» » Литье сплавов систем Al-Mg и Al-Zn-Mg в кокиль
08.02.2017

Производство алюминиевого литья в кокиль находит все большее применение для изготовления отливок из алюминиевых сплавов. Оно вытесняет литье в песчаные формы и успешно конкурирует с литьем под давлением. Литьем в кокиль можно получать как небольшие, так и крупногабаритные алюминиевые отливки различной степени сложности со стенками толщиной от 2 до 80—90 мм.
Литье алюминиевых сплавов в кокиль имеет следующие преимущества перед литьем в песчаные формы: более точные размеры отливок, значительно меньшие припуски на механическую обработку, более высокую степень чистоты поверхности; отливки по своей конфигурации приближаются к готовой детали и поэтому не требуют значительной механической обработки. Чистота поверхности зависит от чистоты обработки поверхности кокиля, качества применяемых красок, облицовок и способа их нанесения.
К преимуществам кокильного литья чисто технологического характера следует отнести возможность получения плотных отливок с высокими механическими свойствами за счет повышенной скорости кристаллизации. Механические свойства деталей из алюминиевых сплавов, отлитых в кокиль, в 1,1—1,5 раза превышают механические свойства деталей, отлитых в песчаные формы. Особенно это относится к толстостенным массивным отливкам, высококачественное литье которых в песчаные формы очень затруднено из-за возможного получения рыхлот, пористости, раковин и других дефектов усадочного характера.
Для получения отливок, работающих под внутренним давлением (жидкости или газов), также целесообразнее всего применять литье в кокиль, которое позволяет получать плотные отливки даже из сплавов с широким интервалом кристаллизации.
К недостаткам литья в кокиль следует отнести: сравнительно высокую стоимость кокильной оснастки (по сравнению с деревянными моделями) и сложность литья крупногабаритных отливок с развитыми поверхностями и резкими переходами от толстых сечений к тонким, особенно из сплавов с широким интервалом кристаллизации и склонных к образованию горячих трещин из-за высокого сопротивления материала формы свободной усадке. Кроме того, при кокильном литье более вероятно образование в отливках внутренних напряжений за счет затрудненной усадки отливки в практически неподатливой металлической форме, которые приводят к трещинам в отливках и к их короблению.
При конструировании кокилей предусматривают, чтобы отливка легко и просто из них извлекалась, т. е. чтобы она имела минимальное число выступающих частей, затрудняющих ее удаление из кокиля. Отливки, получаемые в разъемном кокиле, не должны иметь выступов, расположенных не перпендикулярно плоскости разъема кокиля. Отливки не должны иметь внешних поднутрений. Если внутренняя полость отливки образуется песчаным стержнем, то бобышки с поверхности отливки переносят внутрь. Ребра, бобышки и другие выступы располагают перпендикулярно плоскости разъема кокиля. Несколько выступающих элементов (бобышек, платиков) объединяют в один элемент одинаковой высоты, избегая поднутрений во внутренней полости отливки и большого числа горизонтальных поверхностей.
Толщина стенок отливки должна быть по возможности везде одинаковой, чтобы стенки равномерно охлаждались, обеспечивая необходимую прочность отливки и последовательное заполнение жидким сплавом.
Выбор положения отливки в форме зависит прежде всего от габаритных размеров и сложности детали. Однако следует учитывать и технологические особенности сплавов (необходимость достаточной пропитки толстых узлов, сечений и бобышек, чувствительность к направленной кристаллизации).
Число плоскостей разъема и их расположение зависят прежде всего от выбранного положения отливки при заливке и сложности детали. Желательно отливку располагать в одной из частей кокиля и по возможности избегать увеличения числа плоскостей разъемов, так как это приводит к снижению точности отливки и затрудняет работу с кокилем. Иногда для уменьшения числа разъемов можно рекомендовать простановку дополнительных стержней. При кокильном литье применяют разовые и постоянные стержни. Разовые — это песчаные гипсовые и оболочковые стержни, постоянные — металлические.
Припуск для кокильных отливок значительно меньший, чем при литье в песчаные формы. Кокильные отливки по сравнению с отлитыми в песчаные формы имеют не только меньшие припуски, но и более жесткие допуски, которые определяют отклонения от размеров отливок по длине и толщине стенок в зависимости от габаритных размеров отливки. Для выравнивания толщин стенок отливки делают технологические напуски, которые удаляют затем механическим путем. Технологические напуски делают и на вертикальные стенки высоких тонкостенных отливок, чтобы пропитать их нижние части. Размер напусков выбирают, исходя из конкретных условий литья и конфигурации детали.
При выборе литниково-прибыльной системы для литья деталей в кокиль необходимо придерживаться тех же общих правил, что и при литье в песчаные формы. Однако форма, размеры и конструкция литниковых систем для кокильного литья отличаются от литниковых систем для других видов литья.
При литье алюминиевых сплавов в кокиль применяются следующие типы литниковых систем; верхняя, нижняя (сифонная), вертикально-щелевая и комбинированная. Верхние литниковые системы применяются для литья небольших и несложной конфигурации отливок. Верхние литниковые системы обычно состоят из одного круглого стояка, служащего одновременно прибылью и устанавливаемого над массивной частью отливки, а также стояка с прямым или изогнутым питателем, подведенным в верхнюю прибыльную часть отливки. Основное экономическое преимущество способа заливки сверху состоит в повышенном выходе годного из-за отсутствия шлаковиков и колодцев, который даже для наиболее мелких отливок достигает в среднем 75%.
Большое распространение при литье алюминиевых сплавов в кокиль получила нижняя (сифонная) литниковая система. При этой литниковой системе металл подается снизу, обеспечивая плавное заполнение формы и постепенное вытеснение газов и воздуха из полости кокиля. Для литья небольших и несложных отливок применяется упрощенная сифонная литниковая система, которая состоит из одного прямого наклонного (реже вертикального) или изогнутого литника, подведенного в нижнюю часть отливки. Недостатком нижней литниковой системы следует считать то, что в верхнюю часть отливки (прибыльную) металл поступает уже холодным, что создает неблагоприятные условия для обеспечения процесса направленной кристаллизации отливки и подпитки нижних ее частей. При наличии в верхней части отливки, например, тонких стенок и ребер заполняемость их ухудшается, появляется брак по недоливу, кроме того, возникают условия для захвата холодным металлом воздуха и образования неспаев. Повышение же температуры заливки может привести к местному перегреву отливки вблизи питателей и вызвать образование усадочных рыхлот и горячих трещин. Однако, несмотря на эти недостатки, нижняя литниковая система широко применяется при литье в кокиль.
Для отливки толстостенных крупногабаритных деталей и тонкостенных плоских высоких деталей применяется вертикально-щелевая литниковая система, которая сочетает в себе преимущества верхней и нижней литниковых систем. Вертикально-щелевая литниковая система состоит обычно из стояка, боковых прибылей и вертикальных литников-щелей, расположенных вдоль отливки. Эта литниковая система обеспечивает равномерное и последовательное — слой за слоем поступление сплава в полость формы по мере поднятия уровня в вертикальном колодце. При этом более горячие слои металла подпитывают нижележащие слои. При равномерном поступлении сплава предотвращается его вспенивание, образование окисных пленок и захват воздуха.
Для несложных отливок применяют одну щель, для более крупных — несколько. Для крупногабаритных отливок цилиндрической формы вертикально-щелевая литниковая система может быть запроектирована в центральном стержне. В этом случае и щели, и питающие прибыли выполняют в стержне, чем усложняется его изготовление. Недостаток этой системы в сложности удаления литников, находящихся внутри отливки (выполненных в стержне).
Характеризуя вышеприведенные типы литниковых систем, применяемых при литье в кокиль, необходимо отметить, что на практике для сложного крупногабаритного литья применяют различные варианты и сочетания этих систем. При этом литниковые системы выполняют как в самом кокиле, так и в специальных стержнях.
При подборе и расчете литниково-прибыльной системы для литья в кокиль руководствуются общими требованиями, предъявляемыми к литниково-прибыльным системам: системы должны обеспечивать равномерное и плавное заполнение кокиля, задерживать окисные пленки, флюсы и другие неметаллические включения, создавать условия для направленного затвердевания отливки, обеспечивать питание массивных узлов отливки, избегая местных ее перегревов. Кроме того, литниковая система должна быстро и удобно отделяться от отливки без специальных приспособлений.
Отдельной методики расчета литниковой системы для кокильного литья не существует; приближенно пользуются расчетом литниковых систем для песчаных форм. Расчет литников ведут на суммарную площадь их сечений.
Обеспечение оптимального теплового режима кокиля — сложная технологическая проблема. Правильный выбор тепловых зон кокиля, достижение необходимой температуры в той или иной зоне кокиля — основные условия для создания направленной кристаллизации отливки. При формировании (кристаллизации) отливок в кокиль происходят сложные теплофизические процессы, трудно поддающиеся регулированию. В одних случаях необходим ускоренный отвод тепла от массивного узла отливки, в другом (при формировании тонких стенок, ребер и др.) — подогрев отдельных участков кокиля. При формировании сложных отливок со стенками различной толщины и с неравномерными переходами от толстого сечения к тонкому необходимо одновременное применение охлаждения и нагрева отдельных зон кокиля.
Естественное охлаждение применяется при литье небольших отливок и осуществляется естественной передачей тепла от кокиля окружающей среде в результате подбора оптимальной толщины стенок кокиля. Для увеличения передачи тепла при естественном охлаждении на наружной поверхности кокиля предусматриваются ребра или охлаждающие штыри (для увеличения поверхности охлаждения).
Принудительное охлаждение всего кокиля осуществляется сжатым воздухом, которым обдувают кокиль, или с помощью водяного охлаждения. Для охлаждения массивных частей отливок и бобышек применяют медные вставки или металлические стержни, наружная часть которых может быть выполнена ребристой и охлаждаться сжатым воздухом; в отдельных случаях некоторые части кокиля охлаждают водой. Для захолаживания внутренних тепловых узлов отливок чаще всего применяют металлические стержни и внутренние холодильники, устанавливаемые в стержнях.
Нагрев и поддержание повышенной температуры отдельных участков кокиля (в местах формирования тонких сечений отливки и ее прибыльных частей) могут осуществляться как за счет тепла расплавленного металла (естественный нагрев), так и с помощью искусственного нагрева. Сохранение более высокой температуры кокиля в прибыльной зоне естественным путем осуществляется обычно с помощью теплоизолирующих вставок (обычно листового асбеста, реже — стержневых вставок) и местного утолщения стенок кокиля. Для принудительного нагрева применяются газовые горелки и специальные электронагревательные системы, установленные в кокиле. Вопросы подогрева и охлаждения отдельных участков кокиля обычно решаются при конструировании кокиля.
Следует помнить, что толщина слоя краски на рабочей поверхности оказывает большое влияние на скорость теплоотдачи и, следовательно, на процесс кристаллизации отливки. Чем тоньше слой краски, тем больше теплоотдача и интенсивнее остывание отливки. Кроме того, окраска кокиля улучшает внешний вид отливки, предупреждает появление газовых раковин и «заворотов» металла на поверхности отливки, улучшает ее товарный вид.
Известно много составов красок для окраски кокилей при литье алюминиевых сплавов; некоторые из них приведены в табл. 83.
Литье сплавов систем Al-Mg и Al-Zn-Mg в кокиль

Основным конструкционным материалом для кокилей служит серый чугун любых марок. Рабочая полость кокиля может быть получена либо механической обработкой, либо литьем с последующей слесарной доводкой. Второй способ более экономичен и получил большее распространение.
Интересен опыт изучения способа изготовления кокилей из алюминия для литья алюминиевых сплавов.
Для повышения стойкости алюминиевых кокилей применяют твердое анодирование. Анодирование алюминия и его сплавов осуществляют чаще всего путем электрохимической обработки в растворе серной, хромовой или щавелевой кислоты.
Процесс анодирования в растворе серной кислоты обеспечивает получение наиболее толстых окисных покрытий. Он экономичен, так как сернокислый электролит по сравнению с другими материалами более доступен и дешев.
При твердом анадировании на поверхности алюминия и его сплавов получаются окисные пленки, обладающие высокой жаростойкостью и твердостью, хорошей износостойкостью II высокими теплоизоляционными свойствами. Оксидированный слой, состоящий из безводных окислов Al2O3 и гидратированных окислов Аl2О3*Н2О, имеет температуру плавления около 2000°С и хорошо предохраняет алюминиевый кокиль от разрушения. Для создания надежной заoщиты кокиля толщина анодной пленки должна быть не менее 150 мкм. При этом твердость пленки на кокилях составляет 350—400 кгс/см2 (на приборе ПМТ-3). Перед заливкой на рабочие поверхности кокилей дополнительно наносят слой краски, состоящей из 7% окиси цинка, 10% жидкого стекла и воды. При производственной эксплуатации кокилей случаев отслаивания или подплавления анодной пленки не наблюдалось даже после 3000 отливок.
При конструировании алюминиевых кокилей необходимо выполнять следующие требования;
1) закруглять острые кромки радиусом не менее 0,5 MM для защиты кокиля от подгорания при анодировании;
2) выполнять конусность формующих поверхностей стенок кокиля с максимально допустимыми литейными уклонами не менее 2°, а металлических стержней — в пределах 5—8°;
3) на наружной поверхности кокиля предусматривать выполнение не менее четырех ребер высотой 100—140 мм, толщиной, составляющей 0,75 от толщины стенки кокиля, и радиусом закругления в сопряжении со стенками кокиля 5—10 мм для увеличения теплоотдающей способности и жесткости кокиля;
4) стенку кокиля выполнять оптимальной толщиной 30 мм.
Литье сплавов систем Al-Mg и Al-Zn-Mg в кокиль

На рис. 76 показан характер изменения температуры в процессе литья в чугунный и алюминиевый анодированные кокили. Из приведенных данных следует, что максимальной температуры чугунный кокиль достигает примерно через 40 заливов, а алюминиевый — через 30. В дальнейшем температура не изменяется. Наиболее низким остается уровень температур у алюминиевого кокиля, что является его неоспоримым преимуществом перед чугунным.
В табл. 84 показан прирост механических свойств алюминиевых сплавов при литье в чугунные и алюминиевые кокили по сравнению с литьем в песчаные формы. Анализ данных таблицы показывает более высокий (в 2—2,5раза) прирост механических свойств сплавов при литье в алюминиевые кокили. К таким же результатам пришли авторы работы, которые исследовали влияние теплоотвода на свойства отливок из сплава АЛ27-1 с различной толщиной стенки и установили, что по эффективности теплоотвода алюминиевая форма приближается к медной и водоохлаждаемой (рис. 77).
Литье сплавов систем Al-Mg и Al-Zn-Mg в кокиль
Литье сплавов систем Al-Mg и Al-Zn-Mg в кокиль

На рис. 78 показан алюминиевый кокиль и гипсовый стержень для литья детали (корпус), а в табл. 85 даны механические свойства этой детали, полученные на образцах диаметром 5 мм, вырезанных из отливки (деталь массой 2 кг, диаметром 125 мм, высотой 140 мм, толщиной 8,5 мм). Приведенный в табл. 86 технико-экономический анализ метода литья в алюминиевые анодированные колики по себестоимости дан в сравнении с методом литья в чугунные кокили и свидетельствует о том, что трудоемкость изготовления алюминиевых кокилей на 30%, а стоимость литья на 34,5% ниже, чем чугунных.
Литье сплавов систем Al-Mg и Al-Zn-Mg в кокиль
Литье сплавов систем Al-Mg и Al-Zn-Mg в кокиль
Литье сплавов систем Al-Mg и Al-Zn-Mg в кокиль