Кокили

Классификация конструкций кокилей

В производстве используют кокили различных конструкций. В зависимости от отсутствия или наличия поверхности разъема кокили бывают неразъемные (вытряхные) или разъемные.

Неразъемные, или вытряхные, кокили применяют в тех случаях, когда конструкция отливки позволяет удалять ее вместе с литниками из полости кокиля без его разъема. Обычно эти отливки имеют достаточно простую конфигурацию.

В случае разъемных кокилей расположение и число разъемов определяются необходимостью реализовать рациональное положение отливки в кокиле при заливке, разместить технологические элементы (литниковую систему, прибыли и др.), собрать форму и извлечь из нее без разрушения готовую отливку конкретной конструкции. В свою очередь, разъемы кокиля предопределяют выбор кокильной машины с соответствующим количеством и расположением механизмов, которые обеспечивают перемещение подвижных частей кокиля при его сборке и разборке.

По числу рабочих полостей (гнезд), определяющих возможность одновременного (с одной заливки) изготовления того или иного числа отливок, кокили разделяют на одноместные и многоместные.

В зависимости от способа охлаждения различают кокили с воздушным (естественным и принудительным), жидкостным (водяным, масляным) и комбинированным (водовоздушным и т.д.) охлаждением. Если воздушное охлаждение используют для малотеплонагруженных кокилей, то водяное охлаждение обычно применяют для высокотеплонагруженных кокилей, а также для повышения скорости охлаждения отливки или ее отдельных частей. Вода подается раздельно в обе половины кокиля, нижнюю плиту и верхнюю крышку.

Элементы конструкции кокилей

Конструктивное исполнение основных элементов кокилей – полуформ, плит, металлических стержней, вставок – зависит от конфигурации отливки и от особенностей установки кокиля на кокильную машину.

К основным элементам конструкции кокилей относят: формообразующие элементы – половины кокилей, нижние плиты (поддоны), вставки, стержни; конструктивные элементы – толкатели, плиты толкателей, системы нагрева и охлаждения кокиля и отдельных его частей, вентиляционная система, центрирующие штыри и втулки.

Корпус кокиля или его половины выполняют коробчатым с ребрами жесткости. Ребра жесткости на тыльной (не рабочей) стороне кокиля делают невысокими, толщиной 0,7 – 0,8 толщины стенки кокиля, сопрягая их галтелями с корпусом. Толщина стенки кокиля зависит от состава заливаемого сплава и его температуры, размеров и толщины стенки отливки, материала, из которого изготовляется кокиль, и его конструкции. Толщина стенки кокиля должна быть достаточной, чтобы обеспечить заданный режим охлаждения отливки, необходимую жесткость кокиля и минимальное его коробление при нагреве отводимой теплотой залитого расплава, а также стойкость против растрескивания.

Размеры и конструкция частей кокиля должны позволять размещать и закреплять его на плитах кокильной машины.

Стержни в кокилях могут быть песчаными и металлическими. Песчаные стержни для кокильных отливок должны обладать пониженной газотворностью и повышенной поверхностной прочностью. Первое требование обусловлено трудностями удаления газов из кокиля, второе – взаимодействием знаковых частей стержней с кокилем, в результате чего отдельные песчинки могут попасть в полость кокиля и образовать засоры в отливке. Стержневые смеси и технологические процессы изготовления песчаных стержней могут быть различными – сплошные и оболочковые стержни из холоднотвердеющих смесей и т.д. В любом случае использование песчаных стержней в кокилях вызывает необходимость организации дополнительной технологической линии для изготовления стержней в кокильном цехе. Однако, в конечном счете использование кокилей в комбинации с песчаными стержнями в большинстве случаев экономически оправдано.

Использование металлических стержней зависит от конструкции отливки и технологических свойств сплава. Их использование дает возможность повысить скорость затвердевания отливки, сократить продолжительность цикла ее изготовления, в отдельных случаях повысить механические свойства и плотность (герметичность) отливки. Однако при использовании металлических стержней возрастают напряжения в отливках, увеличивается опасность появления в них трещин из-за затруднения усадки.

Для надежного извлечения стержней из отливки они должны иметь ук-лоны 1 – 5о, хорошие направляющие во избежание перекосов, а также быть надежно зафиксированы в форме.

Во многих случаях металлические стержни делают водоохлаждаемыми изнутри. Водяное охлаждение стержня обычно включают после образования в отливке прочной корочки. При охлаждении размеры стержня сокращаются и между ним и отливкой образуется зазор, благодаря которому уменьшаются усилия при извлечении стержня из отливки.

Вентиляционная система должна обеспечивать направленное вытеснение воздуха из кокиля расплавом. Для выхода воздуха используют открытые выпоры, зазоры по плоскости разъема и между подвижными частями кокиля и специальные вентиляционные каналы. По плоскости разъема делают газоотводные каналы, направленные по возможности вверх. В местных углублениях формы при заполнении их расплавом могут образовываться воздушные мешки. В этих местах в стенке кокиля устанавливают вентиляционные пробки. При выборе места установки вентиляционных пробок необходимо учитывать последовательность заполнения формы расплавом.

Центрирующие элементы – контрольные штыри и втулки – предназначены для точной фиксации половин кокиля при его сборке. Обычно их количество не превышает двух и располагают их в диагонально противоположных углах кокиля.

Закрытие и запирание кокилей, устанавливаемых на машинах, осуществляется пневматическим или гидравлическим приводом подвижной плиты машины. Системы нагрева и охлаждения кокиля предназначены для поддержания заданного температурного режима процесса. Применяют электрический и газовый обогрев. Первый используется для общего нагрева кокиля, второй более удобен для общего и местного нагрева.

Материалы для кокилей

В процессе эксплуатации в кокиле возникают значительные термические напряжения как результат чередующихся резких нагревов при заливке, а также при затвердевании отливки и охлаждений при раскрытии кокиля и извлечении отливки, нанесении на рабочую поверхность огнеупорного покрытия. Кроме знакопеременных термических напряжений под действием переменных температур в материале кокиля могут протекать структурные изменения и химические процессы. Поэтому материалы, предназначенные для изготовления кокиля, особенно его частей, непосредственно соприка-сающихся с расплавом, должны хорошо противостоять термической устало-сти, иметь высокие механические свойства и претерпевать минимальные структурные превращения при температурах эксплуатации, обладать повышенной ростоустойчивостью и окалиностойкостью, характеризоваться минимальной диффузией отдельных элементов при циклическом воздействии температур, хорошо обрабатываться, быть недефицитными и недорогими.

Производственный опыт показывает, что для изготовления рабочих стенок кокилей пригодны следующие материалы, в достаточно полной мере соответствующие указанным требованиям:

чугуны СЧ20, СЧ25 и др. – кокили для мелких и средних отливок из алюминиевых, магниевых, медных сплавов, чугуна, а также кокили с воздушным и водовоздушным охлаждением;
чугуны ВЧ40, ВЧ45 и др. – кокили для мелких, средних и крупных отливок из чугунов: серого, высокопрочного, ковкого, кокили с воздушным и водовоздушным охлаждением;
стали 10, 20, Ст3, стали 15Л, 15ХМЛ и др. – кокили для мелких, средних, крупных и особо крупных отливок из чугуна, стали, алюминиевых, магниевых, медных сплавов;
медь и ее сплавы, легированные стали и сплавы с особыми свойствами – вставки для интенсивного охлаждения отдельных частей отливок, тонкостенные водоохлаждаемые кокили, массивные металлические стержни для отливок из разных сплавов;
силумины АЛ9, АЛ11 и др. — водоохлаждаемые кокили с анодированной поверхностью для мелких отливок из алюминиевых и медных сплавов.

Наиболее широко для изготовления кокилей применяют серый и высокопрочный чугуны, так как эти материалы в достаточной мере удовлетворяют основным технологическим требованиям и сравнительно дешевы. Эти чугуны должны иметь феррито-перлитную структуру. Графит в серых чугунах должен иметь форму мелких изолированных включений. В этих чугунах не допускается присутствие свободного цементита, так как при нагревах кокиля произойдет распад цементита с изменением объема материала, в результате в кокиле возникнут внутренние напряжения, способствующие короблению, образованию сетки разгара, снижению его стойкости. В состав чугунов для кокилей с целью повышения их стойкости вводят до 1 % никеля, меди, хрома, а содержание вредных примесей (серы и фосфора) в них должно быть минимальным. Например, для изготовления кокилей с высокой теплонагруженностью рекомендуется серый чугун следующего химического состава, мас. %: 3,0 – 3,2 С, 1,3 –1,5 Si, 0,6 – 0,8 Мn, 0,7 – 0,9 Сu, 0,3 – 0,7 Ni, 0,08 – 0,1 Тi, не более 0,12 S, не более 0,1 Р.

Для изготовления кокилей широко используют также низкоуглеродистые стали марок 10, 20, а также стали, легированные хромом и молибденом, например, сталь марки 15ХМЛ. Эти материалы обладают высокой пластичностью, поэтому хорошо сопротивляются растрескиванию при эксплуатации.

Кокили для мелких отливок из алюминиевых сплавов иногда изготавливают также из алюминиевых сплавов (АЛ9 и АЛ11). Такие кокили анодируют, в результате чего на их рабочей поверхности образуется тугоплавкая износостойкая пленка оксида алюминия толщиной до 0,4 мм, температура плавления которой составляет около 2000^оС. Высокая теплопроводность стенок кокиля из алюминия способствует быстрому отводу теплоты от отливки. Эти кокили обычно делают водоохлаждаемыми.

Медь также часто используют для изготовления рабочих стенок водоохлаждаемых кокилей. Из меди делают отдельные вставки, вкладыши в местах, где необходимо ускорить отвод тепла от отливки и тем самым управлять процессом ее затвердевания.

Стержни простой конфигурации изготовляют из конструкционных углеродистых сталей, а стержни сложной конфигурации – из легированных сталей. Для прочих деталей – осей, валов, болтов и т.д. – используют конструкционные стали.

Стойкость кокилей и пути ее повышения. Данный показатель измеряется числом отливок требуемого качества, полученных в данном кокиле до выхода его из строя. Приблизительная стойкость кокилей приведена в таблице 3.1.

Таблица 3.1 – Приблизительная стойкость кокилей

Основной причиной разрушения кокиля являются сложные термохимические процессы в материале кокиля, вызываемые неравномерным циклическим нагревом и охлаждением его рабочей стенки во всех трех ее измерениях (по толщине, длине и ширине). Это приводит к появлению неоднородного, изменяющегося с изменением температуры поля напряжений в стенке кокиля, вызывающего ее упругие и пластические деформации. Для последних характерны остаточные деформации и напряжения. Теоретически показано, что в поверхностном слое кокиля нереализованная термическая деформация обычно в 2 раза превосходит деформацию, соответствующую пределу текучести материалов при определенной температуре. Поэтому в каждом цикле термического нагружения (заливка – удаление отливки) деформация сжатия сменяется дефор-мацией растяжения, что приводит к термической усталости материала кокиля. Термические напряжения возникают также вследствие структурных превращений и роста зерна материала кокиля, протекающих тем интенсивнее, чем выше температура его нагрева. Способность кокиля выдерживать термические напряжения зависит от механических свойств его материала при рабочих температурах кокиля. Эти свойства резко снижаются при нагреве. Например, предел текучести стали 15 при нагреве до температуры 600оС уменьшается приблизительно в 3 раза.

Уровень возникающих в кокиле напряжений зависит также от конструкции кокиля – толщины его стенки, конструкции ребер жесткости и т.д. Например, тонкие ребра жесткости большой высоты приводят к появлению трещин на рабочей поверхности кокиля, а низкие ребра могут не обеспечить жесткость кокиля и привести к короблению.

Стойкость кокилей обеспечивается конструктивными, технологическими и эксплуатационными методами.

Конструктивные методы основаны на правильном выборе материалов для кокилей в зависимости от преобладающего вида разрушения, разработке рациональной конструкции кокиля.

Термические напряжения, приводящие к снижению стойкости кокиля, являются следствием нереализованной термической деформации: менее нагретые части кокиля (слои рабочей стенки, прилегающие к внешней нерабочей поверхности, ребра жесткости) препятствуют расширению нагревающейся металлом отливки части кокиля. Уменьшить напряжения можно, если термическая деформация нагретой части происходит беспрепятственно. Этого можно достичь, если расчленить рабочую стенку кокиля на отдельные элементы в продольном или поперечном направлениях. Тогда вследствие зазоров между элементами кокиля каждый из них при нагреве расширяется свободно.

Для повышения стойкости кокилей используют сменные вставки, оформляющие рабочую полость кокиля. Благодаря зазорам между корпусом и вставкой, термическая деформация вставки протекает свободно, возникающие в ней напряжения снижаются, стойкость кокиля возрастает. Наиболее эффективно использование сменных вставок в многоместных кокилях.

Технологические методы направлены на повышение стойкости поверхностного слоя рабочей полости, имеющего наибольшую температуру при работе кокиля. Для этого используют поверхностное легирование, алитирование, силицирование, термическую обработку различных видов, наплавку, напыление на рабочую поверхность материалов, повышающих стойкость кокиля. Каждый из этих способов предназначен для повышения стойкости кокиля к разрушениям определенного вида.