: Специальные виды литья. Литье под давлением

Московский Государственный Авиационный Технологический Университет

имени К.Э.Циолковского

Кафедра: Технология литейного производства

Литье под регулируемым давлением

Студент группы 1МТСВ-3-8 Мошкин Ю.Б.

Преподаватель Бобрышев Б.Л.

Москва, 1995 год.

К литью под регулируемым давлением относят способы литья, сущность которых

заключается в том, что заполнение полости формы расплавим и затвердевание

отливки происходит под действием избыточного давления воздуха или газа.

Литье под регулируемым давлением создает широкие возможности для управления

заполнением формы расплавим. Если внутрь герметичной камеры а подавать сжатый

воздух или газ под давлением Ризб>Ратм, то за счет разницы давлений расплав

поднимется по металлопроводу 1 и заполнит форму 2 до уровня, соответствующего

H=(pизб-pатм)/r. Такой способ заполнения называют

литьем под низким давлением. Термин "низкое давление" используется потому,

что для подъема расплава и заполнения формы требуемое избыточное давление менее

0.1 МПа.

Если в герметичной камере б установок создавать вакуум, а в камере а давление

поддерживать равное атмосферному, то заполнение формы произойдет за счет

разницы давлений Ратм-Р. Такой способ заполнения называют литьем вакуумным

всасыванием.

Используя схему установки аналогичную данной можно осуществить заполнение формы

иначе. Положим, что в камерах а и б вначале создано одинаковое, но больше

атмосферного давление воздуха или газа Рк>Ратм. Затем подача воздуха в

камеру б прекращается, а в камеру а продолжается; давление в камере а

повышается до Рк+DР. Тогда металл будет подниматься по металлопроводу

вследствие разницы давлений Ра-Рб, т.е. аналогично тому, как и при литье под

низким давлением. Того же результата можно достичь, если понижать давление в

камере б, оставляя постоянным давление в камере а. Такие процессы называют

литьем под низким давлением с противодавлением.

Установки для литья под регулируемым давлением - сложные динамические

системы, позволяющие в широких пределах регулировать скорость заполнения

формы расплавим. Использование таких установок позволяет заполнить формы

тонкостенных 9600 оливок, изменить продолжительность заполнения отдельных

участков формы отливок сложной конфигурации с переменной толщиной стенки с

целью управления процессом теплообмена расплава и формы, добиваясь

рациональной последовательности затвердевания отдельных частей отливки.

Приложение давления на затвердевающий расплав позволяет улучшить условия

питания, усадки отливки, повысить ее качество - механические свойства и

герметичность. В рассматриваемых процессах после заполнения формы давление

действует на расплав, который из тигля через металлопровод поступает в

затвердевающую отливку и питает ее. Благодаря этому усадочная пористость в

таких отливках уменьшается, плотность и механические свойства возрастают.

Литье под регулируемым давлением осуществляется на установках так, что

процесс заполнения формы расплавим - самая трудоемкая и неприятная с точки

зрения охраны труда и техники безопасности операция - выполняется

автоматически. Конструкции установок и машин для этих литейных процессов

обеспечивают также автоматизацию операций сборки и раскрытия форм,

выталкивания отливки и ее удаления из формы. Таким образом, процессы литья

под регулируемым давлением позволяют повысить качество отливок и обеспечить

автоматизацию их производства.

В практике наибольшее применение нашли следующие процессы литья под

регулируемым давлением: литье под низким давлением, литье под низким

давлением с противодавлением, литье вакуумным всасыванием, литье вакуумным

всасыванием с кристаллизацией под давлением (вакуумно - компрессионное

литье).

Литье под низким давлением

Тигель с расплавим в раздаточной печи (камере) установки герметично закрывают

крышкой в которой установлен металопровод, изготовленный из жаростойкого

материала. Металлопровод погружают в расплав так, что конец его не достает до

конца тигля на 40-60 мм. Форму установленную на крышке, соединяют с

металопроводом литниковой втулки. Полость в отливке может быть выполнена

металлическим, оболочковым или песчаным стержнем.

Воздух или инертный газ под давлением до 0.1МПа через систему регулирования

поступает по трубопроводу внутрь камеры установки и атмосферным давлением

расплав поступает в форму снизу через металопровод, литник и коллектор со

скоростью, регулируемой давлением в камере установки. По окончании заполнения

формы и затвердевания отливки автоматически открывается клапан, соединяющий

камеру установки с атмосферой. Давление воздуха в камере снижается до

атмосферного и незатвердевший расплав из металопровода сливается в тигель.

После этого форма раскрывается, отливка извлекается и цикл повторяется.

Основными преимуществами процесса литья под низким давлением являются:

автоматизация трудоемкой операции заливки формы; возможность регулирования

скорости потока расплава в полости формы изменением давления в камере

установки; улучшение питания отливки; снижение расхода металла на литниковую

систему.

Основные недостатки невысокая стойкость части металлопровода, погруженной

в расплав, что затрудняет использование способа литья для сплавов с высокой

температурой плавления; сложность системы регулирования скорости потока

расплава в форме, вызванная динамическими процессами, происходящими в установке

при заполнении ее камеры воздухом, нестабильностью утечек воздуха через

уплотнения, понижением уровня расплава в установке по мере изготовления

отливок; возможность ухудшения качества сплава при длительной выдержке в тигле

установки; сложность эксплуатации и наладки установок.

Преимущества и недостатки способа определяют рациональную область его

применения и перспективы использования. Литье под низким давлением наиболее

широко применяют для изготовления сложных фасонных и особенно тонкостенных

отливок из алюминиевых и магниевых сплавов, простых отливок из медных сплавов

и сталей в серийном и массовом производстве.

Особенности формирования отливки при литье под низким давлением.

Заполнение форм расплавим при этом способе литья может осуществлятся со

скоростями потока, которые можно регулировать в широком диапазоне. Для

получения качественных отливок предпочтительно заполнять форму сплошным

потоком, при скоростях, обеспечивающих качественное заполнение формы и

исключающих захват воздуха расплавим, образование в отливках газовых раковин,

попадание в них окисных пленок и неметалических включений. Однако уменьшение

скорости потока, необходимое для сохранения его сплошности может вызвать

преждевременное охлаждение и затвердевание расплава, т.е. до полного заполнения

формы. Поэтому, как и в других литейных процессах, важно согласовывать

гидравлические и тепловые режимы заполнения формы рассплавом.

В зависимости от сочетания конструктивных и пневматических параметров

установки движение расплава в металлопроводе и литейной форме при заполнении

может происходить как при возрастающей скорости потока, так и при

колебательном ее изменении. Колебательный характер изменения скорости

отрицательно влияет на качество отливок, поэтому конструкция установки и

режим работы ее пневмосистемы, а также конструкция вентиляционной системы

формы должны способствовать гашению колебаний скорости.

Основными конструктивными параметрами установки являются: объем рабочего

пространства камеры, площадь поперечного сечения отверстия металлопровода,

площадь зеркала расплава в тигле.

Увеличение объема рабочего пространства камеры установки увеличивает скорость

потока, способствует гашению колебаний, но полностью их не исключает.

Уменьшение площади сечения отверстия металлопровода в установках с объемом

рабочего пространства менее 0.07 м3 приводит к резкому гашению

колебаний и увеличению скорости течения расплава, в установках с объемом

рабочего пространства более 0.4 м3 увеличение площади сечения

отверстия металлопровода не влияет на характер движения потока и скорость

расплава на входе в форму.

Увеличение площади зеркала расплава в тигле при условии постоянства массы

расплава в нем способствует спокойному заполнению. Поэтому установки с тиглем

ванного типа, в которых зеркало расплава достаточно велико, более

предпочтительны, так как обеспечивают устойчивый режим работы.

Увеличение гидравлического сопротивления на входе расплава в металлопровод

приводит к снижению ускорения расплава в начале заполнения и гасит

возникающие колебания.

Важное значение для обеспечения постоянства заданной скорости от заливке к

заливке, т.е. по мере понижения уровня расплава в тигле, имеет система

управления подачей воздуха в камеру установки. Системы регулирования по

величине давления целесообразно использовать только в установках ванного

типа. При этом точность регулирования должна быть в пределах 0.01-0.05МПа;

это обеспечивает поддержание скорости заливки с погрешностью 10-15%. Для

установок ванного типа используют дроссельные системы регулирования.

Конструкция полости формы и конструкция ее вентиляционной системы также

оказывают влияние на характер движения расплава в полости формы. При заполнении

форм сложных отливок с ребрами, бобышками создаются условия для захвата воздуха

потоком расплава. Гидравлическое сопротивление полости формы оказывает

существенное влияние на характер движения потока. Конструкция вентиляционной

системывлияет на характер движения потокарасплава в полости формы и

металлопроводе. Уменьшение площади вентиляционных каналов приводит к

возрастанию противодавления воздуха в полости формы, способствует гашению

колебаний и снижает скорость потока расплава.

Тепловые условия формирования отливки создают возможность направленного

затвердевания отливки и питания ее усадки. Части формы, расположенные на

верхней плите рабочей камеры установки нагреваются до температуры большей, чем

верхняя часть формы. Кроме того, через нижние сечения полости формы,

расположенные ближе к металлопроводу, проходит большее количество расплава, чем

через сечения, расположенные в верхней части, что существенно увеличивает

разницу температур в нижней и верхней частях отливки. Поэтому массивные части

отливки, требующие питания, располагают внизу формы, соединяют их массивными

литниками с металлопроводом; вверху же формы располагают части отливки, не

требующие питания.

Статическое давление на расплав по окончании заполнения формы улучшает

контакт затвердевающей корочки и поверхности формы, вследствие чего

увеличивается скорость затвердевания отливки. Вместе с тем давление воздуха на

расплав в тигле способствует постоянной подпитке усаживающейся отливки, в

результате чего уменьшается усадочная пористость, возрастает плотность и

повышаются механические свойства отливки.

Избыточное давление в потоке расплава при заполнении формы больше, чем при

гравитационной заливке, и гидравлический удар, который может возникнуть при

окончании заполнения формы, приводит к прониканию расплава в поры песчаного

стержня, появлению механического пригара на отливках.

При литье под низким давлением стремятся заполнить форму расплавим с возможно

меньшим перегревом, достаточным для хорошего заполнения формы. С уменьшением

толщины стенки отливки и увеличением ее размеров температуру заливки

принимают большей. Литниковые системы конструируют с учетом литейных свойств

сплава и конструкции отливки. Для отливок простой конфигурации литниковая

система может состоять из одного литника, непосредственно примыкающего к

массивной части, для более сложных тонкостенных отливок - из литника,

литниковых ходов, коллектора и питателей.

Литье с противодавлением

Развитие литья под низким давлением является литье с противодавлением.

Установка для литья с противодавлением состоит из двух камер. В камере,

устройство которой подобно герметической камере установки литья под низким

давлением, располагается тигель с расплавим. В камере находится форма, обычно

металлическая. Камеры разделны герметичной крышкой, через нее проходит

металлопровод, соединяющий тигель и форму. Эти камеры прочно соединены друг с

другом зажимами.

Давление воздуха, под которым происходит заполнение формы расплавим, будет

будет соответственно равно разнице давлений в нижней Ра и верхней Рб камерах

установки: DР=Ра-Рб. Скорость подъема расплава в металлопроводе и полости

формы так же, как и при литье под низким давлением, будет зависеть от всей

совокупности рассмотренных выше конструктивных и пневматических характеристик

системы, определяющих скорость нарастания разницы давлений DР, во время

работы установки.

Литье с противодавлением позволяет уменьшить выделение газов из расплава,

улучшить питание отливок и вследствие этого повысить их герметичность, а

также механические свойства. Этот способ литья дает наибольший эффект при

изготовлении отливок с массивными стенками равномерной толщины из алюминиевых

и магниевых сплавов, кристаллизующихся в широком интервале температур.

Использование второй стадии процесса - кристаллизации под всесторонним

избыточным давлением для тонкостенных отливок не всегда приводит к заметному

улучшению свойств. Это объясняется тем, что продолжительность кристаллизации

тонкостенных отливок мала и отливка затвердевает прежде, чем давление в

верхней камере установки достигнет необходимой величины.

Литье вакуумным всасыванием

Сущность процесса литья вакуумным всасыванием состоит в том, что расплав под

действием разряжения, создаваемого в полости формы, заполняет ее и

затвердевает, образуя отливку. Изменением разности между атмосферным

давлением и давлением в полости формы можно регулировать скорость заполнения

формы расплавим, управляя этим процессом. Вакуумирование полости форм при

заливке позволяет заполнить формы тонкостенных отливок с толщиной стенки 1-

1.5 мм, исключить попадание воздуха в расплав, повысить точность, и

механические свойства отливок.

В производстве используют установки двух основных разновидностей.

Установки первого типа имеют две камеры: нижнюю и верхнюю. Нижняя камера

представляет собой раздаточную печь с электрическим или газовым обогревом, в

которой располагается тигель с расплавим. Верхняя камера расположена на крышке

нижней камеры, в крышке установлен металлопровод. Форму устанавливают и

закрепляют в камере так, чтобы литник соединялся прижимами с крышкой. Полость

верхней камеры через вакуум-привод соединена с ресивером, в котором насосом

создается разряжение, регулируемое системой управления. В начальный момент

клапан управления открывается, в верхней камере создается разряжение, и расплав

вследствие разницы давлений в камерах по металлопроводу поднимается и заполняет

полость формы. После затвердевания отливки клапан системы управления соединяет

полость верхней камеры с атмосферой, давление в обеих камерах становится

одинаковым, а остатки незатвердевшего расплава сливаются из металлопровода в

тигель. Верхняя камера снимается, форма с отливкой извлекается и цикл может

повторятся.

Установки такого типа используют обычно для улучшения заполнения форм

тонкостенных сложных фасонных отливок из алюминиевых и магниевых сплавов с

толщиной стенки 2-2.5мм, а иногда и до 1-1.5мм.

Установки второго типа используют для отливки втулок, слитков и заготовок

простой конфигурации в водоохлаждаемых системах кристаллизаторы. Носок

металлического водоохлаждаемого кристаллизатора погружается в рассплав,

находящийся в тигле раздаточной печи. Рабочая полость кристаллизатора,

оразующая отливку, соединяется вакуумом-проводом с вакуумным ресивером.

Разряжение в системе создается вакуумом-насосом и регулируется натекателем.

Поворотом распределительного крана рабочая полость кристаллизатора соединяется

в вакуумным ресивером. В полости кристаллизатора создается разрежение, и

расплав всасывается внутрь кристаллизатора, поднимаясь на высоту,

пропорциональную разрежению hрт и обратно пропорционально ее плотности. После

затвердевания отливки носок кристаллизатора извлекают из ванны расплава,

поворотом крана, рабочую полость соединяют с атмосферой и отливка выпадает из

кристаллизатора в приемный короб.

Особенности формирования отливки. Форма может заполнятся расплавим с

тебуемой скоростью, плавно, без разбрызгивания, сплошным фронтом; расплав,

заполнивший форму, затвердевает в условиях вакуума; газы, содержащиеся в

расплаве, могут из него выделяться, благодаря чему создаются условия для

получения отливок без газовых раковин и пористости. Для получения плотных

отливок без усадочных дефектов необходимо согласовывать интенсивности

затвердевания и питания отливки.

Обычно при литье вакуумным всасыванием слитков, втулок, расплав засасывают в

тонкостенный металлический водоохлаждаемый катализатор, благодаря чему

отливка отливка затвердевает с высокой скоростью.

Таким способом можно получать тонкостенные отливки типа втулок без стержней. В

этом случае после всасывания расплава в кристаллизатор и намораживания на

внутренних стенках кристализатора корочки твердого металла заданной толщины

вакуум отключается и незатвердевший расплав сливается обратно в тигель. Таким

образом получают плотные заготовки втулок без газовых и усадочных раковин и

пористости. Способ позволяет получать отливки из легких цветных и медных

сплавов, чугуна и стали. Наиболее часто этот способ исползуетсядля литья

заготовок втулок, вкладышей, подшипников скольжения из дорогостоящих медных

сталей. При этом наиболее ярко проявляются основные преимущества

данного способа: спокойное заполнение формы расплавим с регулируемой скоростью,

сокращение расхода металла в следствии устранения литников и прибылей,

автоматизация процесса заполнения формы.