Литье в кокиль: плюсы и минусы

СОДЕРЖАНИЕ

• Что такое кокиль
• Технологический процесс литья в кокиль
• Достоинства и недостатки литья в кокиль
• Где применяется литье в кокиль
• Литье чугуна в кокиль
• Литье алюминия и его сплавов в кокиль
• Технология литья магниевых сплавов в кокиль
• Литье медных сплавов и стали в кокиль по ГОСТу

Технологический процесс литья в кокиль позволяет добиться особой точности отливок. Сам кокиль представляет собой форму, которую создают из материала, способного выдержать высокие температуры без деформации. Как правило, для изготовления таких форм используют сталь или чугун.

Очевидно, что кокиль удешевляет производство отливок, поскольку в отличие от песчаной формы является многоразовым. Это и другие преимущества, среди которых уже упомянутая высокая точность и простота технологии, позволяют использовать проверенное временем литье в кокиль на множестве различных производств. Об особенностях этого процесса поговорим далее.

Что такое кокиль

Литье в кокиль, если говорить кратко, — это процесс получения отливок в металлических многоразовых формах. Изделия при этом характеризуются высокой точностью и чистотой поверхности.

Получать высококачественную продукцию по этой технологии удается благодаря тому, что поверхность самого кокиля отличается большой точностью габаритов и высокой чистотой.

При литье в металлические формы отливки приобретают отличные механические свойства, поскольку в кокиле они быстро охлаждаются и затвердевают.

Есть немало производственных сфер, где к деталям предъявляются высокие требования по качеству поверхности и точности размеров: автомобиле-, авиа-, ракето-, машиностроение, космическая отрасль. При этом для получения формовочной смеси требуется смесеприготовительное отделение, есть необходимость в применении опочной оснастки и модельных комплектов. При использовании технологии литья в кокиль все это не нужно, поэтому она стала очень популярной.

Во время работы формообразующие поверхности кокиля контактируют с расплавленным металлом и подвергаются значительному термическому воздействию: сначала, при заливке металла, они быстро нагреваются, а после извлечения отливки быстро охлаждаются.

Читайте также: «Пайка металлов»

Учитывая этот контраст, рабочую поверхность кокиля необходимо выполнять из материала с высокой теплопроводностью, хорошим сопротивлением короблению и стойкостью к появлению разгарных трещин. Больше всего для этих целей подходят серый чугун и некоторые виды стали. Чугунные кокили должны иметь минимальные припуски на механическую обработку.

При производстве кокилей используют чугуны, обладающие перлитно-ферритной структурой без остатков структурно свободного цементита. Феррита в таких чугунах должно быть не более 5—10 %. Химический состав чугуна приблизительно следующий в процентах: углерод — 3,4—3,6, кремний — 0,9—1,0, марганец — 0,9—1,0, фосфор — 0,15, сера — 0,06—0,08.

Ответные детали изготавливают из сталей 30ХГСА, 35ХГС, ЭИ69, ЭИ107, а для металлических стержней используют марки У7, У10, 30ХГСА.

Читайте также: «Уровень качества сварного шва: методы контроля»

Производство кокилей включает несколько стадий. Литые заготовки корпусов получают с помощью деревянных моделей, у которых имеются припуски на механическую обработку. Затем осуществляют формовку литых заготовок в песчаные формы и заливают их расплавленным металлом. Если нужен кокиль сложной формы, то выполняют литье в стержни. Кроме того, для выполнения изделий высокой точности используют центробежное литье в кокили и литье под давлением.

Следующий этап — температурная обработка, необходимая для того, чтобы снять литейные напряжения. Затем литые детали подвергают механической обработке в соответствии с конструкторской документацией, осуществляют их сборку и проверяют с помощью разметки, соответствует ли геометрия полученной системы для литья в кокиль чертежу.

Технологический процесс литья в кокиль

Прежде чем начать литье металла в кокиль, нужно подготовить его к работе. Технологический процесс подготовки состоит из нескольких стадий:

1. Очищают от следов коррозии, остатков масла и грязи рабочие поверхности кокиля и места соприкосновения полуформ.
2. Проверяют, подвижны ли перемещающиеся детали, точно ли они установлены и надежно ли крепятся на положенных местах.
3. Смазывают поверхности кокиля огнестойкими составами, например смазкой или особой краской.

Толщина облицовки кокиля зависит от того, с какой скоростью должны охлаждаться заготовки (чем больше толщина, тем медленнее происходит охлаждение), а материал покрытия выбирают в соответствии с маркой заливаемого в форму металла.

Еще одна задача огнеупорной облицовки — защищать форму от последствий скачка температуры при литье стали и других металлов в кокиль, оплавления деталей и схватывания их с расплавом. В состав огнестойкого слоя могут входить такие материалы, как глина, кварц, графит, жидкое стекло.

Прежде чем заливать металл в форму, ее нагревают приблизительно до 200 °C. Температурный показатель зависит от размеров отливки и марки используемого металла.

Достоинства и недостатки литья в кокиль

Технология литья в кокиль имеет как преимущества, так и недостатки. Проще всего сравнить ее с методом литья в песчаные формы.

• Главное достоинство первого метода — получение отливок с размерами очень высокой точности при литье в кокиль. Однако литье в песчаные формы со стержнями позволяет производить детали сложных профилей.
• Благодаря тому, что нет необходимости готовить литьевую смесь и чистить отливки, применение кокилей из металла помогает увеличить производительность труда на предприятии.
• Оборачиваемость кокилей дает возможность механизировать литейный процесс и обработку отливок. Например, можно автоматизировать процесс сборки кокиля. К тому же при производстве исключена газопроницаемость смеси, которая могла бы сказаться на качестве получаемых изделий. Автоматизация производственных этапов помогает управлять технологическими режимами литейных процессов. Работа оператора литейного комплекса становится легче, а его безопасность — выше.
• Благодаря литью в кокили уменьшаются припуски на механическую обработку изделий, а значит, снижается их себестоимость.

Обладая массой преимуществ, литье в кокиль имеет и свои недостатки:

1. Производство металлических кокилей весьма трудоемко и конструктивно непросто, поэтому обходится недешево. Особенно это касается форм, в которые отливают детали сложной геометрической формы.
2. По сравнению с земляными и песчаными формами отливки в кокилях охлаждаются значительно интенсивнее, поэтому изготавливать тонкостенные отливки по данной технологии крайне сложно.
3. Литейная оснастка этого типа обладает ограниченной стойкостью. Это свойство определяется числом отливок высокого качества. Если качество деталей становится хуже, значит, кокиль пора списывать в утиль. Стойкость формы — важнейший экономический параметр литейного производства. Над повышением стойкости кокилей постоянно работают специалисты по всему миру.
4. Кокили не очень податливы, поэтому в изготавливаемых деталях возможно возникновение внутренних напряжений. Устранить их можно путем термообработки.

Где применяется литье в кокиль 

Литье в кокиль — весьма распространенная технология. Область применения — получение отливок из черных и цветных металлов. На автоматизированном оборудовании возможно литье в кокиль алюминиевых сплавов, но масса отливок ограничивается 30 кг.

Если оборудование не автоматизировано, то можно осуществлять литье в кокиль чугуна, при этом ограничение по массе отливки — 12 т.

Технология получения отливок в кокилях позволяет изготавливать широкий ассортимент деталей из различных металлов, поэтому ее используют почти во всех производственных сферах. Например, на автомобилестроительных предприятиях литье в кокиль применяют для получения картеров защиты и головок блока цилиндров, которые необходимы в силовых установках. Электротехнические заводы используют эту технологию для производства комплектующих электрических машин.

Читайте также: «Сварка нержавейки электродом»

Чаще всего посредством кокильного литья делают детали из алюминия. Вторым по популярности является чугун, третьей — сталь.

Литье чугуна в кокиль

Прежде чем заливать расплавленный металл в кокиль, его стенки покрывают огнеупорным слоем и краской. Облицовку необходимо менять через каждые 100—200 заливок, снимая перед этим остатки старого защитного слоя. Перед заливкой форму нагревают до 200—250 °C.

Запрещено заливать металл в неразогретый кокиль, поскольку это приведет к появлению трещин на его поверхности. Во избежание образования белого чугуна на рабочую поверхность кокилей обязательно наносят слой копоти ацетиленового пламени. Излишний нагрев также способствует появлению трещин на поверхности кокиля, поэтому нельзя допускать его нагрева выше 400 °C.

Охлаждение кокиля происходит на воздухе. При правильной эксплуатации формы способны выдерживать до 3000—5000 заливок чугуна.

Читайте также: «Дуговая сварка в защитном газе: суть процесса»

Температура заливаемого чугунного расплава может колебаться от 1280 до 1300 °C и зависит от массы изготавливаемой детали и толщины ее стенок. Очень сложно получить отливки из чугуна массой до 10 кг и сечением до 12 мм без отбела. Как правило, такие заготовки отжигают. Исключение — неответственные детали и отливки сложной формы с толстыми стенками.

Термическое воздействие на отливки из чугуна выполняет две задачи: устранение отбела и снятие внутренних напряжений.

Литье алюминия и его сплавов в кокиль

Литье в кокиль — это экономически выгодный способ получения отливок из алюминия. Температура алюминиевого расплава при заливке достигает 710—720 °C, а значит, термическое воздействие на кокиль не такое сильное, как при работе с чугуном. В формах можно изготовить порядка 50 000 алюминиевых деталей.

По сравнению с песчаными формами охлаждение расплава в кокиле происходит гораздо интенсивнее, поэтому алюминиевые отливки имеют более плотную структуру с мелким зерном.

Благодаря этому повышаются механические свойства изделий: предел прочности при растяжении увеличивается на 20—25 %, а удлинение — в 1,5—2 раза. Поскольку сплавы на основе алюминия имеют хорошую жидкотекучесть, можно отливать детали сложной формы с тонкими стенками.

К сожалению, алюминиевые сплавы обладают большой усадкой, поэтому для подпитки отливки и ее тепловых узлов приходится устанавливать прибыли, которые могут быть тяжелее, чем сами отливки. Используют и такой способ последовательного затвердевания изделия, как подвод металла к отливке в необходимых местах.

Читайте также: «Сварка медных проводов: разбираемся в технологии»

При изготовлении тонкостенных отливок сложной конфигурации и изделий из сплавов с низкой жидкотекучестью кокиль необходимо нагреть до 300—350 °C. При работе со сплавами высокой жидкотекучести и при литье деталей большой массы с толстыми стенками этот показатель составляет 200—250 °C.

Технология литья магниевых сплавов в кокиль

Сплавы магния быстро окисляются при достижении температуры заливки, поэтому возможно их возгорание. Чтобы этого не произошло, при литье в кокиль используют следующую схему: рабочие стенки формы припорашивают смесью серы и борной кислоты. Также для профилактики окисления и возгорания опыляют смесью этих веществ струю расплава.

После заливки металл в стояке и прибылях тоже припудривают серой или универсальным флюсом. Сплавы магния заливают в кокиль при перегреве над линией полного плавления твердых фаз 130—180 °C.

Читайте также: «Технология сварки сталей»

Бо?льшая часть сплавов магния обладает высокой усадкой по объему (до 9 %), поэтому в процессе литья используют массивные прибыли. Чтобы снизить количество отводимой от них теплоты и усилить питающее свойство, прибыли делают в керамических вставках или стержнях, которые устанавливают в кокиль.

Как правило, для стабилизации размеров отлитых деталей, улучшения механических свойств и снятия внутренних напряжений магниевые сплавы подвергают воздействию высоких температур.

Литье медных сплавов и стали в кокиль по ГОСТу

В большинстве случаев при работе с медными сплавами температура перегрева над линией ликвидуса достигает 100—120 °C, но иногда может быть и 200 °C (например, при создании отливок с тонкими стенками). Чтобы подпитывать массивные узлы отливок, используют питающие бобышки и прибыли.

Для литья в кокиль подходят специальные литейные стали 15Л, 20Л, 25Л, 35Л, 45Л, а также некоторые виды легированной стали. Эти материалы имеют большую усадку и сниженную жидкотекучесть, поэтому при заливке формы гидравлические и тепловые потери должны быть минимальными.

Подпитывают стальные отливки с помощью прибылей. Перед заливкой кокиль нагревают до 200—300 °C, а температура расплава зависит от его химического состава. Как правило, ее значения те же, что и при литье в песчаные формы.

Внутренние напряжения в изделиях снимают с помощью отжига, а механические характеристики улучшают путем нормализации, гомогенизации и закалки.

Читайте также: «Шлифовка металла»

Процесс литья в кокиль состоит из небольшого количества операций: они относительно простые и выполняются за небольшие промежутки времени. Продолжительность рабочих этапов ограничивается лишь сроками, которые требуются для охлаждения отливки в форме. Обычно при литье в кокиль используется механизированное и автоматизированное оборудование, что выгодно отличает эту технологию от других.

Несомненным достоинством метода является и то, какие формы используются при литье в кокиль. Они многоразовые, а значит, не нужно при каждой заливке создавать форму заново, тратя на это силы и время.