Литье в кокиль

Сущность:

Кокиль (франц. coquille, буквально — раковина, скорлупа)  металлическая литейная форма для получения отливок, преимущественно из цветных сплавов, а также чугуна и стали.

Литьё в кокиль, кокильное  литьё, способ получения фасонных отливок  в металлических формах — кокилях. В отличие от других способов литья  в металлические формы (литьё  под давлением, центробежное литьё и др.), при литье в кокиль заполнение формы жидким сплавом и его затвердевание происходят без какого-либо внешнего воздействия на жидкий металл, а лишь под действием силы тяжести.

В кокилях получают отливки из чугуна, стали, алюминиевых, магниевых и др. сплавов. Особенно эффективно применение кокильного литья  при изготовлении отливок из алюминиевых  и магниевых сплавов. Эти сплавы имеют относительно невысокую температуру  плавления, поэтому один кокиль можно  использовать до 10000 раз (с простановкой металлических стержней). До 45% всех отливок из этих сплавов получают в кокилях. Сталь имеет относительно высокую температуру плавления, стойкость кокилей при получении  стальных отливок резко снижается, большинство поверхностей образуют стержни, поэтому метод кокильного литья для стали находит меньшее  применение, чем для цветных сплавов.

В процессе эксплуатации в  кокиле возникают значительные термические  напряжения как результат чередующихся резких нагревов при заливке, а также  при затвердевании отливки и  охлаждений при раскрытии кокиля и извлечении отливки, нанесении  на рабочую поверхность огнеупорного покрытия. Материалы, предназначенные для изготовления кокиля, особенно его частей, непосредственно соприкасающихся с расплавом, должны хорошо противостоять термической усталости, иметь высокие механические свойства и претерпевать минимальные структурные превращения при температурах эксплуатации, обладать повышенной ростоустойчивостью и окалиностойкостью, характеризоваться минимальной диффузией отдельных элементов при циклическом воздействии температур, хорошо обрабатываться, быть недефицитными и недорогими.

Материалы, используемые для  изготовления кокилей:

Наиболее широко для изготовления кокилей применяют серый (СЧ20, СЧ25 и др)и высокопрочный чугуны(ВЧ40, ВЧ45), так как эти материалы в достаточной мере удовлетворяют основным технологическим требованиям и сравнительно дешевы. Эти чугуны должны иметь феррито-перлитную структуру. Графит в серых чугунах должен иметь форму мелких изолированных включений. В этих чугунах не допускается присутствие свободного цементита, так как при нагревах кокиля произойдет распад цементита с изменением объема материала, в результате в кокиле возникнут внутренние напряжения, способствующие короблению, образованию сетки разгара, снижению его стойкости. В состав чугунов для кокилей с целью повышения их стойкости вводят до 1 % никеля, меди, хрома, а содержание вредных примесей (серы и фосфора) в них должно быть минимальным. Например, для изготовления кокилей с высокой теплонагруженностью рекомендуется серый чугун следующего химического состава, мас. %: 3,0 – 3,2 С, 1,3 –1,5 Si, 0,6 – 0,8 Мn, 0,7 – 0,9 Сu, 0,3 – 0,7 Ni, 0,08 – 0,1 Тi, не более 0,12 S, не более 0,1 Р.

Для изготовления кокилей  широко используют также низкоуглеродистые стали,а также стали, легированные хромом и молибденом, например, сталь марки 15ХМЛ. Эти материалы обладают высокой пластичностью, поэтому хорошо сопротивляются растрескиванию при эксплуатации.  Кокили для мелких отливок из алюминиевых сплавов иногда изготавливают также из алюминиевых сплавов (АЛ9 и АЛ11). Такие кокили анодируют, в результате чего на их рабочей поверхности образуется тугоплавкая износостойкая пленка оксида алюминия толщиной до 0,4 мм, температура плавления которой составляет около 2000оС. Высокая теплопроводность стенок кокиля из алюминия способствует быстрому отводу теплоты от отливки. Эти кокили обычно делают водоохлаждаемыми.

Медь также часто используют для изготовления рабочих стенок водоохлаждаемых кокилей. Из меди делают отдельные вставки, вкладыши в местах, где необходимо ускорить отвод тепла от отливки и тем самым управлять процессом ее затвердевания.

Стержни простой конфигурации изготовляют из конструкционных  углеродистых сталей, а стержни сложной  конфигурации – из легированных сталей. Для прочих деталей – осей, валов, болтов и т.д. – используют конструкционные стали.

Стойкость кокилей измеряется числом отливок требуемого качества, полученных в данном кокиле до выхода его из строя. Приблизительная стойкость кокилей приведена в таблице 1.

Таблица 1 – Приблизительная стойкость  кокилей

Основные операции технологического процесса.

Перед заливкой расплава кокиль подготовляют к работе: поверхность  рабочей полости и разъем тщательно  очищают от следов загрязнений, ржавчины, масла, проверяют легкость перемещения  подвижных частей, точность их центрирования, надежность крепления. Затем на поверхность  рабочей полости и металлических стержней наносят слой огнеупорного покрытия – облицовки и краски. Состав облицовок и красок зависит в основном от типа заливаемого сплава, а их толщина – от требуемой скорости охлаждения отливки: чем толще слой огнеупорного покрытия, тем медленнее отливка охлаждается. Вместе с тем слой огнеупорного покрытия предохраняет рабочую поверхность формы от резкого повышения ее температуры при заливке, оплавления и схватывания с металлом отливки.

Перед нанесением огнеупорного покрытия кокиль нагревают газовыми горелками или электрическими нагревателями  до температуры 150 – 280оС. Краски наносят  на кокиль обычно в виде водной суспензии  через пульверизатор. Вода капель водной суспензии, попадающих на поверхность  нагретого кокиля, испаряется, а  огнеупорная составляющая ровным слоем покрывает поверхность.

После нанесения огнеупорного покрытия кокиль нагревают до рабочей  температуры, зависящей в основном от состава заливаемого сплава, толщины  стенки отливки, ее размеров и требуемых  свойств. Затем в кокиль устанавливают песчаные или керамические стержни если таковые необходимы для получения отливки, половины кокиля соединяют и скрепляют специальными зажимами, а при установке кокиля на кокильной машине – с помощью ее механизма запирания, после чего заливают расплав в кокиль. Часто в процессе затвердевания и охлаждения отливки, после того как она приобретет достаточную прочность металлические стержни «подрывают», т.е. частично извлекают из отливки. Это делают для того, чтобы уменьшить давление затвердевающей отливки на металлический стержень и облегчить последующее извлечение его из отливки. После охлаждения отливки до заданной температуры кокиль раскрывают, полностью извлекают металлический стержень и удаляют из кокиля отливку. Из отливки выбивают песчаный стержень, обрезают литники, прибыли, выпоры, контролируют качество отливки. Затем описанный выше цикл повторяется.

Преимущества литья в кокиль:

1. Обусловленное использованием металлической формы повышение качества отливки и стабильности показателей качества, в частности: механических свойств, структуры, плотности, шероховатости, точности размеров отливок.

2. Использование в металлических  формах разовых песчаных стержней. Это существенно расширяет возможности  способа при производстве фасонных  отливок со сложными внешними и внутренними поверхностями.

3. Повышение производительности  труда в результате исключения  трудоемких операций .

4. Устранение тяжелых и  вредных операций выбивки форм, очистки отливок от пригара, их обрубки, общее оздоровление и улучшение условий труда, меньшее загрязнение окружающей среды.

5. Возможность механизации  и автоматизации процесса изготовления  отливки благодаря многократному  использованию кокиля.

 Недостатки:

1. Высокая стоимость кокиля, сложность и трудоемкость его  изготовления.

2. Ограниченная стойкость  кокиля, измеряемая числом годных  отливок, которые можно получить  в данном кокиле. От стойкости  кокиля зависит экономическая  эффективность процесса, особенно  при литье чугуна и стали.  Поэтому проблема повышения стойкости  кокиля относится к важнейшим при решении технологических задач кокильного литья этих сплавов.

3. Высокая интенсивность охлаждения расплава в кокиле.

4. Неподатливость кокиля, которая приводит к появлению  в отливках напряжений, а иногда и трещин.

5. Использование в кокиле  большого числа песчаных стержней. Этот фактор снижает точность  получаемых отливок и повышает  в этих местах шероховатость  их поверхности.

Преимущества и недостатки кокильного способа определяют в  итоге рациональную область его  использования. Вследствие высокой  стоимости кокилей экономически целесообразно применять этот способ литья только в серийном или массовом производстве.

Таким образом, литье в  кокиль с полным основанием можно  отнести к трудо- и материалосберегающим, малооперационным и малоотходным технологическим процессам, улучшающим условия труда в литейных цехах и уменьшающим вредное воздействие на окружающую среду.