Алюминий и его сплавы, особенности получения отливок

      Для уменьшения скорости движения расплава при входе в полость литейной формы и лучшего отделения  взвешенных в нем оксидных плен и  шлаковых включений в литниковые системы вводят дополнительные гидравлические сопротивления — устанавливают  сетки (металлические или из стеклоткани)  или ведут заливку через зернистые  фильтры.

      Литники (питатели), как правило, подводят к  тонким сечениям (стенкам) отливок рассредоточено по периметру с учетом удобств, их последующего отделения при обработке. Подвод металла в массивные узлы недопустим, так как вызывает образование в них усадочных раковин, повышенной шероховатости и усадочных «провалов» на поверхности отливок. В сечении литниковые каналы чаще всего имеют прямоугольную форму с размером широкой стороны 15—20 мм, а узкой 5—7 мм.

      Сплавы  с узким интервалом кристаллизации (АЛ2, АЛ4, АЛ), АЛ34, АК9, АЛ25, АЛЗО) предрасположены  к образованию концентрированных  усадочных раковин в тепловых узлах отливок. Для выведения  этих раковин за пределы отливок  широко используют установку массивных  прибылей. Для тонкостенных (4—5 мм) и мелких отливок масса прибыли  в 2—3 раза превышает массу отливок, для толстостенных—до 1,5 раз. Высоту прибыли выбирают в зависимости  от высоты отливки. При высоте менее 150 мм высоту прибыли H-приб. принимают равной высоте отливки Нотл. Для более высоких отливок отношение Нприб/Нотл принимают равным 0,3 0,5.

      Наибольшее  применение при литье алюминиевых  сплавов находят верхние открытые прибыли круглого или овального  сечения; боковые прибыли в большинстве  случаев делают закрытыми. Для повышения  эффективности работы прибылей их утепляют, заполняют горячим металлом, доливают. Утепление обычно осуществляют наклейкой  на поверхность формы листового  асбеста с последующей подсушкой  газовым пламенем. Сплавы с широким  интервалом кристаллизации (АЛ1, АЛ7, АЛ8, АЛ19, АЛЗЗ) склонны к образованию  рассеянной усадочной пористости. Пропитка усадочных пор при помощи прибылей малоэффективна. Поэтому при изготовлении отливок из перечисленных сплавов  не рекомендуется применять установку  массивных прибылей. Для получения  высококачественных отливок осуществляют направленную кристаллизацию, широко используя для этой цели установку  холодильников из чугуна и алюминиевых  сплавов. Оптимальные условия для  направленной кристаллизации создает  вертикально-щелевая литниковая система. Для предотвращения газовыделения  при кристаллизации и предупреждения образования газо-усадочной пористости в толстостенных отливках широко используют кристаллизацию под давлением 0,4—0,5 МПа. Для этого литейные формы  перед заливкой помещают в автоклавы, заливают их металлом и кристаллизуют  отливки под давлением воздуха.  Для изготовления крупногабаритных (высотой до 2—3 м) тонкостенных отливок используют метод литья с последовательно направленным затвердеванием. Сущность метода состоит в последовательной кристаллизации отливки снизу вверх. Для этого литейную форму устанавливают на стол гидравлического подъемника и внутрь ее опускают нагретые до 500—700°С металлические трубки диаметром 12—20 мм, выполняющие функцию стояков. Трубки неподвижно закрепляют в литниковой чаше и закрывают отверстия в них стопорами. После заполнения литниковой чаши расплавом стопоры поднимают, и сплав по трубкам поступает в литниковые колодцы, соединенные с полостью литейной формы щелевыми литниками (питателями). После того как уровень расплава в колодцах поднимается на 20—30 мм выше нижнего конца трубок, включают механизм опускания гидравлического стола. Скорость опускания принимают такой, чтобы заполнение формы осуществлялось под затопленный уровень и горячий металл непрерывно поступал в верхние части формы. Это обеспечивает направленное затвердевание и позволяет получать сложные отливки без усадочных дефектов.

      Заливку песчаных форм металлом ведут из ковшей, футерованных огнеупорным материалом. Перед заполнением металлом ковши  со свежей футеровкой сушат и прокаливают при 780—800°С для удаления влаги. Температуру расплава перед заливкой поддерживаю на уровне 720—780 °С. Формы для тонкостенных отливок заполняют расплавами, нагретыми до 730—750 °С, а для толстостенных до 700—720 °С.

5.2. Литье в гипсовые формы

      Литье в гипсовые формы применяют в  тех случаях, когда к отливкам предъявляются повышенные требования по точности, чистоте поверхности  и воспроизведению мельчайших деталей  рельефа. По сравнению с песчаными, гипсовые формы обладают более высокой прочностью, точностью размеров, лучше противостоят воздействию высоких температур, позволяют получать отливки сложной конфигурации с толщиной стенок 1,5 мм по 5—6-му классу точности. Формы изготавливают по восковым или металлическим (латунь, сталь) хромированным моделям. Модельные плиты выполняют из алюминиевых сплавов. Для облегчения удаления моделей из форм поверхность их покрывают тонким слоем керосиново-стеариновой смазки.

      Мелкие  и средние формы для сложных  тонкостенных отливок изготавливают  из смеси, состоящей из 80% гипса, 20% кварцевого песка или асбеста и 60—70% воды (от массы сухой смеси). Состав смеси для средних и крупных форм: 30 % гипса, 60 % песка, 10% асбеста, 40—50 % воды. Для замедления схватывания в смесь вводят 1—2 % гашеной извести. Необходимая прочность форм достигается за счет гидратации безводного или полуводного гипса. Для снижения прочности и увеличения газопроницаемости сырые гипсовые формы подвергают гидротермической обработке — выдерживают в автоклаве в течение 6—10 ч под давлением водяного пара 0,13—0,14 МПа, а затем в течение суток на воздухе. После этого формы подвергают ступенчатой сушке при 350-500 °С.

      Особенностью  гипсовых форм является их низкая теплопроводность. Это обстоятельство затрудняет получение  плотных отливок из алюминиевых  сплавов с широким интервалом кристаллизации. Поэтому основной задачей  при разработке литниково-прибыльной системы для гипсовых форм является предотвращение образования усадочных  раковин, рыхлот, оксидных плен, горячих  трещин и недоливов тонких стенок. Это достигается применением  расширяющихся литниковых систем, обеспечивающих низкую скорость движения расплавов  в полости формы, направленным затвердеванием тепловых узлов в сторону прибылей с помощью холодильников, увеличением  податливости форм за счет повышения  содержания кварцевого песка в смеси. Заливку тонкостенных отливок ведут  в нагретые до 100—200°С формы методом  вакуумного всасывания, что позволяет  заполнять полости толщиной до 0,2 мм. Толстостенные (более 10 мм) отливки  получают заливкой форм в автоклавах. Кристаллизация металла в этом случае ведется под давлением 0,4—0,5 МПа.

      5.3. Литье в оболочковые формы

      Литье в оболочковые формы целесообразно  применять при серийном и крупносерийном производстве отливок ограниченных размеров с повышенной чистотой поверхности, большей размерной точностью  и меньшим объемом механической обработки, чем при литье в  песчаные формы.

      Оболочковые формы изготавливают по горячей (250—300 °С) металлической (сталь, чугун) оснастке бункерным способом. Модельную  оснастку выполняют по 4—5-му классам  точности с формовочными уклонами от 0,5 до 1,5 %. Оболочки делают двухслойными: первый слой из смеси с 6—10 % термореактивной  смолы, второй из смеси с 2 % смолы. Для лучшего съема оболочки модельную плиту перед засыпкой формовочной смеси покрывают тонким слоем разделительной эмульсии (5 % силиконовой жидкости № 5; 3 % хозяйственного мыла; 92 % воды).

      Для изготовления оболочковых форм применяют  мелкозернистые кварцевые пески, содержащие не менее 96 % кремнезема. Соединение полуформ осуществляют склеиванием на специальных  штыревых прессах. Состав клея: 40 % смолы  МФ17; 60 % маршалита и 1,5 % хлористого алюминия (катализатор твердения). Заливку  собранных форм производят в контейнерах. При литье в оболочковые формы  применяют такие же литниковые системы  и температурные режимы, как и  при литье в песчаные формы.

      Малая скорость кристаллизации металла в  оболочковых формах и меньшие  возможности для создания направленной кристаллизации обусловливают получение  отливок с более низкими свойствами, чем при литье в сырые песчаные формы.

      5.4. Литье по выплавляемым моделям

      Литье по выплавляемым моделям применяют  для изготовления отливок повышенной точности (3—5-ый класс) и чистоты поверхности (4—6-й класс шероховатости), для которых этот способ является единственно возможным или оптимальным.

      Модели  в большинстве случаев изготавливают  из пастообразных парафиностеариновых (1: 1) составов запрессовкой в металлические пресс-формы (литые и сборные) на стационарных или карусельных установках. При изготовлении сложных отливок размерами более 200 мм во избежание деформации моделей в состав модельной массы вводят вещества, повышающие температуру их размягчения (оплавления).                                                     

      В качестве огнеупорного покрытия при  изготовлении керамических форм используют суспензию из гидролизованного этилсиликата (30—-40 %) и пылевидного кварца (70—60 %).  Обсыпку модельных блоков ведут  прокаленным песком 1КО16А или 1К025А. Каждый слой покрытия сушат на воздухе  в течение 10—12 ч или в атмосфере, содержащей пары аммиака. Необходимая  прочность керамической формы достигается  при толщине оболочки 4—6 мм (4—6 слоев  огнеупорного покрытия). Для обеспечения  спокойного заполнения формы применяют  расширяющиеся литниковые системы  с подводом металла к толстым  сечениям и массивным узлам. Питание  отливок осуществляют обычно от массивного стояка через утолщенные литники (питатели). Для сложных отливок допускается  применение массивных прибылей для  питания верхних массивных узлов  с обязательным заполнением их из стояка.

      Выплавление моделей из форм осуществляют в горячей (85-90°С) воде, подкисленной соляной кислотой (0,5—1 см3 на литр воды) для предотвращения омыления стеарина. После выплавления моделей керамические формы просушивают при 150—170 °С в течение 1—2 ч, устанавливают в контейнеры, засыпают сухим наполнителем и прокаливают при 600—700 °С в течение 5—8ч. Заливку ведут в холодные и нагретые формы. Температура нагрева (50-300 °С) форм определяется толщиной стенок отливки. Заполнение форм металлом осуществляют обычным способом, а также с использованием вакуума или центробежной силы. Большинство алюминиевых сплавов перед заливкой нагревают до 720—750 °С.

     5.5. Литье в кокиль

      Литье в кокиль — основной способ серийного  и массового производства отливок  из алюминиевых сплавов, позволяющий  получать отливки 4—6-го классов точности с шероховатостью поверхности Rz = 50-20 и минимальной толщиной стенок 3—4 мм. При литье в кокиль наряду с дефектами, обусловленными высокими скоростями движения расплава в полости  литейной формы и несоблюдением  требований направленного затвердевания (газовая пористость, оксидные плены, усадочная рыхлота), основными видами брака отливок являются недоливы и трещины. Появление трещин вызывается затрудненной усадкой. Особенно часто  трещины возникают в отливках из сплавов с широким интервалом кристаллизации, имеющих большую  линейную усадку (1,25—1,35 %). Предотвращение образования указанных дефектов достигается различными технологическими приемами.

      Для того чтобы обеспечить плавное, спокойное  поступление металла в полость  литейной формы, надежное отделение  шлака и оксидных плен, образовавшихся в металле в процессе плавки и  движения по литниковым каналам, и предотвращение их образования в литейной форме, при литье в кокиль применяют расширяющиеся литниковые системы с нижним, щелевым и многоярусным подводом металла к тонким сечениям отливок. В случае подвода металла к толстым сечениям должна быть предусмотрена подпитка места подвода установкой питающей бобышки (прибыли). Все элементы литниковых систем располагают по разъему кокиля. Рекомендуются следующие соотношения площадей сечения литниковых каналов: для мелких отливок EFст: EFшл: EFпит = 1: 2: 3; для крупных отливок EFст: EFшл: EFпит = 1: 3: 6.

      Для снижения скорости поступления расплава в полость формы применяют  изогнутые стояки, сетки из стеклоткани  или металла, зернистые фильтры. Качество отливок из алюминиевых сплавов зависит от скорости подъема расплава в полости литейной формы. Эта скорость должна быть, достаточной для гарантированного заполнения тонких сечений отливок в условиях повышенного теплоотвода и в то же время не вызвать недоливов, обусловленных неполным выходом воздуха и газов через вентиляционные каналы и прибыли, завихрений и фонтанирования расплава при переходе из узких сечений в широкие. Скорость подъема металла в полости формы при литье в кокиль принимают несколько большей, чем при литье в песчаные формы. Минимально допустимую скорость подъема рассчитывают по формулам А. А. Лебедева и Н. М. Галдина (см. раздел 5.1, «Литье в песчаные формы»).

      Для получения плотных отливок создают, так же как и при литье в  песчаные формы, направленное затвердевание  путем надлежащего расположения отливки в форме и регулирования  теплоотвода. Как правило, массивные (толстые) узлы отливок располагают  в верхней части кокиля. Это  дает возможность компенсировать сокращение их объема при затвердевании непосредственно  из прибылей, установленных над ними. Регулирование интенсивности теплоотвода  с целью создания направленного  затвердевания осуществляют охлаждением  или утеплением различных участков литейной формы. Для местного увеличения теплоотвода широко используют вставки  из теплопроводной меди, предусматривают  увеличение поверхности охлаждения кокиля за, счет оребрения, осуществляют локальное охлаждение кокилей сжатым воздухом или водой. Для снижения интенсивности теплоотвода на рабочую  поверхность кокиля наносят слой краски толщиной 0,1—0,5 мм. На поверхность  литниковых каналов и прибылей для  этой цели наносят слой краски толщиной 1-1,5 мм. Замедление охлаждения металла  в прибылях может быть достигнуто также за счет местного утолщения  стенок кокиля, применения различных  малотеплопроводных обмазок и утепления  прибылей наклейкой асбеста. Окраска  рабочей поверхности кокиля улучшает внешний вид отливок, способствует устранению газовых раковин на их поверхности и повышает стойкость  кокилей. Перед окраской кокили подогревают  до 100—120 °С.   Излишне высокая  температура нагрева нежелательна, так как при этом снижаются  скорость затвердевания отливок  и длительность срока службы кокиля. Нагрев уменьшает перепад температур между отливкой и формой и расширение формы за счет прогрева ее металлом отливки. В результате этого в  отливке уменьшаются растягивающие  напряжения, вызывающие появление трещин. Однако одного только подогрева формы  недостаточно, чтобы устранить возможность  возникновения трещин. Необходимо своевременное  извлечение отливки из формы. Удалять  отливку из кокиля следует раньше того момента, когда температура  ее сравняется с температурой кокиля, а усадочные напряжения достигнут  наибольшей величины. Обычно отливку  извлекают в тот момент, когда  она окрепнет настолько, что ее можно  перемещать без разрушения (450—500 °С). К этому моменту литниковая система  еще не приобретает достаточной  прочности и разрушается при  легких ударах. Длительность выдержки отливки в форме определяется скоростью затвердевания и зависит  от температуры металла, температуры  формы и скорости заливки. Алюминиевые  сплавы в зависимости от состава  и сложности конфигурации отливок  заливают в кокили при 680—750 °С. Весовая  скорость заливки составляет 0,15—3 кг/с. Отливки с, тонкими стенками заливают с большими скоростями, чем с толстыми.