Песок литьё: процесс, особенности и промышленное применение

Процесс песочного литья

Важность песочного литья растёт благодаря научным достижениям и адаптациям в литейной промышленности. Это, пожалуй, самый простой и удобный способ придать металлу форму. Песок — самый распространённый материал: легко утрамбовывается в любую форму, высокая проницаемость и термостойкость. Сложные формы легко литьё в песчаных формах, где иначе это невозможно. Для оптимальной стоимости и качества учитывают следующие конструктивные детали.

Рис. 3.41 — блок-схема процесса песочного литья.

Автоматизированные заливные системы

Тренд к полной автоматизации литейного цеха: снижение затрат материалов/труда, повышение производительности, качества, условий труда. Разработаны автоматизированные индукционные заливные системы.

Автоматизированные заливные системы — интерфейс между формообразованием и плавкой. Держат расплав готовным, вливают точно по программе.

Индукционные заливные печи с управляемым затвором для прямой заливки в форму или дозированной в промежуточные ковши обладают характеристиками:

• Поддержание постоянной температуры и химического состава расплава при удержании и заливке;
• Исключение шлаковых включений из вливаемого металла;
• Дозированное внесение инокулянтов и легирующих добавок в нужный момент;
• Регулировка скорости заливки под пропускную способность формы;
• Точный взвес вливаемого металла.

Конструкция: цилиндрическая оболочка с огнеупорной выкладкой, герметичный kryшка, фланцевитый канальный индуктор, затвор, система давления. Наполнение и заливка через сифоновидные каналы, нижние концы у основания печи — практически безшлаковая заливка.

Прессорированный газ выдавливает металл в заливную насадку через затвор. Газ также держит уровень металла в насадке постоянным при переменном количестве металла в печи. Скорость заливки управляется движением затвора. Пневматический сервоцилиндр непрерывно регулирует ход затвора по программе заливки.

Печь перемещается в двух направлениях (продольное и поперечное) относительно формовочной линии. Гидравлическое наклонное устройство позволяет полностью опорожнить печь. Угловой индуктор фланцевито к основанию, фланец водяноохлаждаемый. Горячий металл поднимается — зона горла свободна от накипи, доступна для механической чистки. Индуктор доступен снаружи. Благодаря малой высоте печь не требует ямы, ставится на пол.

Сифоны наполнения/заливки легко чистятся механически. Оксидные взвеси в сифонах (особенно при магниевой обработке) оседают на огнеупоре. Верхние части сифонов фланцевиты для чистки.

Индукционные заливные печи исключают шлаковые включения, обеспечивают нужную скорость заливки, точно взвешивают металл, держат температуру постоянной. Скорость заливки должна соответствовать приёмной способности формы.

Современный прогресс — электронный мониторинг заливки: открытый контур (teach-in) или замкнутый (регулировка уровня в воротке). Промежуточные ковши (наклонные или с затворами) при специальных требованиях значительно повышают производительность. Современные автоматизированные системы обеспечивают непрерывную работу: расплав всегда готов, вливается точно по программе.

Литейная система (Gating Provision)

Песочная отливка получается заливкой расплава через порт — вороток (gate). Традиционно вороток на разъёмной линии или в самой нижней точке отливки.

Литейная система (заливная чаша, ствол, стволовые каналы, воротки) решает:

1. Направление металла в форму с мин. турбулентностью. Избыточная турбулентность → аспирация воздуха, дросс.
2. Полное заполнение системы с мин. нарушением → чистота, мин. окисление.
3. Распределение металла с мин. нарушением → мин. эрозия песка, песчаные включения.
4. Скиммирование/разделение дросса/инородок: при течении через систему свободный песок, оксиды, шлак не попадают в полость (желательно избегать препятствий потоку, тонких стержней/перегородок, которые могут осыпаться).

Тяжёлые сечения питают горячим металлом через головки и питатели с учётом усадочного допуска.

Требования к идеальной литейной системе

Система включает заливную чашу, ствол, стволовые каналы, питатели, воротки. Должна создавать температурные градиенты для направленного застывания. Входная скорость металла — минимальная, без турбулентности (эрозия формы/стержней). Система утрамбовывают не слабее полости. Все элементы — скруглённые, гладкие, обтекаемые (мин. турбулентность, эрозия). Исключение оксидов/дросса, чистота от свободного песка. Стволовый канал продолжить за последним воротком — ловушка для дросса первого металла. Дросс/шлак из ковша не должен попасть в полость.

Система должна избегать захвата/растворения воздуха/газов. Излишний перегрев увеличивает газосодержание, дросс, вредит направленному застыванию. Воротки должны вести металл к тяжёлым сечениям, лучше снизу или через питатель. Вороток должен быть технологичным и экономичным.

Заливная система (Pouring System)

Ключевые моменты проектирования:

1. Поток не должен эродировать стенки формы.
2. Поток не должен заносить песок/шлак в отливку.
3. Исключить аспирацию газов в струю.
4. Мин. потери температуры, установка градиентов на поверхностях формы и в металле для направленного застывания к питателю.

Достигается проектом литейной/заливной систем. Чтобы воздух не втягивался в нисходящую струю, давление в любом точке воротка не ниже атмосферного. Форма боков нисходящего воротка — гиперболоид. Так как гиперболоид сложен, применяют конический сечение (верх шире, низ уже). На практике: заливная чаша сверху, конический вертикальный ствол, короткий горизонтальный вороток (рис. 3.43). Минимизирует окисление, снижает удар струи на полость.

Сечение ствола — круглое, квадратное, прямоугольное. Размер: 10 мм кв. для малых отливок (<12 кг) до 20 мм кв. для крупных. Ствол должен быть полным всю заливку, чтобы металл не врывался с высокой скоростью (брызги, турбулентность). Прямой ствол с острыми углами → сильная аспирация, турбулентность. Конусный ствол, скруглённые углы, стволовая яма, бачковская заливная чаша → аспирация пренебрежима, нет турбулентности.

Заливная чаша гасит эрозию струи из печи, держит постоянную заливную голову. Керамический стренер на вершине ствола — улов дросса. Керамический сплэш-кор внизу ствола — гасит удар струи. Ским-боб в горизонтальном воротке — ловушка для тяжелых/лёгких примесей.

Проектирование воротков (Design of Gating)

Вороток — отверстие от стволового канала (общий проход к нескольким полостям) к форме. Размер и расположение: быстрое заполнение, распределение с нужной скоростью, мин. потери тепла, турбулентности, эрозии, захвата газов/шлаков, без трещин при охлаждении, лёгкое удаление без повреждения отливки.

Крупная заливная чаша на вершине ствола-питателя или стренер-стержень в чаше — улов свободного песка и дросса, тонкая струя.

Оптимальная скорость заливки: слишком медленно → застывание до заполнения; слишком быстро → эрозия.

Типы воротков по положению:

• Верхние (Top gating) — металл вливается через голову/питатель. Эрозия падающим металлом предотвращают твёрдой формой. Горячий металл сверху → правильные градиенты для направленного застывания к питателю. Верхний вороток может служат питателем. Для малых/простых форм или крупных в эрозионностойких формах. Не для лёгких окисляемых металлов (Al, Mg) — риск захвата при турбулентной заливке.
• Разъёмные (Parting line gating) — металл входит на уровне стыка формы. Ствол соединяется с отливкой через горизонтальный вороток. Возможен ским-боб/ским-вороток для улова шлака/песка. Дроссель (choke) ограничивает расход.
• Нижние (Bottom gating) — металл спускается в низ полости низа и поднимается мягко вокруг стержней. Лучше для крупных стальных отливок. Мин. турбулентность и эрозия. Но заполнение дольше. Направленное застывание сложно — металл теряет тепло, к питателю приходит холодным.

Эффект аспирации (Aspiration Effect)

При неудачном проекте скорость высока, давление ниже атмосферного → газы от выгорания органики втягиваются в расплав → пористые отливки. Два случая отрицательного давления: ствол и резкое изменение направления. Рис. 3.47: давление в 1 и 3 атмосферное. По Бернулли, в 2 давление отрицательно, если ствол по пунктиру. Решение: конический ствол, желательно кривой по сплошной линии 1–2.

Рис. 3.48: смена направления → эффект вены-контракта. Чтобы избежать вакуума, форма повторяет профиль вены-контракта.

Вороточный коэффициент (Gating Ratio)

Отношение площади ствола : суммарная площадь стволовых каналов : суммарная площадь воротков.

• Давление система (Pressurised): соотношение 4:3:2. Обратное давление от дросселя воротков держит систему полной. Для стали, чугуна, латуни. Система полна металла. Обратное давление мин. риск отрыва металла от стенок → мин. аспирация. Меньший объём системы при данном расходе → выше выход отливки. Но сильная турбулентность на стыках/углах без тщательной обтекаемости. Высокая скорость/турбулентность → захват, дросс, эрозия.
• Бездавление система (Unpressurised): первичное дросселирование у ствола или рядом. Соотношения 1:3:3, 1:2:2. Для лёгких окисляемых металлов (Al, Mg) — мин. турбулентность за счёт замедления. Требует тщательного проекта для поддержания наполненности при заливке. Нижние стволовые/верхние воротки помогают держать ствол полным, но обтекаемость критична для исключения разделения потока и аспирации.

Направленное застывание (Directional Solidification)

При охлаждении металл застывает и усаживается. Разные участки охлаждаются с разной скоростью (разные сечения, теплоотдача) → полости. В хорошем проекте полости заполняются жидким металлом из ещё жидких зон. Застывание должно идти прогрессивно от тончайшего сечения (застывает первым) к питателям (последними). Это направленное застывание для здоровых отливок.

Обеспечивается: проектом/размещением литейной системы и питателей, набивками (padding) для увеличения толщины, экзотермическими материалами в питателях/лицевом песке, хиллами в форме.

Предотвращение попадания примесей в отливку:

1. Заливная чаша адекватного размера гасит удар струи из ковша, регулирует скорость входа, исключает турбулентность.
2. Керамический стренер в нисходящем стволе удерживает дросс из ковша.
3. Макс. удар внизу вертикального ствола — эрозия песка. Керамический сплэш-кор внизу ствола предотвращает это.
4. Острые углы траектории металла — обтекаемые (мин. турбулентность, мёртвые зоны).
5. Ским-боб улавливает и тяжелые, и лёгкие примеси.

Толщина стенок (Section Thickness)

Мин. толщина для разных металлов ограничена температурами застывания и текучестью. Используют мин. толщину, дающую нужную прочность/вес без излишних температур. Типичные мин. значения для простых конструкций: чугун 3 мм, ковкий чугун 2,25 мм, сталь 6 мм, латунь/бронза 2,25 мм, алюминий 3 мм. При большой длине течения — больше толщина. Сложность полости повышает мин. толщину для качественных отливок.

Стремятся к максимальной однородности толщины между уськами/накладками и телом отливки для адекватного питания уськов.

Питатели (Risering)

Питатель (ризер) — отверстие в верхе для подъёма металла выше высшей точки отливки. Визуальный контроль заполнения. Служит питателем для компенсации усадки. Проект питателя должен создавать градиенты для направленного застывания к нему. Также облегчает выход пара/газа/воздуха при заполнении.

Для тонкостенных отливок — несколько питателей. Для эффективности питатель должен застывать последним.

Параметры питателей (Riser Provisions)

После заполнения формы металл входит в питатели. Они — резервуар, регулятор теплового градиента, источник жидкого металла для компенсации жидкой и заставочной усадки. Располагают в верхней части питуемого сечения. Объём 25–55% от объёма отливки (зависит от металла). Важно: расположение без необходимости излишнего снятия металла при доводке. Питатель соединяется с отливкой горлышком (гейтом) для лёгкого удаления после застывания.

Расчёт питателей (Riser Design)

Без питателя застывание начнётся со стенок, жидкий центр будет в твёрдой оболочке → усадка даст центральные полости, дальнейшее охлаждение — нежелательные напряжения.

Питатели решают: остаются жидкими после застывания отливки, содержат достаточно металла для усадки, позиционированы для питания на протяжении всего застывания.

Проектирование и позиционирование питателей

Наиболее эффективная форма заданного объёма — минимизация потерь тепла → цилиндр. Высота чтобы трубка (pipe) в питателе не проникла в отливку. Отношение высота/диаметр 1:1 – 3:2.

Методы расчёта оптимального диаметра:

1. Правило Чворинова: время застывания ~ (V/A)².
2. Метод Кэна (Caine's Method): относительное время застывания отливки и питателя. Отношение (A_c/V_c) : (A_r/V_r). По Кэну: (1) если отливка застывает мгновенно, объём питателя = усадочной усадке; (2) если скорости равны, питатель должен быть бесконечным. Гиперболическая зависимость относительного объёма от относительного времени застывания (рис. 3.49).

Для низкого A/V (куб, сфера) — один центральный питатель. Для высокого A/V (стержень, пластина) — несколько, критично правильное расположение.

• Стальная пластина до 100 мм: центральный питатель, если макс. дистанция питания < 4,5t от края питателя (рис. 3.51а). Несколько питателей — расстояние между ближайшими краями < 4t (рис. 3.51б).
• Квадратный стержень 50–200 мм: центральный питатель до 30√s от края (s — сторона в мм). Расстояние между питателями < 1,2s.

Хиллы увеличивают дистанцию питания (резкий градиент, мин. сопротивление питания). При одном питателе — хилл на конце, при нескольких — посередине. Рис. 3.55 — схема размещения с макс. допустимыми дистанциями.

Правильное размещение равно важно: питатель должен эффективно снабжать застывающую отливку. Чанковая форма (куб, сфера, низкое A_c/V_c) — один питатель. Высокое A_c/V_c (стержень, пластина) — несколько. Эвристика: один питатель достаточно, если длина питания < 4,5 толщины пластины для стальных пластин 12–100 мм. Квадратные стержни 50–200 мм — центральный до 6 размеров стержня. Большие дистанции — хиллы (ускорение охлаждения, снижение сопротивления центрального питания). Для сплавов с CFR выше стали — хиллы обязательны в критичных по прочности зонах.

Экзотермические материалы в питателях для направленного застывания за счёт тепла. Оксиды Fe, Cr, Ni, Cu + алюминий в порошке. Добавляют на поверхность расплава в питателе после заливки или в песок стенок питателя. Химическая реакция с расплавом → много тепла → металл в питателе перегревается, дольше остаётся жидким.

Изолирующие прокладки/рукава на питателях сохраняют тепло. Хиллы в нужных местах также способствуют направленному застыванию.

Влияние застывания на конструкцию (Solidification Influence)

Конструкция сечения должна позволять питателям снабжать горячим металлом и управлять направленным застыванием. Рис. 3.52: металл застывает внутрь от границы металл-форма прогрессивным застыванием. При правильных температурных дифференцалях фронт встречи движется вверх в точку максимальной горячести — должна быть внутри питателя. Это и есть направленное застывание.

Если высота сечения слишком велика по отношению к поперечнику, прогрессивное застывание опередит направленное → тонкая центральная пористость или крупные полости. Чтобы избежать: сечение должно сужаться вниз (верх шире, низ уже).

Пропорционирование сечений (Section Proportioning)

Если питание адекватно, ограничения пропорций сечений менее критичны, чем проект стыков. Усадочные напряжения от разных градиентов нужно учитывать. Обычно без хиллов можно отливать при толщинах сечений 80–120% от соседнего, для зон远离 питателей.

Стыки и усадка (Junctions and Shrinkage)

Усадные полости от нарушенного направленного застывания чаще всего в L, T, Y, X-стыках и при резком соединении крупных/малых сечений. В стыке большая масса → горячая точка, застывание идёт к ней, она питает ноги и развивает усадную полость.

Горячую точку устраняют: выравниванием сечения или хиллами у крупного сечения (рис. 3.53). Всегда стараются избегать изоляции тяжелых сечений, но иногда трудно.

В таких случаях литейщик контролирует застывание:

1. Специальная манипуляция положением питателей в форме;
2. Контроль скорости заливки;
3. Использование горячего металла в питателях;
4. Формовочные материалы с разными тепловыми характеристиками.

Скругления (Fillets)

Адекватные скругления во всех стыках существенно повышают прочность и здоровность отливок. Радиус скругления зависит от металла, формы/толщины стенки, размера отливки. Радиус не должен превышать толщину стенки.

Устранение горячих трещин (Eliminating Hot Tears)

Горячие трещины от температурных градиентов → разные скорости усадки → напряжения от сопротивления песка → разрыв. Минимизация: хороший проект — исключение резких изменений сечений, острых углов, неравномерных перемычек, соединённых с фланцами.

Устранение газов в отливках (Eliminating Gases in Castings)

Газы → газовые полости (крупные, единичные, распределённые), пинхолы (мелкие, многие, у верха), микропинхолы (мелкие, по всему объёму). Правильный проект питателя и адекватная вентиляция пористых форм — обязательны.

Другой источник — растворённые газы в расплаве при высокой температуре, выходящие при охлаждении. Вакуумная плавка и вакуумная дегазация (расплав в низкодавкамере) снижают газовое содержание.

Характеристики песочных отливок

1. Застывание в неравновесных условиях → склонность к холодным трещинам без грамотного проекта. Усадку решают направленным застыванием: коничность, металлические хиллы в стенках формы, устранение горячих точек в стыках равномерных сечений.
2. Застывший металл — плохая чистота поверхности. Поверхность зависит от чистоты модели, структуры песка, облицовок формы, вентиляции, доступа для чистки свободного песка перед замыканием.
3. Песочные отливки пористы — не для герметичных сосудов (обычно до 10 кгс/см²).
4. Структура рыхлая — ниже прочность кованых изделий.
5. Зёрна неуплотнены → низкая плотность и прочность.
6. Хорошая твёрдость. Внутренние напряжения устраняют исключением острых углов и физических зажимов.
7. Низкая пластичность.
8. Метод подходит для средних и особенно крупных отливок, не для тонкостенных.
9. Пригодность для высокоплавких металлов.
10. Низкая стоимость — дешёвые песчаные формы.
11. Внутренняя здоровность: мин. газообразование при застывании, исключение турбулентности при заливке. Физическое удержание — путь к горячим трещинам.