Литье с кристаллизацией под давлением осуществляют на прессах и литейных машинах, позволяющих выдерживать расплав под давлением до окончания его затвердевания. Расплав заливают в пресс-форму, смонтированную на столе пресса или машины, а затем прессуют пуансоном, закрепленным на ползуне. Последующее прессование осуществляют в момент появления в расплаве некоторого количества твердой фазы, т.е. когда кристаллизация его в объеме пресс-формы уже началась. В ряде случаев расплав заливают в так называемом кашеобразном состоянии (основная часть расплава имеет твердую фазу). Далее запрессованный в пресс-форму расплав выдерживают до окончательного затвердевания под давлением. Отсюда и название способа – литье с кристаллизацией под давлением.

В зависимости от конфигурации отливки, пресс-формы и условий формообразования, а также формы прессующей части пуансона (поршня) различают следующие схемы этого способа литья: расплав прессуется в замкнутом объеме пресс-формы пуансоном, имеющим плоскую ровную рабочую поверхность; расплав прессуется пуансоном, имеющим выступающие части на рабочей поверхности; расплав прессуется пуансоном, в рабочей поверхности которого имеются углубления. В ряде случаев, как и при литье под давлением с вертикальной камерой прессования, расплав из пресс-формы выдавливается пуансоном и в другие ее части.

При рассмотренном способе литья не происходит замешивания в расплав воздуха; расплав прессуется в момент быстрого увеличения твердой фазы и, следовательно, дегазации; за счет пластических деформаций, обусловленных высоким давлением, предупреждается образование усадочных раковин и пор, происходит сжатие газовых пор, а также практически полностью предотвращается выделение газов из расплава в процессе его кристаллизации. Отсутствие зазора между отливкой и рабочими стенками пресс-формы и пуансона ускоряет теплоотвод и, следовательно, увеличивает скорость кристаллизации и охлаждения отливки, что способствует получению мелкозернистой структуры и подавлению ликвационных процессов.

В момент заливки температура матрицы и пуансона должна находиться в пределах 450–520 К, а температура перегрева расплава превышать линию ликвидус на 50–100 градусов. Скорость опускания пуансона в расплав принимают обычно равной 0,1–0,5 м/с, а иногда и меньшей. Время выдержки расплава под давлением выбирают из расчета 1 с на 1 мм толщины стенки отливаемой отливки. Детали пресс-формы и пуансона, соприкасающиеся с расплавом, рекомендуется изготовлять из жаропрочных сталей, например ЗХ2В8,4ХВ8, Х12М и др.

Способы литья с кристаллизацией под давлением наиболее целесообразны для производства компактных отливок повышенной плотности из цветных сплавов, но могут ограниченно применяться и для изготовления простых по конструкции отливок из чугуна и стали.

ШТАМПОВКА ЖИДКОГО МЕТАЛЛА

Объем стального литья под давлением сравнительно невелик и ограничен небольшими деталями, что объясняется главным образом трудностями подбора достаточно стойких материалов пресс-форм.

Сущность метода заключается в том, что жидкий металл подается непосредственно в металлическую форму, под давлением прессующего пуансона происходит уплотнение залитого металла. Сопряжение пуансона и матрицы образует закрытую фасонную полость. Наружные контуры отливки получают разъемной формой, если деталь имеет наружные выступы, или неразъемной формой - при отсутствии выступов; внутренние полости образуются внедрением пуансона в жидкий металл.

Технологический процесс штамповки заготовок из жидкого металла объединяет в себе процессы литья, горячей объемной штамповки и выдавливания.

Использование давления при формообразовании обеспечивает возможность получения острых и четких граней, высокой чистоты поверхности, плотности металла и повышение механических свойств. При штамповке из жидкого металла устраняется основной недостаток литья под давлением – газовые и усадочные раковины. Кристаллизация отливок происходит в условиях напряженного состояния всестороннего сжатия – схемы, при которой значительно повышается пластичность материалов, что позволяет обрабатывать хрупкие материалы, например оловянные бронзы. Основное оборудование для штамповки из жидкого металла – фрикционные или гидравлические прессы.

Штамповку из жидкого металла применяют при серийном и крупносерийном производствах; в некоторых случаях процесс рентабелен при сериях в 50 – 100 деталей. Этот способ позволяет получать весьма сложные тонкостенные детали, имеющие фасонную образующую снаружи и внутри, детали с центральной полостью глубиной 0,4 –1,0 диаметра детали, сплошные и толстостенные заготовки типа фланцев, тройников, корпусов и т.п. Заготовки из цветных сплавов могут быть получены массой до 300 кг, из черных металлов несколько меньше. По механическим свойствам заготовки не уступают ковано-штампованным, структура – мелкозернистая, полностью отсутствуют литейные дефекты.

Штамповку из жидкого металла осуществляют в двух вариантах: с кристаллизацией под поршневым давлением и выдавливанием из жидкого металла.

Литье с кристаллизацией под поршневым давлением нашло применение при изготовлении уплотненных сплошных заготовок типа компактных толстостенных фасонных заготовок с толщиной стенок от 7 мм и выше. Залитый в металлическую форму жидкий металл подвергают давлению со стороны пуансона для уплотнения. Пуансон перекрывает матрицу и воздействует на металл, избыток которого вытекает через систему выпоров, прорезанных в вершине матрицы. Металл подвергают давлению в течение всего периода времени, необходимого для затвердевания отливки.

При данном технологическом процессе наблюдается следующее:

практически полное устранение усадочных раковин и усадочной пористости, поэтому отпадает необходимость применения прибылей;

внешнее давление на металл заставляет газы, находящиеся в жидком металле, оставаться в растворе, благодаря чему отсутствуют газовые раковины и пористость, устраняется ликвация составляющих сплава, различных по плотности;

увеличение скорости затвердевания отливок, что способствует измельчению структуры, повышению механических свойств отливок.

Штамповку выдавливанием жидкого металла применяют для получения фасонных деталей с полостями толщиной стенок 2 –100 мм. Наиболее целесообразно выдавливанием изготавливать детали с центральными отверстиями диаметром до 90 и толщиной стенок до 7 мм.

Залитый в матрицу жидкий металл под давлением пуансона, поперечное сечение которого меньше поперечного сечения матрицы, устремляется вверх, заполняя полость формы, образованную внутренней поверхностью матрицы и наружной поверхностью пуансона. После окончания формообразования давление прессующего пуансона передают на верхние торцы заготовки и на ее внутреннюю поверхность для уплотнения в процессе затвердевания. Выдержку металла под давлением продолжают до полного затвердевания заготовки, что обеспечивает получение четких граней и высокой точности заготовок. Формообразование выдавливанием осуществляется одновременно с кристаллизацией металла под давлением и в зависимости от конфигурации детали сопровождается также пластическим деформированием; что позволяет получать детали более сложной формы, чем при обработке давлением.

Способом выдавливания жидкого металла можно получать сложные заготовки с различными фасонными приливами на наружной поверхности, значительно выходящими за пределы габаритных размеров детали; в заготовках могут быть получены отверстия, расположенные не только в направлении движения пуансона, но и в перпендикулярном направлении. Однако получение сквозных отверстий этим способом формообразования весьма затруднительно из-за значительного усложнения оснастки.

Штамповка из жидкого металла занимает промежуточное положение между литьем и обработкой давлением. Поэтому при выборе этого способа формообразования заготовки необходимо учитывать его преимущества по сравнению с литьем и горячей объемной штамповкой.

Преимущества перед литьем под давлением:

-более высокое давление, действующее на металл заготовки во время ее кристаллизации, уплотняет металл, устраняет литейные пороки (газовые и усадочные раковины), присущие литью под давлением;

-отпадает необходимость в литниковой системе, так как металл вводят непосредственно в рабочую полость формы;

-увеличивается скорость кристаллизации, в результате чего структура металла получается более равномерной, мелкозернистой;

-значительно повышаются механические свойства заготовок;

-более высокая стойкость форм, чем при литье под давлением;

-способ более универсален: позволяет получать заготовки как тонкостенные, так толстостенные из всех стандартных литейных сплавов.

Преимущества перед горячей объемной штамповкой:

-возможность изготовления заготовок как из деформируемых, так и из литейных, мало пластичных и хрупких сплавов,

-незначительные затраты на формообразование, примерно в шесть-восемь раз меньше, чем при горячей объемной штамповке;

-возможность выполнения глубоких полостей, тонких сечений, сложных приливов с большими линейными размерами и малой толщиной;

-возможность получения ответственных деталей при незначительной или же полностью исключенной механической обработке;

-более высокая точность заготовки, обусловленная меньшим износом инструмента;

-значительное сокращение цикла изготовления заготовки, так как отсутствует необходимость получения исходных заготовок в виде слитка или прутка;

-снижение расхода материалов и трудоемкости изготовления деталей из заготовок, полученных жидкой штамповкой.

Лекция 10