Тема: технология заливки форм. Охлаждение отливок

ЛЕКЦИЯ 10.

План лекции

1. Температурный режим заливки.

2. Технология заливки, механизация и автоматизация.

3. Продолжительность охлаждения отливки в форме.

Заливка форм. Заливка представляет собой процесс заполнения литей- ной формы жидким сплавом. Ниже приведено краткое описание способов за- ливки.

1. Свободная – заполнение жидким сплавом неподвижной формы без каких-либо воздействий на расплав в различном устройстве, струе или при затвердевании.

2. Непрерывная – свободная заливка в неподвижную форму в условиях

непрерывного вытягивания из нее затвердевающей части отливки при непре-

рывном дополнении жидкого сплава из разливочного устройства.

3. Намораживанием – через нормированное время после заливки сплава в форму, когда затвердеет определенная часть отливки, жидкая часть сливает- ся; образуется отливка с полостью.

4. Центробежная – свободная заливка во вращающуюся форму. Сплав, соприкасаясь с формой, вовлекается во вращательное движение. В процессе затвердевания на отливку действует центробежная сила.

5. Совмещенная – в процессе формирования отливки подвижная часть формы деформирует ее твердую часть и выжимает жидкую.

6. Под давлением – сплав из разливочного устройства поступает в фор-

му под поршневым или пневматическим давлением.

7. Наплавка (литье, совмещенное со сваркой) – источником жидкого сплава служит электрод, конец которого погружен в слой перегретого шлака, находящийся на поверхности формирующейся отливки. В системе протекает электрический ток, вызывающий дуговой разряд между шлаком и плавящим- ся электродом.

8. Распылением – струя сплава, вытекающая из разливочного устройст- ва, разбрызгивается на малые объемы, которые под действием поверхностно- го натяжения приобретают сфероидальную форму.

При свободной заливке форм расплав заливают в предварительно соб- ранные формы. Их обычно устанавливают таким образом, чтобы поверхность разъема была расположена горизонтально, реже вертикально или наклонно. На плацу, в кессонах, на накопительных рольгангах жидкий металл заливают

в неподвижные формы. На пульсирующем конвейере формы заливают в про- межутке между их шаговыми перемещениями. На непрерывно движущемся конвейере заливку форм осуществляют в процессе их движения со специаль- ной платформы, которая перемещается параллельно и синхронно конвейеру.

Автоматические заливочно-дозирующие устройства одновременно вы- полняют операции дозирования и заливки. По принципу действия их подраз- деляют на электромеханические, пневматические, электромагнитные и ком- бинированные. В электромеханических устройствах для дозирования и выда- чи металла используют наклоняющиеся ковши секторного (рис. 43, а), бара- банного или чайникового типа, а также ковши со стопорной (рис. 43, б) и ши- берной выдачей металла. Дозирование порции металла осуществляют по вре- мени его выдачи или по массе, а в наклоняющихся ковшах и по объему.

Рис. 43. Заливочно-дозирующие устройства

В пневматических подающих устройствах дозу расплава вытесняют из емкости сжатым воздухом или инертным газом (рис. 43, в). Расход металла регулируют изменением давления газа, а требуемую порцию дозируют по времени или по массе. В комбинированном пневмостопорном устройстве (рис. 43, г) используется принцип вытеснения расплава газом и стопорной выдачи металла.

В электромагнитных подающих устройствах слив металла осуществля- ют с помощью бегущего электромагнитного поля или магнитодинамического насоса МДН (рис. 44).

Установка с МДН состоит из тигля 3 с крышкой 2. Тигель сообщен со сливным каналом через два боковых вертикальных и горизонтальных канала. Боковые каналы 7 и 9 охвачены индукторами 4 и 8 с обмотками 6. Участок соединения трех каналов расположен в межполюсном зазоре электромагнита

10 с обмотками 11. При включении обмоток индукторов в сеть по металлу идет ток, который, воздействуя с внешним магнитным полем, создает элек- тромагнитные силы, оказывающие силовое воздействие на расплав.

Рис. 44. Установка с магнитодинамическим насосом

При включении индукторов в режим насоса, а электромагнита – в ре- жим нагнетания электромагнитные силы выталкивают расплав по каналу 5 в металлопровод 1, и он выливается в форму. Раздельное управление электро- магнитными системами позволяет регулировать как скорость заливки, так и температуру металла. Дозирование осуществляют по времени разливки, объ- ему или массе.

Преимуществом МДН является малая инерционность, отсутствие необ- ходимости герметизации ванны с металлом, возможность снижения насы- щенности металла газами и содержания в нем оксидных включений, допол- нительного нагрева металла и полной автоматизации процесса заливки.

В формы металл заливают короткой струей, не допуская ее разрыва и разбрызгивания. Начальную порцию расплава из ковша или заливочного уст- ройства в форму сливают слабой струей, затем мощность струи увеличивают с целью быстрого заполнения литниковой чаши или воронки. В дальнейшем расход металла выбирают таким, чтобы он был достаточным для поддержи- вания уровня металла в чаше. При этом режим заполнения полости формы расплавом регулируется статическим напором заливаемого металла и соот- ветствующими размерами элементов литниковой системы. Заливку прекра- щают при появлении расплава в выпоре или после заполнения прибыли.

При автоматической разливке металла на литейных конвейерах про- должительность цикла дозирования и заливки задана производительностью формовочных автоматов. Если она меньше оптимальной продолжительности

заполнения одной формы, то дозированную порцию металла сливают в ме- таллоприемные емкости. На автоматических литейных линиях с непрерыв- ным движением конвейера роль такой емкости выполняют металлоприемные желоба, а на пульсирующих конвейерах – накопительные чаши. Режим за- полнения форм из них определяется уровнем расплава в приемной емкости и литниковой системой. Применение промежуточных металлоприемников по- зволяет обеспечить требуемый режим заполнения формы при высокой произ- водительности литейных автоматических линий. Однако металлоприемники имеют большую поверхность охлаждения расплава, поэтому для компенса- ции потерь теплоты в них необходимо повышать температуру жидкого ме- талла.

Температуру заливки конкретного литейного сплава определяют по его перегреву относительно температуры ликвидуса. Выбор перегрева зависит от его влияния на структуру и механические свойства сплава, толщины (мини- мальной, преобладающей) и протяженности стенок отливки, склонности сплава к пленообразованию, теплофизических свойств материала формы и ее начальной температуры.

Температурный режим заливки. При повышении температуры стали возрастает ее жидкотекучесть, что имеет практическое значение при заливке тонкостенных отливок.

Чем выше температура заливки металла, тем лучше концентрируется усадочная раковина и пористость в прибыли, уменьшаются газовые и неме- таллические включения, что обеспечивает более высокие механические свой- ства отливок.

При пониженных температурах снижается объем усадочной раковины и уменьшается пригар. Это может быть использовано при создании таких усло- вий заливки, когда металл в прибыли будет иметь более высокую температу- ру, чем сама отливка. Практически это достигается доливкой прибылей горя- чим металлом, засыпкой открытой поверхности прибыли малотеплопровод- ным материалом, применением экзотермических прибылей и т.д. Таким обра- зом, при выборе температуры заливки стали следует в каждом случае искать оптимальное решение.

Замер температуры стали производится термопарой погружения перед выпуском и после выпуска из печи.

На дне ковша и у стенок металл охлаждается быстрее, чем в середине, вследствие чего в первый момент после открытия стопора в форму поступает наиболее холодный металл. Поэтому при стопорной заливке рекомендуется тонкостенные сложные отливки или формы, изготовленные на хромомагнези- те и хромистом железняке, заливать в середине заливки.

Рекомендуемые температуры заливки стали приведены в табл. 22. Фор- мы, изготовленные на хромомагнезите или хромистом железняке, заливать сталью с температурой на 15-20 оС выше указанной в табл. 22 [7].

Температура стали при заливке в песчаные формы

Таблица 22

Группы отливок	Толщина сте- нок отливки, мм	Масса отливки, кг	Температура заливки форм по термопаре погружения, град.
стали углеродистые 25Л, 35Л, 45Л	сталь 110Г13Л	сталь 75Х28Л
Сложные тонкостенные, в том чис- ле склонные к трещинам	6-20	до 100	1580-1540 1560-1540	1450-1430 1440-1430	1640-1610 1630-1610
12-25	до 500	1550-1520 1530-1520	1440-1420 1430-1420	1630-1600 1610-1600
20-30	до 3000	1540-1520 1520-1530	1440-1420 1430-1420	1530-1510 1520-1510
Фасонные среднего развеса, в том числе склонные к трещинам	30-75	до 5000	1550-1520 1520-1530	1440-1420 1430-1420	1590-1565 1570-1565
Фасонные тяжелого веса, в том чис- ле склонные к трещинам	75-150	свыше 5000 до 25000	1540-1520 1530-1520	- -	- -
	150-500	свыше 10000 до 25000	1520-1500	-	-
свыше 500	свыше 25000	1510-1500	-	-

Массивные отливки простейшей

конструкции

Выдержка стали в ковше. После выпуска из печи сталь выдерживается в ковше в течение 10-15 мин. Во время выдержки металла в ковше происхо- дят всплывание неметаллических включений, выделение значительного ко- личества растворенных газов, выравнивание температуры по объему ковша.

Средняя скорость охлаждения стали в ковшах различной емкости при-

ведена в табл. 23 [7].

Средняя скорость охлаждения стали в ковшах

Таблица 23

Емкость ковша, т	Средняя скорость охлаждения металла, град/мин
0,15	25-60
0,50	12-25
0,70	9-25
1,00	7-20
3,00	5-15
4,50	5-12
6,00	5-10
12,00	3-6
15,00	2-4

Температура заливки чугуна. Заливку форм следует вести с полным за-

полнением литниковой чаши или воронки, не допуская перерыва в заполне- нии формы и понижения уровня металла в стояке. Высота струи от носика ковша до чаши или воронки не должна быть более 150-200 мм. Для преду- преждения попадания шлака в форму необходимо перед заливкой удалять ос- новную часть шлака с поверхности чугуна. При заливке средних и крупных форм целесообразно применение пробок. Рекомендуемые температуры за- ливки чугуна в песчаные формы приведены в табл. 24.

Выдержка чугуна в ковше. При выдержке чугуна в ковше происходит выравнивание и падение температуры. Средняя скорость падения температу- ры приведена в табл. 25.

Температура заливки отливов из цветных сплавов. Цветные сплавы имеют склонность к поглощению газов и окислению, поэтому при заливке форм необходимо поддерживать небольшую высоту струи, не допуская раз- брызгивания. Рекомендуемые температуры заливки цветных сплавов приве- дены в табл. 26.

Охлаждение отливки. Процесс превращения сплава в отливку, совер- шающийся в форме, можно рассматривать как некоторый обобщенный тех- нологический путь. Произведение силы на путь есть работа. Отсюда понятие

«работа литейной формы». Взаимодействие формы с залитым в нее сплавом делится на этапы.

Первый этап. Взаимодействие поверхности стенок литейной формы с жидким сплавом. Продолжительность этапа на данном участке поверхности формы от долей секунды до 2-3 с. На данном этапе возможно размывание и

частичное разрушение элементов литейной формы металлическим потоком. Может происходить проникновение металлического расплава в поры формы с образованием механического пригара. Из поверхностного слоя формы могут выделяться газы, которые в виде пузырьков будут всплывать в верхнюю часть отливки.

Температура чугуна при заливке в песчаные формы

Таблица 24

Группа отливок	Толщина сте- нок, мм	Температура заливки, оС
по термопаре	по пиромет- ру
Отливки из серого и высокопрочного чугуна	до 4 4-10 10-20 20-50 50-100 100-150 более 150	1450-1360 1430-1340 1400-1320 1380-1300 1340-1230 1300-1200 1280-1180	1340-1330 1340-1310 - - - 1220-1180 -
Отливки из ковкого чугуна	до 4 4-10 10-20	1480-1380 1450-1360 1430-1350	- - -
Отливки из отбеленного чугуна, коле- са с отбеленным ободом	-	1320-1300	-
Отливки из высокохромистых чугунов	-	1400-1340	1340-1280
Отливки из жаропрочных чугунов	-	1340-1320	1300-1270

Средняя скорость охлаждения чугуна в ковшах

Таблица 25

Емкость ковша, т	Средняя скорость охлаждения металла, град/мин
0,05	15-40
0,3	10-20
1-2	5-10
2-4	2-5

Температура металла при заливке

Таблица 26

Сплав	Толщина сте- нок, мм	Температура вы- пуска из печи, оС	Температура заливки, оС
Алюминиевое литье (типа силумин)	до 10 10-20 свыше 20	730-750 710-730 700-710	710-730 700-710 690-700
Оловянная и фосфористая бронзы	до 10 10-20 свыше 20	1150-1200 1100-1150 1060-1100	1100-1150 1050-1100 1000-1050
Кремнистая латунь	до 10 свыше 10	1130-1180 1080-1130	1100-1150 1050-1100
Алюминиевая бронза	до 10	1150-1250	1100-1200

Второй этап. Взаимодействие поверхностного слоя формы с коркой. Продолжительность этапа от нескольких до десятков секунд. В твердой корке на этом этапе могут существовать участки жидкости, в которых развивается обратная ликвация. Отливка отдает основное количество теплоты перегрева. Тепловой поток начинает распространяться вглубь стенок литейной формы. Начинается взаимодействие атмосферы формы с металлом отливки; образу- ются оксиды металлов, которые вступают в химические реакции с материа- лами формы; появляется химический пригар. На поверхности раздела литей- ной формы и отливки повышается давление газов, обычно приводящее к мик- роискажению металлической поверхности, а также к образованию поверхно- стных газовых пузырей в отливке.

Третий этап. Взаимодействие литейной формы с затвердевающей от- ливкой. Продолжительность этапа от нескольких минут до десятков часов, в зависимости от толщины стенки отливки. Затвердевание последовательно продвигается вглубь отливки; тепловой поток последовательно прогревает стенки литейной формы. Формирование химической фазы пригара в форме и измененного приповерхностного (обезуглероженного) слоя в отливке завер-

шается. Происходит интенсивное механическое взаимодействие отливки и литейной формы. Размеры отливки уменьшаются, размеры формы могут уве- личиваться. Усадке выступающих частей отливки препятствуют помещаю- щиеся между ними объемы литейной формы, что может приводить к трещи- нам. Газовые процессы перестают играть существенную роль. Под действием теплоты отливки в формовочных материалах происходит процесс, ведущий к их упрочнению или, наоборот, разупрочнению, что определяет их выбивае- мость.

Четвертый этап. Взаимодействие литейной формы с затвердевшей ох- лаждающейся отливкой. Продолжительность этапа от часов до нескольких суток. Отливка и литейная форма охлаждаются как единое целое. Процесс за- вершается, когда отливка приобретает температуру, приемлемую для ее вы- бивки. После затвердевания отливку выдерживают в форме для охлаждения до температуры выбивки.

Чем выше температура выбивки, тем короче технологический цикл из- готовления отливки и больше производительность формовочно-заливочного участка. Однако высокая температура выбивки нежелательна из-за опасности разрушения отливки, образования дефектов или ухудшения ее качества. Вблизи температуры кристаллизации сплавы имеют низкие прочностные и пластические свойства, поэтому опасность разрушения отливок особенно ве- лика. Кроме того, на воздухе отливки остывают быстрее, чем в форме. При этом неравномерность охлаждения массивных и тонких сечений усиливается, и уровень внутренних напряжений в отливке возрастает. Ранняя выбивка мо- жет привести к образованию трещин, короблению и сохранению в отливке высоких остаточных напряжений. Длительная выдержка в форме с целью ох- лаждения до низкой температуры нецелесообразна с экономической точки

зрения, так как удлиняет технологический цикл изготовления отливки. По- этому выбивку стремятся производить при максимально высокой допустимой температуре. Она зависит от природы сплава, а также от конструкции (слож- ности) отливки. Стальные отливки рекомендуют охлаждать в форме до

500-700 оС, чугунные до 400-500 оС. Сложные отливки, склонные к образова- нию трещин, охлаждают в форме до 200-300 оС, а отливки, не склонные к об- разованию трещин, до 800-900 оС. Температура выбивки отливок из бронз со- ставляет 300-500 оС, из алюминиевых и магниевых сплавов соответственно

200-300 и 100-150 оС.

Продолжительность выдержки в форме определяется толщиной стенки отливки, свойствами залитого сплава и литейной формы, температурой вы- бивки. Она может быть рассчитана или определена экспериментально. В за- висимости от природы сплава и конструкции отливки время выдержки в пес- чаной форме составляет от нескольких минут до суток и даже недель.

Для сокращения продолжительности охлаждения отливок иногда ис- пользуют методы принудительного охлаждения. Например, формы, залитые на конвейере, охлаждают обдувкой их воздухом в охладительных галереях. Остывание крупных отливок интенсифицируют установкой в форму змееви- ков или труб, по которым пропускают воздух или воду. В некоторых случаях воздух (газ) пропускают через зазор между отливкой и формой.

Средняя скорость охлаждения отливок в формах колеблется от 2 до

150 °С/мин. Скорость охлаждения выбирают с учетом толщины стенок от- ливки и прочностных свойств сплава. При большой разнице скоростей охла- ждения отдельных частей отливок возникают большие термические напряже- ния, которые могут привести к короблению отливок или появлению в них трещин.

При принудительном охлаждении отливок возможно не только сокра- щение продолжительности выдержки их в форме, но также выравнивание скоростей охлаждения тонких и массивных узлов и снижение термических напряжений.

Определение времени выдержки отливок в формах после заливки. При определении выдержки отливок в формах за основу принимают температуру, начиная с которой отливку можно охлаждать на воздухе без опасения полу- чить холодные трещины и другие дефекты, вызванные изменением условий охлаждения. Скорость и равномерность охлаждения отливки зависят от тем- пературы воздуха, наличия сквозняков и теплофизических свойств сплава.

Определение времени выдержки стальных фасонных отливок. Для оп- ределения времени выдержки стальных отливок необходимо знать массу от- ливки, преобладающую толщину стенки и марку стали.

Время выдержки отливок определяют по формуле [7]

Q Т К, (3)

Р

где Q – масса отливки, кг; Т – расчетная толщина стенки, мм; Р – поверхность охлаждения отливки, дм2; К – коэффициент, зависящий от веса и конфигура- ции.

Для мелких и средних отливок К = 0,06-0,10. Для средних и крупных отливок К = 0,02-0,03.

Преобладающая расчетная толщина стенки отливки определяется сле- дующим образом: при неравномерной толщине стенки отливки за расчетную принимается та поверхность, которая составляет более половины поверхно- сти всей отливки; при разнице толщин стенок в 2 и более раз за расчетную принимается массивная стенка, если ее поверхность составляет не менее 20 % поверхности всей отливки; при плавном переходе от одного сечения к друго- му за расчетную принимается толщина стенки, составляющая 50-70 % от суммы толщин стенок.

На основании расчетных данных и производственного опыта Уралмаш- заводом разработаны графики для определения оптимального времени вы- держки отливок в формах в зависимости от массы, марки стали и преобла- дающей толщины стенки отливок (рис. 45, 46). Диаграммы построены для от- ливок из углеродистых и легированных сталей (110Г13Л и типа 35ХНЛ).

Рис. 45. Диаграмма выдержки в формах отливок из углеродистых сталей

Для отливок с равномерной толщиной стенки время выдержки прини-

мается на 10-20 % меньше приводимого в диаграмме.

Для отливок, склонных к трещинам, время выдержки принимается на

20 % больше указанного в диаграмме.

Рис. 45. Диаграмма выдержки в формах отливок из легированных сталей

Определение времени выдержки чугунных отливок. Оптимальное время выдержки чугунных отливок массой до 2000 кг определяется по табл. 27 [7].

Оптимальное время выдержки чугунных отливок

Таблица 27

Масса от- ливки, кг	до	10-	50-	100-	250-	500-	750-	1000-	1250-	1500-	1750-
Выдержка, ч	1,0	1,5	2,0	3,0	5,0	7,0	9,0	11,0	13,0	15,0	17,0

Для деталей из высокопрочного чугуна время выдержки, полученное по

номограмме, следует умножить на коэффициент К = 1,5. При формовке в почве продолжительность выдержки должна быть увеличена на 20-30 %.

Определение времени выдержки отливок из цветных сплавов. Продол-

жительность выдержки отливок в форме зависит от степени их сложности и материала отливки. Время охлаждения колеблется в зависимости от массы отливки в широких пределах (от 5-10 мин до нескольких суток) и определяет- ся опытным путем в каждом конкретном случае.

Рекомендуется отливки из магниевых сплавов выбивать при температу- ре 100-150 оС, отливки из легких сплавов – при температуре 250-350 оС, от- ливки из сплавов на медной основе – при температуре 300-400 оС.

При ранней выбивке отливки, не обладая необходимой прочностью,

легко ломаются и, подвергаясь резкому охлаждению на воздухе, получают

высокие внутренние напряжения вследствие неравномерного охлаждения толстых и тонких сечений, что приводит к короблению и образованию тре-

щин. Во избежание этого рекомендуется, толстые части отливки освобождать от формовочной смеси раньше, чем тонкие, или разрыхлять форму и стержни в местах затрудненной усадки.

Контрольные вопросы.

1. Дайте оценку всем известным способам заливки форм?

2. Охарактеризуйте этапы охлаждения отливки в ПГ-форме?

3. Какими факторами и нормами руководствуются для установления продолжительности охлаждения крупных отливок в форме?

4. Что влечет за собой преждевременная, а в некоторых случаях запо-

здалая выбивка отливок?

5. Какие дефекты в отливках могут образовываться при ранней выбивке ее из формы. Объясните характер их образования?

6. От чего зависит скорость и равномерность охлаждения отливки?

7. Как определяется время выдержки фасонных отливок в форме?

8. Какие мероприятия существуют для снижения времени выдержки от-

ливок в форме?

Дата добавления: 2014-01-07