ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОТЛИВОК В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ФОРМАХ ПОД ВЫСОКИМ ДАВЛЕНИЕМ

Если в металлическую форму, которая носит специальное название - пресс-форма, подать расплав под высоким давлением до 490 МПа и поддерживать его до полной кристаллизации отливки, то получим процесс литья под высоким давлением. Давление обеспечивает быстрое и хорошее заполнение формы и высокую точность отливок. Принудительное питание отливок жидким металлом уменьшает возможность образования усадочных раковин и пористости и не требует установки прибыли. Ускоренная кристаллизация металла в металлической пресс-форме под давлением обусловливает образование мелкозернистой структуры отливки, которые часто не имеют припусков на механическую обработку и после удаления из формы являются практически готовыми деталями (после отделения остатков питателей и заливов). Шероховатость поверхности отливки зависит в основном от шероховатости поверхности пресс-формы и технологических режимов литья и составляет R_z=20 … 10 мкм. Этим способом можно получать отливки из алюминиевых, цинковых, магниевых и медных сплавов массой до 50 кг, с толщиной стенки менее 1 мм значительной площади и отверстиями более Æ1 мм. Реже получают отливки из стали. Из-за высокой стоимости пресс-формы применяют только в массовом или крупносерийном производстве.

Быстрое заполнение пресс-формы (менее 1 с) и кристаллизация сплава нередко приводят к наличию в отливках газо-воздушной и часто усадочной пористости, что снижает пластические характеристики металла отливок, их герметичность, затрудняет термическую обработку, так как при нагреве отливки газы расширяются, отливка коробится и на ее поверхности появляются пузыри. Кроме того, габаритные размеры и масса отливок ограничены мощностью машины (усилием, развиваемым механизмом запирания). При литье под давлением применяют обычно пресс-формы с вертикальным разъемом, устанавливаемые на специальных машинах, в которых давление на расплав создается поршнем.

Поршневые машины выпускают с горячей (рис. 2.46, в) или холодной камерой сжатия (рис. 2.46, а, б), расположенной горизонтально (рис. 2.46, б) или вертикально (рис. 2.46, а). Горячая камера находится непосредственно в расплаве с низкой температурой плавления (менее 500 °С) на основе цинка, олова или свинца. Холодная камера вынесена за пределы расплава с повышенной температурой плавления (более 500 °С) на основе алюминия, меди, магния. На машинах с вертикальной холодной камерой сжатия расплав заливают в камеру сжатия. Верхний поршень, опускаясь, давит на расплав и на нижний поршень, который при движении вниз открывает литниковый канал (рис. 2.46, а). Расплав заполняет полость пресс-формы, состоящей из двух половинок. Объём расплава должен быть больше полости формы, чтобы между верхним и нижним поршнем создавался его избыток. Давление
верхнего поршня поддерживают до полной кристаллизации отливки, после чего пресс-форму раскрывают и отливку вместе с литником выталкивают из формы толкателями. Нижний поршень выталкивает наружу избыток металла и его отправляют в переплав. Все операции в случае горизонтальной холодной камеры аналогичны, в ней применяют только один поршень.

В случае горячей камеры сжатия чугунный тигель с расплавом подогревают (например, с помощью газовой форсунки) (рис. 2.46, в). Перед заполнением пресс-формы ее закрывают и мундштук тигля соединяется с литниковым каналом пресс-формы. При верхнем положении поршня через отверстия сплав заполняет камеру сжатия. При движении вниз поршень запрессовывает расплав в полость формы. После затвердения металла давление снимают, поршень движется вверх, форму раскрывают и отливку выталкивают толкателем. Применение горячей камеры обеспечивает повышение производительности и понижает расход металла на отливку. Однако приводит к быстрому изнашиванию поршня из-за его постоянного взаимодействия с расплавом. В холодной же камере износ поршня гораздо меньше, так как он меньше контактирует с расплавом.

ЛИТЬЁ ВЫЖИМАНИЕМ

При этом способе геометрические размеры полости формы изменяются по мере заполнения расплавом и затвердевания отливки. Это позволяет уменьшить потери теплоты расплавом, улучшить заполнение формы расплавом, осуществить компенсацию усадки отливки путем уменьшения ее объема при кристаллизации, практически устранить расход металла на литниковую систему. Процесс осуществляется по следующим основным схемам: 1) поворотом подвижной полуформы или полуформ вокруг неподвижной оси (рис. 2.47, а); 2) плоскопараллельным перемещением одной или двух подвижных полуформ (рис. 2.47, б); 3) давлением плоского поршня на свободную поверхность расплава без внедрения поршня в расплав (рис. 2.47, в);4)внедрением поршня в расплав, находящийся в форме (рис. 2.47, г, д).

Изготовление отливки по первым двум схемам практически одинаково. После подготовки и сборки формы заливают расплав в ее нижнюю часть, затем подвижную полуформу поворачивают и расплав поднимается в форме, заполняя полость между полуформами и боковыми стенками, закрывающими форму с торцов. В начальный момент сближения полуформ поверхность объема расплава такова, что потери тепла в форме минимальны. После сближения полуформ расстояние между ними равно толщине тела отливки. Излишек расплава сливается в ковш, предварительно нагрев форму. После затвердевания отливки подвижную полуформу возвращают в исходное положение и отливка извлекается из формы. Так получают тонкостенные (до 2 мм) панели размером до 1´3 м из алюминиевых и магниевых сплавов. Плоскопараллельное перемещение полуформ применяют для отливок типа оболочек. Чаще применяют металлические формы, но могут быть и другие, которые, однако, должны быть довольно точными.

Изготовление отливок по двум другим схемам применяют для отливок с меньшими габаритами из различных сплавов. Эти процессы позволяют существенно компенсировать усадку расплава при кристаллизации благодаря уменьшению объема полости формы. Отмеренную дозу расплава заливают в неразъемную или разъемную металлическую

форму и воздействуют на него поршнем, создавая давление до 30 МПа и более. Если поршень плоский и не внедряется в расплав, то происходит только кристаллизация отливки под давлением, когда затвердевающая корочка отливки деформируется, при этом уменьшается объем полости формы и отливки, а расплав поступает в образующиеся усадочные поры и рыхлоты. Это позволяет получать плотную, без усадочных дефектов отливку, не уступающую по механическим свойствам поковкам. Если поршень (пуансон) погружается в расплав, то расплав заливают в форму только до определенного уровня, а пуансон при погружении выжимает расплав во всю полость формы. Давление на пуансон используется для заполнения формы и уплотнения кристаллизующейся отливки. Эта разновидность литья выжиманием называется еще жидкой штамповкой или штамповкой из расплава. В отличие от литья под давлением здесь меньше замешивание воздуха в расплав.

НЕПРЕРЫВНОЕ ЛИТЬЁ

Процесс непрерывного литья осуществляется следующим образом: расплав из ковша равномерно и непрерывно поступает в охлаждаемую металлическую форму-кристаллизатор (рис. 2.48). Частично затвердевшая часть отливки постоянного сечения непрерывно извлекается валками или иными устройствами. Если требуется, отливка разрезается на заготовки пилой. В разных зонах кристаллизатора одновременно проходят все последовательные стадии охлаждения и затвердевания расплава. Высокая интенсивность охлаждения расплава способствует его направленной кристаллизации, уменьшению ликвационной неоднородности, неметаллических и газовых включений, а непрерывная подача расплава в верхнюю часть кристаллизующейся отливки - постоянному питанию фронта растущих кристаллов, устранению усадочных раковин, рыхлот и пористости. Легко видеть, что этот способ исключает литниковую систему, что повышает выход годных отливок. Однако, он не позволяет получать отливки сложной конфигурации.

ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЕ ЛИТЬЁ

При нем отливку получают в металлической водоохлаждаемой форме-кристаллизаторе путём электрошлакового переплава расходуемого электрода, имеющего одинаковый с отливкой химический состав (рис. 2.49).

При этом форма является одновременно и плавильным агрегатом. Источником теплоты при этом является шлаковая ванна, нагревающаяся при прохождении через нее электрического тока J, в соответствии с законом Джоуля-Ленца Q=J²·R·t, где t - время процесса; R - электрическое сопротивление шлака, которое больше, чем у металла.

В начале процесса в водоохлаждаемый медный кристаллизатор заливают предварительно расплавленный шлак специального состава. Электрический ток подводится к переплавляемым электродам и постоянному электроду, расположенному в нижней части кристаллизатора. Ток, проходя через шлаковую ванну, нагревает еë до 1700 °С и более. Поэтому погруженные в неë концы электродов оплавляются. Капли расплавленного металла проходят через ванну шлака, собираются в зоне кристаллизации, образуя под слоем шлака металлическую ванну. Эта ванна последовательно затвердевает в нижней части из-за отвода тепла через стенки кристаллизатора. Водоохлаждаемый металлический стержень, образующий полость в отливке, постепенно поднимается вверх. Направленная кристаллизация под слоем шлака при высокой интенсивности охлаждения способствует удалению из расплава неметаллических включений и газов, получению плотного однородного кристаллического строения отливки. По механическим свойствам такие отливки не уступают поковкам. Этим методом получают крупные отливки корпусов атомных реакторов, трубы, коленчатые валы судовых дизелей, прокатные валки и др.