Процесс литья в кокиль, его преимущества и недостатки 24 июня 2013

Кокиль — это стальная форма, обладающая рядом весомых преимуществ, таких как: высокая теплопроводность, прочность и теплоемкость. Главные отличительные характеристики литья в кокиль преведены ниже.

Преимущества литья в кокиль

• Увеличение производительности. Благодаря этому процессу можно значительно увеличить эффективность труда в литейном цехе без реконструкций или строительства новых цехов, покупки оснащения. Например, литье из алюминиевых сплавов в кокиль исключает использование сложных операций (формовки, приготовления смесей и очистки от пригара).
• Повышение качества отливок. Применение стальных форм повышает такие важные качественные показатели, как: механические свойства, плотность, структура и соответствие отливок детали-прототипу.
• Улучшение условий труда. Отсутствие или значительное снижение вредных для здоровья работ (выбивка формы и очистка отливок).
• Автоматизация работы по изготовлению отливок. Автоматизировать процесс и получить более качественные отливки, а также повысить производительность возможно благодаря многоразовости использования металлических форм.

Недостатки литья в кокиль

• Довольно высокая цена форм, а также трудоемкость их производства.
• Лимитированная прочность кокиля, от которой зависит результативность экономической составляющей процесса.
• Трудоемкость производства заготовок с поднутрениями, так как для них нужно изменять конструкцию кокиля (делать разъемы, вставки и металлические стержни). 
• Вероятность возникновения в отливках напряжения, что может привести к появлению трещин.

Разновидности металлических форм

Существует несколько основных разновидностей конструкций.

• Неразъемные — отливка удаляется без разъема кокиля.
• Формы с вертикальным разъемом — состоят из нескольких деталей.
• Формы с горизонтальным разъемом — используются для изготовления простых и крупногабаритных отливок.
• Формы с комбинированным разъемом — используются для изготовления отливок сложных конструкций.

7. Литье в кокиль | Материаловед

Кокильным литьем называют процесс получения отливок посредством свободной заливки расплавленного металла в многократно используемые металлические формы – кокили.

Формирование отливки происходит при интенсивном отводе теплоты от расплавленного металла, от затвердевающей и охлаждающейся отливки к массивному металлическому кокилю, что обеспечивает более высокие плотность металла и механические свойства, чем у отливок, полученных в песчаных формах.

Особенность литья в кокиль состоит в многократном использовании металлической формы (кокиля). Высокая прочность материала металлической формы позволяет более точно выполнять рабочие поверхности формы, что обеспечивает высокое качество литой поверхности. Благодаря высокой теплопроводности формы отливка быстро затвердевает.

К числу преимуществ литья в кокиль относится резкое (по сравнению с литьем в песчаные формы) сокращение механической обработки отливок, сокращение расхода формовочных материалов.

К недостаткам технологии относятся: высокая стоимость металличекой формы, плохая заполняемость формы при получении тонкостенных отливок с поднутреями, опасность возникновения трещин на отливках.

Металлическая форма (рис. 7.1) обычно состоит из двух полуформ, которые фиксируются штырями (фиксаторами)

3 и перед заливкой металла закрепляются замками 4. Питание отливки осуществляется прибылями 1, вентиляция формы происходит через выпоры 2 и специальные вентиляционные пробки.

Применяют и неразъемные металлические формы — их называют вытряхной кокиль (рис. 7.2).

Перед заливкой на рабочую поверхность формы наносят слой упорного покрытия, который предохраняет форму от резкого теплового удара при заливке и от опасности схватывания металла с формой.

В состав огнеупорного покрытия при изготовлении стальных и чугунных отливок входят: пылевидный кварц, графит, огнеупорная глина, жидкое стекло.

Затем форму подогревают до температуры не ниже 200 °С. температура подогрева зависит от состава заливаемого сплава и толщины стенок отливки.

Основное требование, предъявляемое к материалу формы, –стойкость к термическому удару, возникающему при заливке металла. Формы изготавливают из серого чугуна (СЧ 15, СЧ 18, СЧ 20, СЧ 25), высокопрочного чугуна (ВЧ 42-12, ВЧ 45-5), конструкционных углеродистых(10, 20, 15Л, 25Л) и легированных сталей (15ХМЛ), медных (латуни) и алюминиевых (АЛ2, АЛ4, АЛ9, АЛ11, АЛ12) сплавов.

Рис. 7.1. Разъемная металлическая форма (кокиль)

Разъемная металлическая форма (кокиль): 1 — прибыли; 2 — выпоры; 3 — фиксаторы; 4 — закрепляющие замки; 5 — полуформы

Рис. 7.2. Неразъемная металлическая форма (кокиль)

Неразъемная металлическая форма (кокиль): 1 — стержень; 2 — корпус

Разновидностью рассматриваемой технологии является литье в облицованный кокиль, которое лишено недостатков оболочкового и кокильного литья, но совмещает в себе их достоинства.

Облицованный кокиль обладает высокой трещиностойкостью; податливостью. Он обеспечивает высокую точность отливки. Расход дорогостоящего формовочного материала минимален по сравнению с оболочковым литьем.

Для изготовления облицованной металлической формы       (рис. 7.3) пространство между рабочей поверхностью кокиля и металической модели отливки пескодувным способом, заливкой или другим способом заполняется песчано-смоляной смесью, содержащей в качестве связующего фенолформадегидную смолу (2 – 2,6 %) с добавкой (8 – 12 % от массы смолы) уротропина; самотвердеющие смеси и керамические составы со связующими – жидким стеклом и этилсиликатом соответственно. От тепла кокиля и модели, нагретых до 200 – 220 °С, происходит затвердевание смеси и образование облицовки обычно толщиной 3 –5 мм. Полости в отливках выполняют при помощи обычных или оболочковых стержней.

В случаях, когда из металлической формы затруднен выход воздуха и газов, применяют вентиляционные пробки, канавки и ручьи (рис. 7.4).

Рис. 7.3. Изготовление облицованных металлических форм: надув смеси

Рис. 7.4. Изготовление облицованных металлических форм: съем формы с модели

Рис. 7.5. Изготовление облицованных металлических форм: форма в сборе

Изготовление облицованных металлических форм: а — надув смеси; б – съем формы с модели; в – форма в сборе; 1 – модельная плита;2 – модель; 3 – половинка формы; 4 – пескодувная головка; 5 – слой облицовки; 6 — электронагреватели

Рис. 7.4. Способы вентилирования форм с помощью канавок (а), ручьев (б), пробок (в, г)

Все операции технологического процесса литья в кокиль механизированы и автоматизированы. Используют однопозиционные и многопозиционные автоматические кокильные машины.

Литье в кокиль применяют в массовом и серийном производствах для изготовления отливок из чугуна, стали и сплавов цветных металлов  с толщиной стенки 3…100 мм, массой от нескольких граммов до нескольких сотен килограммов.

Достоинства литья в кокиль:

• возможность многократного использования форм;
• возможность автоматизации труда;
• хорошие механические свойства отливок, обусловленные их мелкозернистой структурой;
• снижение припусков на механическую обработку;
• снижение расходов на возврат литья за счет уменьшение количества металла на литниковую систему или ее отсутствие.
• Недостатки литья в кокиль:
• отсутствие податливости форм;
• трудоемкость изготовления кокилей;
• высокая стоимость кокилей.

Литье в металлические формы (кокили) — Студопедия

Кокили являются литейными формами многократного использования, их изготавливают из стали, чугуна и алюминиевых сплавов.

По конструкции кокили бывают неразъемные (вытряхные, рисунок 1.20, а) и разъемные. Вытряхные кокили (1 – кокиль, 2 – песчаный стержень) применяют для получения отливок, конфигурация которых позволяет их удаление из формы вместе с литниковой системой при повороте кокиля на 180⁰. Разъемные кокили делают створчатыми (рисунок 1.20, б: 1, 2 – матрицы, 3 – плита), с горизонтальной плоскостью разъема (рисунок 1.20,

в: 1, 2 – матрицы, 3 – плита толкателей) и с вертикальной плоскостью разъема (рисунок 1.20, д: 1, 2 – матрицы, 3 – плита, 4 – полость формы, 5 – песчаный стержень; рисунок 1.20, е: 1, 2 – матрицы, 3, 4, 5 – металлические стержни, 6 – полость формы) и более сложных конструкций.

Внутренняя полость кокиля оформляет наружную поверхность отливки. Отверстия, пазы и полости в отливке выполняют с помощью стержней – обычных песчаных (рисунок 1.20, а) или металлических. Для того, чтобы извлечь металлический стержень 3 (рисунок 1.20, е) из формы после затвердевания отливки, его делают, например, составным – из трех частей.

Рисунок 1.20 – Примеры конструкции кокилей

Металлическая форма не обладает газопроницаемостью, поэтому в ней наряду с выпорами предусматривают вентиляционные пробки (венты) и тонкие риски по плоскости разъема. Для облегчения извлечения отливок из жесткой металлической формы в конструкциях часто предусматриваются толкатели.

Перед заливкой металла рабочую полость кокиля окрашивают тонким слоем огнеупорной краски, защищающей ее от износа и в зависимости от толщины уменьшающей интенсивность охлаждения отливки. Полости литниковой системы, выпоров, прибылей облицовывают теплоизоляционным материалом (например, асбестом) или окрашивают более толстым слоем краски. Это необходимо для застывания металла в них в последнюю очередь.

Перед началом работы кокили подогревают до температуры 200 – 300⁰С, что необходимо для задержки остывания заливаемого металла и лучшего заполнения формы, и, кроме того, предотвращения “термоудара” рабочей поверхности, что увеличивает износ кокиля.

Стойкость кокилей зависит от его материала, температуры заливаемого металла и массы отливки. Наименьшая стойкость при заливке стали – 10–50 штук крупных отливок и 400 – 600 штук крупных. При литье цветных сплавов в кокиле можно получить от нескольких до сотен тысяч отливок.

Кокили устанавливают на кокильных станках или механизированных кокильных машинах, имеющих механический, пневматический или гидравлический приводы. На рисунке 1.21 показана кокильная машина конструкции МВТУ.

Рисунок 1.21 – Схема кокильной машины

1.3.4 Литье под давлением

Литейная форма представляет собой сложную разъемную металлическую форму, называемую пресс-формой. Ее изготавливают из легированной и закаленной стали. Рабочую поверхность пресс-формы обрабатывают с высокой точностью размеров и малой шероховатостью поверхности.

Пресс-форма (рисунок 1.22, а) состоит из неподвижной матрицы 1 и подвижной матрицы 3. Для образования полостей и отверстий в отливке используются металлические стержни 2, которые находятся обычно в подвижной матрице.

Рисунок 1.22 – Схемы литья под давлением на поршневых машинах

Пресс-форма имеет каналы 6 для водяного охлаждения. Для извлечения отливки из формы предусматриваются толкатели 5, закрепленные на плите толкателей 4. Пресс-форму устанавливают на машине, механизмы которой закрывают и запирают пресс-формы под большим давлением во избежание прорыва металла по плоскости разъема, запрессовывают жидкий металл, открывают пресс-формы и выталкивают отливки.

Машины для литья под давлением делятся на поршневые и компрессорные. Более распространены поршневые машины с холодной и горячей камерой прессования.

Поршневые машины с холодной камерой прессования подразделяются на машины с горизонтальной (рисунок 1.22, а) и вертикальной (рисунок 1.22, б) камерой.

Перед заливкой пресс-форму подогревают и наносят смазку на ее рабочие поверхности, камеры прессования 7 и пресс-поршня 8 (рисунок 1.22, а). В камеру прессования (позиция I) заливают мерную порцию сплава 9. Пресс-поршень 8 перекрывает заливочное отверстие, создает давление в камере прессования и сплав с большой скоростью заполняет полость формы 10. После затвердевания сплава пресс-форма раскрывается с отходом подвижной матрицы вместе с отливкой, плунжер возвращается в исходное положение. Плита толкателей перемещается вместе с пресс-формой до упора 12 (позиция II). При дальнейшем движении пресс-формы толкатели снимают отливку 11 со стержня 2 и она поступает в контейнер. Пресс-форму обдувают сжатым воздухом, смазывают, закрывают и процесс литья повторяется.

На машине с вертикальной камерой прессования 1 (рисунок 1.22, б) плунжер 2 давит на залитый металл 3 и перемещает вниз пяту 4. При этом открывается отверстие 5 литника, металл заполняет форму, пята 4 поднимается, отрезает и выталкивает пресс-остаток металла.

Поршневые машины с холодной камерой прессования применяют для получения отливок из цветных металлов и сплавов, а также стальных отливок. Более распространены машины с горизонтальной камерой прессования, как более производительные и простые в обслуживании.

Поршневые машины с горячей камерой прессования (рисунок 1.22, в) имеют печь с тиглем 1, в котором образована камера прессования 2. При верхнем положении плунжера 3 металл заполняет камеру через отверстия 4. При движении плунжера вниз он перекрывает эти отверстия, и сплав под давлением заполняет полость пресс-формы 5.

Такие машины имеют высокую производительность, так как не нужно проводить операцию заливки сплава, металл заливается в камеру сам при обратном ходе плунжера. Применяются машины с горячей камерой прессования для литья заготовок из легкоплавких сплавов, например цинковых.

Литье в металлическую форму (кокиль) — Студопедия

Лабораторная работа №2

Специальные виды литья (литье в кокиль и по газифицируемым моделям)

Цель работы

1. Познакомиться с методами литья: в металлические формы (кокили) и по газифицируемым моделям.

2. Получить отливки образцов для механических испытаний.

3. Изучить макроструктуру и определить ударную вязкость отливок, полученных литьём в кокиль и литьём по газифицируемым моделям.

Материалы и оборудование

1. Заливаемый сплав – силумин (сплав алюминия с кремнием).

2. Формовочная смесь – сухой кварцевый песок.

3. Тигель для жидкого металла.

4. Кокиль – металлическая литейная форма.

5. Газифицируемая модель (пенополистироловая).

6. Муфельная печь для получения расплава.

7. Маятниковый копёр МК-30 для проведения испытаний на ударную вязкость.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с основными сведениями по литью в кокиль и по газифицируемым моделям.

2. Выполнить экспериментальную часть.

3. Проанализировать полученный материал и сделать необходимые выводы.

Основные положения

Литье в металлическую форму (кокиль)

Кокиль – металлическая литейная форма, которая обеспечивает высокую скорость кристаллизации металла и формирования отливки. Кокиль изготавливают из чугуна, стали и других сплавов.

Способ литья в кокиль имеет преимущества перед литьём в песчаные формы. Кокили выдерживают большое число заливок (от нескольких сот до десятков тысяч) в зависимости от заливаемого в них сплава: чем ниже температура заливаемого сплава, тем больше их стойкость. При этом способе исключается применение формовочной смеси, повышаются технико-экономические показатели производства, улучшаются санитарно-гигиенические условия труда.

Высокая теплопроводность кокиля ускоряет процесс кристаллизации сплава и способствует получению отливок с высокими механическими свойствами. Высокая прочность металлических форм позволяет многократно получать отливки одинаковых размеров с небольшими припусками на механическую обработку. Минимальное физико-химическое взаимодействие металла отливки и формы повышает качество поверхности отливки.

К недостаткам этого способа литья относится высокая трудоёмкость изготовления и стоимость кокилей.

Существует опасность образования внутренних напряжений в отливке из-за отсутствия податливости металлической формы. В поверхностном слое кокильных чугунных отливок образуется структура цементита, что затрудняет их механическую обработку, поэтому необходима термическая обработка (отжиг) отливок.

В кокилях получают 45 % всех алюминиевых и магниевых отливок, 6 % стальных отливок, 11 % чугунных отливок. Этот способ литья экономически целесообразен в серийном и массовом производстве.

В зависимости от конфигурации и размеров отливки металлические формы делятся на неразъёмные и разъёмные.

Внеразъёмных формах вся отливка целиком получается в одной форме (типа чашки). На рис. 2.1 изображена неразъёмная вытряхиваемая форма. Ее применяют для получения простых отливок, имеющих достаточные уклоны на боковых стенках (плиты, коробки и т. п.).

Рис. 2.1 Металлическая неразъёмная форма:

1 – корпус формы; 2 – цапфа для поворота формы при выбивке отливки;

3 – песчаный стержень; 4 – литниковая чаша со стояком; 5 – полость формы; 6 – питатели; 7 – вентиляционный канал

Внутреннюю и внешнюю поверхности отливки в неразъёмном кокиле формируют при помощи стержней. Литниковая система делается внутри стержня. Такие металлические формы обычно закрепляются при помощи цапф на специальных стойках. После заливки производится поворот формы на 180° и удаляется (вытряхивается) отливка вместе со стержнем.

Разъёмные формы состоят из двух или более частей и, в свою очередь, разделяются на формы с горизонтальной, вертикальной и комбинированной плоскостями разъёма.

Металлическую форму с горизонтальным разъёмом (рис. 2.2) применяют для таких же отливок, как и в неразъёмной форме, но с более сложной верхней поверхностью, образуемой рабочей частью верхней половины формы.

Рис. 2.2 Кокиль с горизонтальным разъёмом:

1 – нижняя часть формы; 2 – верхняя часть формы; 3 – центральный песчаный стержень; 4 – полость формы; 5 – нижний кольцевой стержень

Металлические формы с вертикальным разъёмом (см. рис. 2.3) применяют для изготовления более разнообразных и сложных отливок (корпусные детали, литые блоки цилиндров автомобильных двигателей, крупные поршни, крышки с массивными фланцами и т. д.).

Металлические формы с комбинированным разъёмом применяют для отливки сложных по конфигурации деталей. Внутреннюю конфигурацию и отверстия в отливках получают с помощью стержней, песчаных или металлических.

Рис. 2.3 Кокиль с вертикальным разъёмом, с песчаным стержнем:

1 – левая половина формы; 2 – каналы-питатели; 3 – стояк литниковой системы; 4 – литниковая воронка; 5 – полость формы; 6 – вентиляционные каналы; 7 – песчаный стержень; 8 – центрирующие отверстия

Песчаные стержни применяют для отливок из стали и чугуна. Они обладают повышенной податливостью, газопроницаемостью и огнеупорностью. Однако чистота внутренней поверхности отливок хуже, чем при применении металлических стержней.

Металлические стержни применяют для сплавов с низкой температурой плавления, алюминиевых, магниевых и др. Металлические стержни, не обеспечивают свободной усадки отливки при охлаждении, поэтому они удаляются из отливки ещё во время затвердевания, перед выбивкой всей отливки из формы. Для удаления газов из кокиля по линии разъёма изготавливают газовые каналы и выпоры. Газовые каналы делают обычно глубиной 0,2–0,5 мм. Через такие каналы не вытекает жидкий сплав, но легко удаляются газы.

Чтобы уменьшить скорость охлаждения отливок, избежать образования упрочнённого слоя на их поверхности и повысить стойкость кокиля, на его рабочую поверхность наносят теплоизоляционные покрытия. Их приготовляют из одного или нескольких огнеупорных материалов (кварцевой пыли, молотого шамота, графита, мела, талька и др.) и связующего материала (жидкого стекла, сульфидного щёлока и др.).

Механизировать и автоматизировать процесс кокильного литья легче, чем процесс литья в песчаные формы. Для механизации применяют кокильные машины – однопозиционные и карусельные. В этих машинах автоматизируют следующие технологические операции: открывание и закрывание кокилей, установку и удаление металлических стержней, выталкивание отливки из кокиля.

В металлических формах получают отливки чугунные от 10 г до 15 т, стальные от 0,5 г до 5 т и из цветных сплавов (медных, алюминиевых, магниевых) от 4 г до 400 кг.