1.1 Литье в песчано-глинистые формы
На долю литья в песчано-глинистые формы и сегодня приходится 70% всех отливок. К тому же на его примере легко проследить все этапы традиционного литейного производства.
Не вдаваясь в особые тонкости, отметим, что для изготовления форм служат формовочные смеси из песка и глины с различного рода добавками. Так, добавка в смесь некоторых отходов целлюлозно-бумажного производства увеличивает поверхностную прочность форм, не дает им осыпаться. Каменноугольная пыль устраняет пригорание формовочной смеси к поверхности чугунных деталей, во время заливки чугуна частицы сгорают и образуют газовую прослойку между отливкой и формой, что не допускает смачивания металлом поверхности формы. Для той же цели в смесь для литья медных сплавов добавляют мазут.
Приготовление формовочных смесей – это целое производство, к тому же весьма высокомеханизированное. Песок и глину сначала сушат в печах, потом глину размалывают на бегунах или шаровых мельницах. После этого песок, глину и другие добавки перемешивают, дают смеси вылежаться, затем рыхлят и подают на формовку.
Кстати, теперь отобранную смесь большей частью не выбрасывают. Использованные формы дробят, отделяют магнитом стальные и чугунные частицы, оставшиеся просеивают на ситах и снова пускают в дело, добавляя к получившейся массе 20-30% свежей смеси.
Чтобы приступить к формовке, нужно, кроме смеси, иметь еще модели и стержни. Что такое модель, понятно без особенных объяснений, это как бы копия внешних очертаний отливаемой детали. Размеры ее больше – нужно добавить на усадку и на неточности, а также на припуска для механической обработки. Нужны также литейные уклоны – конусность, облегчающая выемку модели из формы. На рис. 2.1 показано отливку, модель и форму в сборе.
Рисунок 2.1 – Отливка (а), модель (б), стержневой ящик (в) и форма в сборе (г);
1 – модельные знаки; 2 – гнезда; 3 – шипы; 4 – шлакоуловитель; 5 – питатель; 6 – стержень.
Используя одну модель, можно получить от 5 до 500 отливок. Если отливок требуется больше, и они должны быть поточнее, то модели выполняют и из металла – чугуна, латуни и алюминия.
В отличие от модели стержни остаются во время заливки металла внутри формы. Поэтому их выполняют не из дерева, а так же, как и сами формы: из песчано-глинистых смесей или даже из металла: укрепляют каркасами и пронизывают вентиляционными каналами, куда бы могли уходить газы, выделяющиеся из расплава.
После того как модель и стержни готовы, можно приступить к формовке, т.е. к изготовлению самой формы – отпечатки модели, полости, куда будет заливаться расплав. Если предстоит отливка очень крупного изделия, то формовку ведут прямо в почве. Формы выполняют в опоках – металлических ящиках из стали или алюминиевого сплава без дна и без крышки. Опоки (их, как правило, две) удерживают песчаную литейную форму, не дают ей развалиться при транспортировке и заливке металла. В стенках опоки просверливают отверстия, через которые выходят пары и газы, образующиеся во время сушки и заливки, а на внутренней поверхности делают ребра, не позволяющие высыпаться земле.
Процесс начинается с того, что модель устанавливают гладкой поверхностью на подмодельный щиток. Туда же потом ставят нижнюю опоку, после чего модель припудривают тальком или графитом, чтобы она не прилипала к форме, и засеивают небольшим слоем облицовочной смеси.
В отличие от остальной формовочной смеси облицовочная непосредственно соприкасается с жидким металлом, и по этой причине ее приготовляют из свежих материалов, тогда как на наполнительную идет главным образом уже отработанная смесь.
Затем облицовочную смесь обжимают вокруг модели и засыпают несколькими слоями наполнительной смеси, каждый слой тщательно уплотняют. У стенок опоки плотность набивки смеси стараются делать максимальной, иначе смесь может при переворачивании и сборке формы вываливаться из опоки.
Закончив набивку, излишек смеси сгребают линейкой и прокалывают иглами (или, как их еще называют, душниками) вентиляционные каналы, назначение которых, как уже говорилось, – увеличить газопроницаемость формы. Чтобы в них не проник жидкий металл и чтобы не испортить поверхность будущей отливки, каналы не доводят до модели на 15-20 мм.
Следующая операция – переворачивание опоки на 180. Ее располагают разъемом вверх и присыпают разделительным песком, а саму модель припудривают. На нижнюю опоку ставят верхнюю. Теперь устанавливают модель стояка и засыпают все сначала облицовочной, а потом наполнительной смесью. Последнюю вновь тщательно уплотняют и вновь накалывают вентиляционные каналы.
Модель стояка (вертикального канала для подвода расплава к форме) вынимают и слегка расширяют его верхнюю часть. Образуется углубление – литниковая чаша, куда наливают жидкий металл. Ее основное назначение – облегчить попадание в стояк струи металла из разливочного ковша, а также способствовать отделению металла от шлака, что плавает на его поверхности; в верхней части литниковой чаши иногда ставят перегородки, которые его задерживают.
Затем верхнюю опоку снимают, а в нижней прорезают горизонтальные каналы – литники. Кромки формы вокруг модели слегка увлажняют водой, чтобы они не осыпались при выемке модели. В модель ввинчивают сверху винт, который литейщики называют «подъемом», легкими ударами деревянного молотка «расколачивают» модель и осторожно вынимают ее из формы. Остается тщательно осмотреть форму и исправить возможные повреждения, продуть ее полость сильной струей сжатого воздуха, чтобы удалить остатки земли, выкрасить формовочной краской и высушить.
Завершается все сборкой: верхнюю опоку по направляющим штырям точно состыковывают с нижней, а сверху ставят на них тяжелый груз или же свинчивают. Если ни того, ни другого не делать, то при заливке металл может просочиться в разъем и вытечь.
Земляные или глинисто-песчаные формы для каждой отливки нужно выполнять заново. Чтобы снизить трудоемкость формовки, иногда применяют полупостоянные формы, которые изготавливаются из огнеупорных масс, предварительно обожженных при температуре 800-900 К. Такие формы выдерживают по нескольку десятков и даже сотен заливок и нуждаются лишь в периодическом обновлении слоя защитной краски, соприкасающейся с жидким металлом.
Это самый простой способ – формовка в двух опоках по цельной модели. Литейщики знают таких способов множество: и формовка по разъемным моделям, и в нескольких опоках, и стопочная формовка, и формовка без опок, и по шаблонам, и в стержнях и т.д. В общем, способов много, но принцип один – получение полости, соответствующей форме будущей отливки.
Теперь о заливке. Это тоже целая наука. Так, способ подвода расплава к форме зависит не только от размеров, конфигурации, толщины стенок отливки, но и от металла. Если вы льете серый чугун, подводите металл к тонким сечениям. Если же деталь изготавливается из стали, расплав подводят в толстые части: у стали большая усадка, а через тонкие места невозможно добиться хорошего питания отливки. Для быстрого заполнения форм применяют клиновидные литники, которые подают расплав тонкой и широкой струей; если же нужен плавный и безударный подвод, используют сифонные и рожковые литники. Дождевые литники, в свою очередь, разбивают металл на маленькие струйки и хороши в тех случаях, когда есть опасение, что большая сплошная струя размоет литейную форму.
После того как форму залили расплавом, нужно ждать, пока отливка затвердеет и остынет примерно до 700-800 К. Только тогда ее можно будет выбивать, т.е. освобождать из формы. При выбивке раскаленные отливки пышут жаром, а формовочная земля повисает в воздухе едкой пылью. Это очень неприятная работа, и она сейчас почти всюду механизирована. Опоку подвешивают к подъемному крану и трясут с помощью мощных вибраторов (приводятся в действие воздухом). Под коромыслом в полу имеется люк, закрытый толстой решеткой. Когда в результате вибрации опоки вываливается полуформа с отливкой, она распадается на куски, горелая формовочная смесь проваливается сквозь решетку и уносится в землеприготовительное отделение, где используется снова, а отливка остается сверху.
Первым делом отливку нужно очистить от стержней, забивающих все ее дыры и полости. Раньше стержни выбивали пневмозубилами и молотками, теперь чаще всего используют гидроочистку; стержни разрушаются и размываются струей воды под сильным давлением, а примешанные к ней кварцевые песчинки бомбардируют поверхность отливки и отдирают от нее грязь и наросты. Поскольку гидроочистка происходит в закрытой камере, а рабочий, управляющий струей, находится все время снаружи, ему не приходится ни мокнуть, ни дышать пылью.
Другой способ очистки – очистка с помощью дробеструйных и пескоструйных аппаратов.
Еще более прогрессивный способ очистки электрохимическая и очистка электрогидравлическим ударом. Наконец, лишний металл – литники – отбивается от хрупких чугунных отливок молотком, а от отливок из других материалов отрезается пилами или газовыми горелками. Заливы и заусеницы удаляют абразивными кругами.
Теперь отливка почти готова. После поверхностного осмотра, обычных замеров, проверки химсостава химическим или спектрографическим способом и исследования микроструктуры ее направляют на рентгеновское просвечивание для определения скрытых пороков. В последнее время широко используют для просвечивания гамма-лучи и ультразвук. Отливки из магнитных материалов проходят еще так называемые магнитные испытания. Идея их в том, что поток силовых линий, проходящих через отливку, встречаясь с препятствием (в данном случае с внутренним дефектом), меняет направление или рассеивается. Это фиксируется индукционными приборами – магнитными дефектоскопами.
Обнаружив даже серьезные дефекты, не обязательно отливку выбрасывать. Чаще всего ее можно исправить. Вырубают, например, дефектное место до чистого металла и заполняют образовавшуюся полость расплавом того же химического состава, что и отливка, или даже лучшего качества. Вместо вырубки можно выплавить дефектное место электродугой или газовым резаком.
Данный способ «ремонта» отливок – металлизация. Мелкие капли металла, расплавленные электрической дугой, выдуваются сжатым воздухом и направляются прямо на дефектное место.
Литье в разовые песчано-глинистые формы применяют в индивидуальном и мелкосерийном производстве крупногабаритных деталей из черных и цветных сплавов.
При индивидуальном производстве литье в песчано-глинистые формы является наиболее экономичным способом благодаря малой стоимости формовочных материалов и модельной оснастки. Но получаемые отливки имеют шероховатую поверхность, невысокую точность размеров и вследствие крупнозернистости структуры и значительной пористости металла в отливках – невысокие механические свойства. Отливки, полученные этим способом, должны иметь припуск на последующую механическую обработку (3-10 мм).