртолкателями. В нижней плите 2 предусмот­рены отверстия 14 для упора механизма нижнего выталкивания машины. Упоры 9 служат для остановки нижней полуформы при подъеме формы с металлопро­вода, когда они взаимодействуют с упорами машины. Верхняя полуформа состоит из секторных вкладышей 5, закрепленных в обойме 3 верхней плитой 4. По стыкам вкладышей выполнены вентиляционные щели 8. Кроме того, для вентиляции служат пробки 6. Стержни 7 служат для удержания песчаных стержней от всплывания при заливке. Песчаные стержни вентилиру­ются пробками 11. Нижняя полуформа закрепляется на рычагах машины с помощью отверстий 10.

На рис. 9.11 показана металлическая форма без песчаных стержней для литья алюминиевого колеса автомобиля размерами 330x140 мм массой 5,7 кг. Нижняя полуформа состоит из плиты 1 с формообразу­ющим вкладышем 3 и литниковой втулкой 2. На плите установлены подвижные боковые части 9, образующие обод колеса. В верхней полуформе стержень 8 закреплен на верхней плите 5. В центральной части стержня размещен рассекатель 7 с устройством охлаждения 6. Отливки выталкиваются из верхней полуформы плитой съема 4. При сборке верхняя полуформа опирается на колонки, установленные на плите нижней полуформы между подвижными боковыми частями. При этом между верхней полуформой и боковыми частями остается гарантированный зазор, обеспечивающий возможность выдвижения боковых частей до раскрытия формы. Форма выполнена из чугуна. В местах, подлежащих охлаждению, установлены стальные вставки. Толщина стенки формы - 25 мм.

Металлопровод. Спецификой и неотъемлемой частью технологической оснастки при ЛНД является металло­провод, служащий для подачи жидкого металла из тигля в форму. Материал металлопровода должен обладать стойкостью в условиях механических и термических нагрузок, герметичностью и инертностью к расплаву. Металлические материалы (сталь, чугун, титан и др.) удовлетворяют первым двум требованиям, но сталь и чугун растворяются в алюминиевых сплавах. Керами­ческие материалы инертны к расплавленному металлу, но недостаточно прочны и негерметичны.

При использовании металлопроводов из чугуна и стали применяют специальные покрытия на основе мела, карбидов кремния, каолина, магнезита и др. огнеупоров с минеральными связующими - бурой, борной кислотой, жидким стеклом.

Покрытия увеличивают стойкость металлопроводов в 2...3 раза, но не решают проблему окончательно. За счет большой разности линейных расширений при нагреве в покрытиях образуются трещины, в которые проникает расплав, взаимодействующий с материалом металлопровода.

Наиболее длительный срок службы имеют металлопроводы из титана, но необходимо считаться с их стоимостью и трудностью механической обработки. Самым важным элементом металлопровода является его верхняя часть. От диаметра и формы выходного отверстия зависят скорость и характер поступления рас­плава, конструкция фланца влияет на способ его крепле­ния в плите установ­ки. Металл в верх­ней части метал­лопровода должен быть все время жидким для питания отливки и для слива оставшейся части в тигель. Для регулирования теплового режима металлопровода иногда используют обогрев верхней части электрически­ми нагревателями (рис. 9.12).

Дата добавления: 2014-01-05