Литье под регулируемым 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.