Литье в кокиль: преимущества и недостатки, сфера применения, описание процесса

Что это такое? Литье в кокиль – это способ формирования отливок с использованием многоразовых форм из металла. Готовые изделия имеют высокий уровень точности и отличаются гладкой поверхностью.

Где востребовано? Это весьма распространенная технология, применяемая во многих областях промышленности. Чаще всего посредством кокильного литья делают детали из алюминия, вторым по популярности является чугун, третьей – сталь.

Кокиль для литья и его конструктивные особенности

Кокиль – многоразовая металлическая форма, в которую заливается расплав для придания ему соответствующей конфигурации. Такой способ литья полностью исключает либо минимизирует применение песчаных смесей до количества, необходимого для изготовления разовых стержней. При этой технологии работы с расплавами требуется меньше формовочной смеси, снижаются затраты на их доставку и подготовку.

Преимущества литья в кокиль:

• точность размеров отливок;
• высокая производительность;
• многократное использование форм;
• возможность автоматизации процесса работы с расплавами;
• экономия пространства производственных площадей;
• возможность одновременного использования кокилей и сложных песчаных стержней;
• стабильная плотность и структура отливок;
• отличные механические и эксплуатационные характеристики получаемых заготовок.

Кокили делят на группы в зависимости от:

• плоскости разъема (могут быть горизонтальными, вертикальными и т. п.);
• подготовки рабочей поверхности (без покрытия, с отбеливанием и пр.);
• способа изготовления (выполняют механическую обработку, литье и т. п.);
• применяемых стержней (пользуются металлическими, песчаными и др.).

Конструкция кокиля включает в себя:

• полуформу;
• вентиляционную систему;
• толкатели и контртолкатели;
• стержни.

Материалы для изготовления кокилей

В процессе литья в кокиль расплавленного металла на его рабочую поверхность воздействует высокая температура. При заливке сплава она сначала быстро нагревается, а затем, после извлечения заготовки, быстро остывает. Следовательно, для изготовления форм нужен материал с высокой теплопроводностью, устойчивый к появлению разгарных трещин и короблению. Таким требованиям отвечает серый чугун, реже для изготовления кокилей используют сталь. Чугунные формы имеют минимальные припуски для механической обработки.

Кокили изготавливают из чугуна с перлитно-ферритной структурой, не имеющей следов структурно свободного цементита. В сплаве должно быть не более 5–10 % феррита, 3,4–3,6 % углерода, 0,9–1 % кремния, 0,9–1 % марганца, 0,15 % фосфора, 0,06–0,08 % серы. Для производства основных частей используют типы стали 30ХГСА, 35ХГС, ЭИ69, ЭИ107, для металлических стержней – У7, У10, 30ХГСА.

Этапы литья в кокиль

Технология литья в кокиль состоит из нескольких последовательных этапов:

• Подготовительные работы:

1. очищают поверхности от загрязнений, ржавчины, масел или смазки;
2. нагревают кокиль;
3. обрабатывают форму термоизолирующим составом (асбестом, тальком, карбидом, шамотом) для предотвращения образования раковин, скопления газов, пригара отливки к кокилю (чтобы отлить массивные стальные изделия, используют футерованные формы с защитным покрытием толщиной от 1 см);
4. наносят слой краски, который помогает регулировать скорость охлаждения и затвердевания металла, поскольку слишком быстрое остывание негативно сказывается на качественных характеристиках заготовки.

• Установка стержней и втулок.
• Кокиль закрывают на замки, рычаги, зажимы, другие запорные устройства.
• Заливка расплавленного металла в форму через литник.
• Охлаждение кокиля и отливки до нужной температуры.
• Открытие формы.
• Извлечение из нее заготовки.
• Удаление литников и промывников.

Применение стержней в разъемных кокилях обладает рядом особенностей:

• использование простых стержней в фасонных отливках позволяет получить полости простой формы;
• для придания полостям более сложной конфигурации применяют разъемные механические стержни;
• замкнутые полости получаются при использовании песчаных стержней;
• сложную форму и конфигурацию полостям придают с помощью комбинирования металлических и песчаных стержней.

Литье чугуна в кокиль

На подготовительном этапе литья металла в кокиль стенки формы обрабатывают слоем огнеупорного покрытия и краской. Через каждые 100–200 заливок старый защитный слой снимают и повторяют процедуру. Перед наполнением кокиля расплавленным металлом его нагревают до температуры +200…+250 °C.

Если залить металл в холодную форму, на его поверхности образуются трещины. Если же кокиль нагреть слишком сильно, свыше +400 °C, трещины появятся на его рабочей поверхности. Чтобы чугун не получался белым, внутреннюю поверхность формы обрабатывают ацетиленовым пламенем. Технология предполагает естественное охлаждение формы на воздухе. Соблюдение правил литья в кокиль позволяет отливать до 3 000–5 000 чугунных заготовок.

В кокиль заливают чугунный расплав температурой +1 280…+1 300 °C в зависимости от массы заготовки и толщины ее стенок. Большая часть изделий из чугуна массой до 10 кг и сечением до 12 мм имеют те или иные дефекты, для устранения которых их подвергают отжигу. Последующая обработка не требуется второстепенным деталям и заготовкам сложной конфигурации с толстыми стенками. Температурная обработка чугунных заготовок позволяет устранить дефекты и снять внутренние напряжение.

Литье алюминия и его сплавов в кокиль

Литье в кокиль – экономически выгодный способ получения алюминиевых отливок. Поскольку температура расплавленного алюминия составляет всего +710…+720 °C, он оказывает меньшее негативное воздействие на формы. При соблюдении технологии можно получить около 50 тыс. заготовок из алюминия. Расплавленный металл в кокиле охлаждается быстрее, чем в песчаных формах, поэтому алюминиевые заготовки отличаются более плотной мелкозернистой структурой.

Применение литья в кокиль позволяет получить отливки с лучшими механическими характеристиками, более высоким пределом прочности при растяжении (выше на 20–25 %), удлинении (выше в 1,5-2 раза). В связи с хорошей жидкотекучестью из алюминиевых сплавов можно изготавливать тонкостенные детали сложной конфигурации.

Минус сплавов алюминия заключается в том, что они дают большую усадку. В связи с этим при литье в кокиль необходимо подпитывать отливки за счет установки прибылей, которые бывают более тяжелыми, чем сами заготовки. Также допускается использование технологии последовательного затвердевания детали, при которой металл подводится к отливке в определенных местах.

Технология литья магниевых сплавов в кокиль

В связи с тем, что при достижении температуры заливки магниевые сплавы быстро окисляются и могут загореться, стенки кокиля, а также струю металлического расплава обрабатывают смесью серы и борной кислоты. В процессе заливки металлический расплав в стояке и прибылях также обрабатывают серой или универсальным флюсом. Температура заливаемого магниевого сплава составляет от +130 °C до +180 °C.

Большинство магниевых сплавов отличается существенной усадкой по объему (до 9 %), в связи с этим при литье в кокиль необходимо использовать массивные прибыли. Для снижения количества отводимого тепла и повышения питающих свойств применяют прибыли в керамических вставках или стержнях, размещаемых в металлической форме. Чтобы стабилизировать размеры заготовок, повысить их механические характеристики и снять внутренние напряжения, сплавы магния обрабатывают высокотемпературным воздействием.

Плюсы и минусы кокильного литья

Преимущества литья в кокиль перед литьем, к примеру, в песчаные формы, заключаются в следующем:

• многократное использование форм;
• меньшие расходы на формовочные материалы;
• возможность получения более точных отливок с небольшими припусками для последующей механической обработки;
• меньшая шероховатость поверхности заготовок;
• лучшие механические характеристики отливок, включая их качество и прочность;
• возможность автоматизации процесса;
• экономичность и эффективность.

Однако литье в кокиль имеет и определенные недостатки:

• процесс изготовления форм является трудоемким, сложным и дорогостоящим, при этом стоимость зависит от сложности конфигурации кокиля;
• формы имеют ограниченную износостойкость и, как следствие, одна форма используется для выполнения ограниченного количества заготовок;
• невозможность изготовления тонкостенных деталей, дефекты чугунных отливок, газовая пористость стальных заготовок;
• из-за неподатливости кокиля детали могут деформироваться и растрескиваться, стенки формы могут коробиться в процессе литья;
• при литье в кокиль необходимо использовать стержни, вентканалы, газоотводы, термоизолирующие покрытия.

Область применения кокильного литья

Область применения литья в кокиль распространяется на работу с черными и цветными металлами. Автоматизированные установки позволяют отливать алюминиевые заготовки весом до 30 кг. Неавтоматизированное оборудование используется для изготовления чугунных отливок весом до 12 т.

Виды формовки

Виды формовки зависят от модели кокиля и метода литья:

Простая модель

Кокиль располагают на рабочей поверхности в центре опоки лицевой стороной вверх. Внутреннюю поверхность обрабатывают облицовочным составом, затем добавляют и тщательно уплотняют слои наполнительной смеси. Опоку заполняют землей, затем снимают верхнюю раму, удаляют макет и делают литниковую систему. Опоки собирают вместе, закрепляют и сушат.

Разъемная модель

Технология, позволяющая получить кокили более точной формы. Часть макета без шипов размещается на доске, устанавливается нижняя опока, заполняется утрамбованной землей. Затем переворачивают конструкцию, устанавливают вторую часть макета, верхнюю опоку, наполняют форму землей.

Фальшопока

Фальшопока используется при сложной конфигурации деталей, она не вступает в контакт с металлическим расплавом, а выступает в роли фигурной подмодельной доски.

Различают следующие варианты формовки:

• Кусковая

Этот способ используют в процессе художественного литья для создания скульптурных композиций. Вокруг модели размещают несколько отдельных опок, которые соприкасаются друг с другом краями. В ряде случаев с помощью литья металла в кокиль изготавливают простые по форме фрагменты, а затем соединяют их вместе в готовую конструкцию.

• Шаблонная

Используется для литья в кокиль деталей заданной формы:

• цилиндрических, конических, эллиптических (тел вращения);
• прямоугольных или призматических.

Особенности металлических форм

Если сравнивать металлические формы с песчаными, то для первых характерны существенно более высокая теплопроводность, теплоемкость, прочность, почти полное отсутствие газопроницаемости и газотворности. Названные свойства кокилей влияют на их взаимодействие с расплавами металлов.

Среди основных особенностей перечислим следующие:

• Более высокоэффективное тепловое взаимодействие кокиля и заготовки в сравнении с применением песчаных форм. Расплав и отливка быстрее остывают в кокиле, поэтому он хуже заполняется при одинаковом напоре и температуре расплава.

Такая особенность затрудняет изготовление при помощи литья в кокиль деталей из сплавов с низкой жидкотекучестью, а также тонкостенных заготовок, ограничивает размеры готовых изделий. В то же время более высокая скорость остывания расплава позволяет изготавливать отливки с мелкозернистой структурой, то есть более прочные и пластичные заготовки.

При работе с чугуном (из-за специфики кристаллизации) зачастую можно столкнуться с образованием карбидов, феррито-графитной эвтектики, негативно сказывающихся на таких характеристиках чугунных изделий, как ударная вязкость и износостойкость. Поскольку деформированный (отбеленный) верхний слой заготовки плохо поддается механической обработке резанием, для устранения деформаций они нуждаются в термической отделке (отжиге).

• Из-за низкой податливости кокиля и интенсивного воспрепятствования усадке застывающего расплава отливку сложнее извлекать из формы, в ней могут возникнуть внутренние напряжения, появиться трещины и коробления. Вместе с тем эта особенность препятствует деформации заготовки из-за увеличения объема ряда расплавов в процессе кристаллизации, вызванного предусадочным расширением (к примеру, в процессе выделения графита в чугуне). Это снижает вероятность возникновения усадочной пористости при затвердевании заготовки.

Для литья в кокиль характерно отсутствие погрешностей, возникающих из-за упругих и остаточных деформаций, свойственных песчаным формам, которые уменьшают точность рабочей полости и, как следствие, самого изделия. В отличие от размеров рабочей полости песчаной формы, размеры рабочей полости кокиля обладают большей точностью, следовательно, точнее получаются и сами отливки.

При работе со сплавами цветных металлов точность отливок соответствует 5–9 классам, при работе с черными металлами – 7–11 классам (изменения № 1 от 1989 г. к ГОСТ 26645-85). Наибольшей точностью обладают заготовки в одной части формы. При использовании металлических многоразовых форм изделия получаются на класс точнее, чем при литье в песчаные формы, соответственно, можно уменьшить припуски на дальнейшую механическую обработку резанием.

• Кокиль и металлический расплав минимально взаимодействуют друг с другом на физико-химическом уровне, поэтому отливки характеризуются высоким качеством поверхности. В заготовках, получаемых с помощью металлических форм, практически отсутствует пригар. На шероховатость поверхности изделий влияет состав облицовок и красок, который наносится на поверхность рабочей полости формы и соответствует Rz = 40–10 мкм, однако может иметь и меньшие значения.
• Поскольку рабочая поверхность кокиля обрабатывается огнеупорными составами, форма обладает газонепроницаемостью и минимальной газотворностью. Вместе с тем в заготовках зачастую можно встретить газовые раковины. Они возникают по разным причинам, тем не менее при литье в кокиль важно таким образом располагать отливку, подводить расплав и предусматривать систему вентиляции, чтобы удалять из формы воздух и газы.

Процесс изготовления деталей с использованием многоразовых металлических форм включает в себя малое количество простых действий, выполняемых в течение короткого периода времени. Их продолжительность ограничивается периодами, необходимыми для того, чтобы отливка остыла. К достоинствам технологии литья в кокиль относится возможность применения механизированного и автоматизированного оборудования.

Еще одним несомненным достоинством литья в кокиль является использование многоразовых форм, не требующих создания новой металлической заготовки для каждой заливки. Из этого вытекает следующее преимущество технологии – экономия сил и времени.