Кокильное литье

chill mold

Кокильное литье подразумевает заполнение расплавом «кокиля» (от франц. coquille – оболочка, раковина, скорлупа) — многоразовой металлической литейной формы под действием гравитационных сил. В англоязычной технической литературе этот метод называется gravity die casting – гравитационное литье в кокиль или, другими словами, литье под давлением силы тяжести самого расплава, без какого-либо внешнего воздействия.

Достоинства способа

Металлический кокиль, по сравнению с песчано-глинистой формой, обладает более высокой теплопроводностью, теплоемкостью, прочностью, практически нулевой газотворностью и газопроницаемостью, что дает способу производства литья в кокиль ряд преимуществ перед литьем в ПГФ:

  • Металлические формы (кокили) используются многократно, в отличие от разовых песчано-глинистх форм, и при этом обеспечиваются большая чистота поверхности и более точные размеры литых заготовок
  • В 3—4 раза более высокая производительность труда
  • На 40—60% меньше трудоемкость изготовления отливок и последующая их механическая обработка
  • В связи с отсутствием ряда технологических операций (к примеру, приготовления, транспортировки и хранения формовочных смесей), литье в кокиль позволяет увеличить съем с 1-го кв. метра производственных площадей в 2-4 раза.
  • За счет высокой скорости затвердевания и кристаллизации отливок, материал отливок имеет более мелкую микроструктуру и более высокие механические свойства
  • Устраняется необходимость применения формовочных смесей и, следовательно, потребность в оборудовании для их приготовления, транспортировки и хранения, что резко уменьшает грузопотоки, сокращает площади производственных и складских помещений
  • Снижается брак отливок (по засорам, пригару, несоответствию размерам и другим видам) примерно на 30—40%
  • Лучше санитарно-гигиенические условия труда.

Недостатки способа

  • Высокая трудоемкость и стоимость изготовления кокилей
  • Увеличенная продолжительность подготовки производства
  • Ограниченная стойкость кокиля
  • Сложность получения тонкостенных отливок протяженной формы
  • Склонность к образованию отбела в отливках из чугуна
  • Образование внутренних напряжений в отливках, склонность к образованию трещин

Конструирование кокилей

Литье в кокиль применяют главным образом для несложных по конфигурации отливок, что облегчает изготовление металлической формы без резких переходов от толстых стенок к тонким, без выступающих частей, острых углов и кромок, углублений и поднутрений, препятствующих усадке и удалению отливки из формы.

В зависимости от конфигурации литых заготовок, материала отливок и принятой технологии по конструктивному исполнению кокили можно классифицировать на следующие типы: неразъемные (вытряхные) (рис. 1.а); разъемные — с горизонтальным разъемом (рис. 1.б), с несколькими разъемами (рис. 1.в), с вертикальным разъемом (рис. 1.г), со сложной плоскостью разъема (рис. 1.д).

Типы конструкций кокилей

Рис. 1: Типы конструкций кокилей

Неразъемные (вытряхные) кокили чаще всего используют для производства стальных и чугунных отливок простой конфигурации. Такие формы достаточно жестки и устойчивы против коробления. Кокили с горизонтальным разъемом или с несколькими разъемами служат для производства стальных и чугунных отливок средней сложности. Кокили с вертикальным разъемом используют для производства отливок из из чугуна и цветных сплавов (поршней, плит, дисков, барабанов и т.д.). Для производства сложных отливок из чугуна и цветных сплавов используют коколи со сложной плоскостью разъема.

В зависимости от от способа охлаждения различают кокили с воздушным (естественным и принудительным) охлаждением, с жидкостным (водяным, маслянным) и комбинированным (водовоздушным) охлаждением.

Рекомендуемые соотношения толщин стенок кокиля и отливок при проектировании кокилей приведены в табл. 1.

Таблица 1: Рекомендуемые соотношения толщин стенок кокиля и отливок

Толщина отливки, мм 10 15 30 50 >50
Толщина стенки кокиля, мм 25 30 40 60 60-80

Основные конструктивные элементы кокилей: формообразующие элементы (половины кокилей, нижние плиты, вставки, стержни); конструктивные элементы (выталкиватели, плиты выталкивателей, запирающие механизмы, системы нагрева и охлаждения кокиля, вентиляционные системы, центрирующие штыри и втулки.

Материалы для изготовления кокилей

В процессе эксплуатации  кокили подвергаются интенсивным знакопеременным температурным нагрузкам потому материалы, используемые для изготовления рабочих поверхностей кокилей, непосредственно соприкасающиеся с расплавленным металлом, должны хорошо противостоять термической усталости, обладать высокими механическими свойствами, претерпевать минимальные структурные превращения при температурах эксплуатации, обладать повышенной ростоустойчивостью и окалиностойкостью.

В качестве заготовок для рабочих поверхностей кокилей хорошо подходят детали из серого чугуна марок СЧ20, СЧ25 и высокопрочного чугуна марок ВЧ-45 и ВЧ-50, при этом, к микроструктуре металлической матрицы предъявляются дополнительные требования — она должна быть ферритно-перлитной и не содержать цементита. При изготовлении кокилей для крупных отливок используют углеродистые стали 15Л, 20Л, а также стали легированные хромом и молбденом, например 15ХМЛ, которые обладают высокой пластичностью и хорошо сопротивляются растрескиванию в процессе эксплуатации. Водоохлаждаемые кокили для мелких отливок из чугуна и алюминия иногда производят из алюминиевых сплавов АЛ9 и АЛ11, которые анодируют, в результате чего на их рабочей поверхности образуется тугоплавкая (tпл.=2273°К), износостойкая пленка окислов алюминия толщиной 0,4 мм.

Вставки и другие ответственные детали выполняют из высоколегированных сталей 45Х14Н14В2М, 40Х10С2м; подвижные стержни — из сталей У7, У8, У10, 30 ХГСА.

Основные стадии техпроцесса

Технологический процесс изготовления отливок способом литья в кокиль включает следующие основные операции:

  • Подготовка кокилей (очистка, подогрев, нанесение на рабочие поверхности облицовки и краски)
  • Сборка кокилей (установка песчаных и металлических стержней, скрепление частей кокиля)
  • Заливка, разборка кокиля, извлечение отливок
  • Обрубка, очистка
  • Термическая обработка
  • Грунтовка

Высокая интенсивность охлаждения расплава при литье в кокиль, затрудняет заполнение формы металлом, ускоряет охлаждение его в кокиле. Для снижения интенсивности теплообмена между рабочей поверхностью кокиля и расплавом, на рабочую поверхность  наносят теплоизоляционное покрытие, обычно: слой огнеупорной облицовки (один раз в смену) и краску (после каждой заливки). Огнеупорное покрытие уменьшает скорость отвода тепла от расплава и отливки. Изменяя толщину наносимого покрытия, можно регулировать скорость отвода теплоты от различных месть отливки. Составы огнеупорных покрытий, рекомендуемые Ю.А. Степановым и др., приведены в табл. 2. Составы покрытий и красок, рекомендуемых для производства чугунного литья в кокиль Н.Г. Гиршовичем, приведены в табл. 3. В настоящее время в Украину поставляется достаточно большое количество готовых противопригарных покрытий, чтобы не тратить время и трудовые ресурсы на их приготовление. В частности, ООО «Инженерная компания САС», г. Киев, специально для кокильного литья поставляет «Покрытие кокильное для литья чугуна» ISO 9001-2009, ТУ РБ 100196035.010-2007.

Таблица 2: Составы огнеупорных покрытий (красок) кокилей

Назначение Состав Содержание, мас. % Коэф. теплопроводности, Вт/м·К
Для отливок из Al сплавов 1. Окись цинка
Асбест прокаленный (пудра)
Жидкое стекло
Вода
2. *Асбест прокаленный
Мел молотый
Жидкое стекло
Вода
15
5
3
77
8,7
17,5
3,5
70,3
0,41



0,27


Для отливок из Mg сплавов 3. Тальк
Борная кислота
Жидкое стекло
Вода
18
2,5
2,5
77
0,39
Для отливок из чугуна 4. Пылевидный кварц
Жидкое стекло
Вода
5. *Молотый шамот
Жидкое стекло
Вода
Марганцевокислый калий
10-15
3-5
87-80
40
6
54
0,05% (сверх 100%)
0,58


0,25


Для отливок из стали Огнеупорная составляющая (циркон, карборунд, окись хрома)
Жидкое стекло
Борная кислота
Вода
30-40
5-9
0,7-0,8
Остальное до плотности 1,1-1,2 г/см3
0,3

* Составы применяют для покрытия поверхности литниковых каналов и выпаров

Таблица 3: Состав покрытий и красок для кокилей (массовая доля, %)

Наименование материала Номер состава
покрытия краски
1 2 3 4 1 2 3 4
Сажа ТМ-15 15 10 4
Огнеупорная глина 15* 2 4
Тальк молотый 23
Кварц молотый пылевидный 10-15
Шамот молотый 40
Крепитель 4ГУ 100
Копоть ацетиленовая 100
Калий марганцевокислый (сверх 100%) 0,05 0,05
Бура (сверх 100%) 1,2
Жидкое стекло, плотность 1,43-1,52, модуль 2,4-3,0 7 4 6 3-5 8
Смачиватель ОП-7 или ОП-10 0,5 0,5
Вода 62,5 71 54 87-80 89,5 84

* В виде 20%-ного раствора в воде

Кокильные машины

Производство литья в кокиль является малооперационным процессом, основные операции: раскрытие кокиля, извлечение стержней из отливки, очистка рабочих поверхностей, нанесение огнеупорного покрытия, простановка стержней запирание кокиля, заливка металла выполняются кокильными машинами, которые можно классифицировать на универсальные: одно, двух и трех позиционные, карусельные: 4 — 6 — 8 — 12 — 16 позиционные и специальные: 2-х, 3-х позиционные и карусельные.

В крупносерийном и массовом производстве в настоящее время широко используются автоматические кокильные линии, которые включают однопозиционные автоматические машины или автоматизированные кокильные рабочие ячейки. Использование роботов позволяет свести участие человека в производстве литья в кокиль, только к транспортировке готового металла к раздаточной печи автоматизированной кокильной ячейки.

Производители кокильного литья

Материалы для производства кокильного литья

Оборудование для производства кокильного литья

Литература

  1. Энциклопедия неорганических материалов. В 2-х томах, том 1. Киев, «Высшая школа», 1977 г.
  2. Могилёв В.К., Лев О.И. Справочник литейщика. М.: Машиностроение, 1988. – 272 с.
  3. Справочник по чугунному литью./Под редакцией д.т.н. Н.Г. Гиршовича. – 3-е изд. перераб. и дополн. Л.: Машиностроение, 1978 – 758 с.
  4. Справочник литейщика: Справочник для профессионального обучения рабочих на производстве. / Могилев В. К. – М: Машиностроение, 1988. – 272 с.
  5. Сафронов В.Я. Справочник по литейному оборудованию. М.: Машиностроение, 1985, — 320 с., ил.
  6. Ю.А. Степанов, Г.Ф. Баландин, В.А. Рыбкин «Технология литейного производства: Специальные виды литья»; под ред. Ю.А. Степанова. — М.: Машиностроение, 1983. — 287 с.
  7. Липицкий А.М. Справочная книга рабочего-литейщика. Л.: Лениздат, 1980. — 240 с., ил.

Статьи по теме