Способы охлаждения кокилей
Искусственное охлаждение кокиля применяют с целью увеличения скорости затвердевания и охлаждения отливки, уменьшения продолжительности цикла литья и, как следствие, повышения стойкости кокиля. Искусственному охлаждению могут подвергаться как рабочая или наружная поверхности, так и их фрагменты. Охлаждающей средой являются сжатый воздух, вода, эмульсия, масло. Водные краски используют для местного охлаждения некоторых частей кокиля. Искусственное охлаждение может осуществляться посредством свободной струи воды (душирование), перемещения жидкости или воздуха по замкнутым каналам, а также окунания в жидкость кокиля или его элементов. Для увеличения площади охлаждаемой наружной поверхности на ней специально предусматриваются цилиндрические штыри-выступы (см. рис. 3, а), а также специальные медные вставки. В зависимости от необходимости искусственное охлаждение проводят во время нахождения отливки в кокиле, после ее выбивки или в течение всего процесса литья.
Методы изготовления кокилей
Получение кокилей литьем. Широко используется метод литья заготовок кокилей по специальным моделям. При литье стальных кокилей в песчаные формы хорошее качество поверхности отливки обеспечивается применением формовочной смеси на основе кварцевого песка КО20Б (94% мас.) с добавками жидкого стекла (5,5% мас.) и 15%-ного раствора едкого натра (0,5% мас.). При литье кокилей из разных сплавов широко применяется вакуумная формовка.
Алюминиевые кокили получают способом кокильного литья в стальные или чугунные мастер-кокили. Для получения гипсовой модели кокиля в качестве мастер-модели используют отливку.
Весьма эффективным и перспективным способом изготовления стальных кокилей является электрошлаковое литье, обеспечивающее получение плотной структуры отливки с высокими механическими свойствами (в частности, ударной вязкостью).
Получение кокилей методами порошковой металлургии
Этим методом получают многослойные кокили с различными теплофизическими и механическими свойствами слоев. Элементы стенок кокиля получают прямым или гидростатическим прессованием порошка в пресс-формах. Для упрочнения материала элементов кокиля в матрицу, изготовленную из железного порошка типа ПЖ2М. вводят отрезки молибденовой проволоки. Прессованные элементы многослойной стенки кокиля спекают.
Изготовление составных кокилей вызывает необходимость нормализации и универсализации сменных элементов стенок кокиля. Например, так называемые игольчатые кокили изготавливаются из отрезков проволоки определенного диаметра. Эти кокили отличаются хорошей податливостью и газопроницаемостью.
Покрытия на кокилях
Назначение покрытий:
а) обеспечение необходимого теплообмена между рабочей поверхностью кокиля и отливкой с целью регулирования режима ее охлаждения;
б) создание в кокилях восстановительной или окислительной атмосферы, исключающей образование на поверхности отливки оксидов или карбидов соответственно (покрытия с большой газотворной способностью);
в) защита рабочей поверхности кокиля от воздействия термического удара и эрозионного воздействия расплава;
г) защита от пригара или приваривания отливки к стенкам и каналам кокиля, а также от высокотемпературного окисления и обезуглероживания ее поверхности;
д) использование покрытий для поверхностного легирования (алитирование, силицирование и др.);
е) уменьшение коэффициента трения между отливкой и стенками кокиля.
Все защитные покрытия условно подразделяются на разовые, многоразовые и постоянные. Все они, в свою очередь, делятся на тонкостенные и толстостенные. Долговечность постоянных покрытий соизмерима с ресурсом работы кокиля или сроком межремонтных работ. Они формируются на рабочей поверхности кокиля газопламенным или плазменным напылением, диффузионным насыщением (алитирование, хромирование, силицирование), а также методами электрохимической (анодирование) и химико-термической (азотирование, нитроцементация, цементация) обработки.
Разовые и многоразовые покрытия
В качестве разовых и многоразовых покрытий используются краски. При формировании многоразового покрытия кокилей для литья чугуна используют водную суспензию на основе молотого шамота (40%) с добавками жидкого стекла (6%) и марганцовокислого калия (0,05%). Здесь и далее содержание компонентов приводится в массовых процентах. Для тех же целей применяется водная суспензия сажи (10—15%) и огнеупорной глины (10—15%) с добавками жидкого стекла (5—7%) и смачивателя ОП-7 (0,5%).
В качестве разовых красок на рабочие стенки кокиля (при литье чугуна) наносят безводное покрытие — ацетиленовую копоть, а также покрытие, осаждаемое из водной суспензии, содержащей молотый тальк (23%) с добавками огнеупорной глины (2%), жидкого стекла (4%) и буры (1,2% сверх 100%).
Разовые покрытия наносят на многоразовый подслой, для получения которого используется водная суспензия порошкообразного кварца (16%) с добавками жидкого стекла (3,2%) и марганцевокислого калия (0,06% сверх 100%).
При литье стали часто применяют покрытие в виде водной суспензии, содержащее 30 - 40% огнеупорного наполнителя (карборунд, циркон, оксид хрома и др.) с добавками жидкого стекла (5 - 9%) и борной кислоты (0,7 - 0,8%). Покрытие целесообразно наносить в несколько слоев.
При литье магниевых сплавов используют для формирования покрытий водные суспензии, содержащие 15% оксида магния или цинка (либо 18% талька) с добавками борной кислоты и жидкого стекла (каждой по 2,5 - 4%). Составы покрытий, близкие к приведенным для магниевых сплавов, также наносятся на рабочие поверхности кокилей при литье алюминиевых сплавов: это водные суспензии на основе цинковых белил (15%) или мела (17,5%) с добавками асбестовой пудры (5 - 8,7%) и жидкого стекла (3 - 3,5%).
Постоянные покрытия
В качестве постоянных используются плазменные покрытия на основе А12О3 и ZrO2, стабилизированных СаО. Имеется также положительный опыт стабилизации оксида циркония 25%-ными (по массе) добавками жидкою стекла (силикатов натрия Na2O*nSiО2, где n = 1,5 - 3,5) в порошок ZrO2. Для повышения адгезии керамического покрытия к основе на кокиль наносят промежуточный слой (подслой) толщиной 0,2 мм. В качестве подслоя используют нихром или сплав системы Ni - А1 - Р, формируемый напылением из порошка, содержащего 20% Аl и 80% Ni+ 1,2 - 1,8% Р. Образующиеся в подслое алюминиды никеля улучшают адгезию керамических покрытий к основе. Стабильность оксидных покрытий сохраняется при их толщинах, не превышающих 0,5 мм. Опыт показал, что теплозащитные свойства покрытия из ZrO2, сформированного на нихромовом подслое, существенно выше, чем покрытия на основе А12О3.
Для повышения температуры плавления, твердости и износостойкости, а также одновременного снижения теплопроводности поверхностного слоя алюминиевых кокилей их подвергают анодированию.
Формирование облицовочного слоя на рабочей поверхности кокиля
Значительно большей стойкостью по сравнению с обычными металлическими кокилями обладают облицованные кокили - металлические формы, рабочие полости которых покрыты неметаллическим рабочим слоем, соизмеримым по толщине (4 - 5 мм и более) с толщиной стенки рабочей камеры. Применяются одноразовые и многоразовые облицовочные слои. Для формирования облицовочного покрытия используют модель, размещаемую в рабочей зоне кокиля. Зазор между стенками рабочей зоны кокиля и предварительно подогретой моделью заполняют (пескодувным способом, заливкой и др.) облицовочным составом. В качестве облицовочных составов используют: песчано-смоляные смеси, содержащие в качестве связующего фенолформальдегидную смолу (2 - 2,6%) с добавкой (8 - 12% от массы смолы) уротропина; самотвердеющие смеси и керамические составы со связующими - жидким стеклом и этилсиликатом соответственно.
После завершения процесса облицовки из кокиля извлекают модели многоразового использования. Разовые же модели, в зависимости от их состава, удаляют выплавлением, растворением или газифицированием.
Достоинства кокильного литья: возможность многократного использования форм; удобства автоматизации процесса труда; хорошие механические свойства отливок, обусловленные их мелкозернистой структурой, формирующейся в процессе интенсивного теплообмена между отливкой и кокилем; размерная точность и качество поверхности отливок; снижение припусков на механическую обработку; повышенный процент выхода годного литья (за счет снижения расхода металла на литниковую систему или из-за ее отсутствия).
Недостатками литья в кокиль являются: трудоемкость изготовления кокилей, их высокая стоимость, отсутствие податливости, особенно при получении сложных фасонных отливок из легированных сталей и тугоплавких металлов. Данным способом получают в основном отливки из сплавов на основе меди, алюминия, магния, а также из стали и чугуна массой до 2000 кг. В то же время известен опыт получения кокильных отливок массой в несколько тонн (до 14 т).