Литниковые системы. Литниковые системы: элементы и принципы Элементы литниковой системы назначение разновидности применение

Литниковые системы для стального литья

Для обеспечения заполнения за оптимальное время полости литейных форм в них должны быть выполнены соответствующие литниковые каналы, называемые литниковой системой. В простейшем варианте она включает литниковую воронку , стояк , зумпф , литниковый ход и питатель . Литниковая система дополнительно может содержать фильтр для очистки расплава от шлаковых и песчаных частиц, а также неметаллических включений. Она должна обеспечить получения качественных отливок при наименьших затратах энергетических, материальных и трудовых ресурсов.

Для этого литниковая система должна: 1) обеспечивать быстрое, но спокойное заполнение формы; 2) быть экономичной с точки зрения расхода металла; 3) быть технологичной, т.е. удобной для формовки, компактной и легко отделяемой от отливки; 4) предотвращать попадание в полость формы шлаковых и песчаных частиц, а также обеспечивать очистку жидкого металла от неметаллических включений; 5) способствовать последовательному затвердеванию различных частей отливки по направлению к прибыли; 6) способствовать рассредоточению термических напряжений и не затруднять линейную усадку отливки; 7) не препятствовать удалению газов из стержней.

В стальном литье применяют расширяющиеся литниковые системы или литниковые системы равного сечения. В расширяющихся литниковых системах суммарные площади сечения ее элементов последовательно увеличиваются от стояка к литниковому ходу и питателю, т.е. SF СТ < SF ЛХ < SF ПИТ. В таких литниковых системах скорость потока расплава в каналах постепенно снижается и жидкий металл поступает в полость формы спокойно, без разбрызгивания. При разливке стали из стопорных ковшей, когда струя расплава попадает в форму с большой скоростью, требование спокойного заполнения становится определяющим. Поэтому расширяющиеся литниковые системы применяют прежде всего при изготовлении крупного и большей части среднего стального литья. Однако, в этом случае возникает опасность неполного заполнения каналов литниковой системы, особенно литникового хода и питателей.

В литниковых системах равного сечения суммарные площади всех ее элементов одинаковы, т.е. SF СТ: SF ЛХ: SF ПИТ = 1: 1: 1. Их применяют в условиях стопорной разливки при производстве крупных стальных отливок, когда каналы литниковой системы выполняют с использованием составных нормализованных керамических изделий в виде воронок, трубок, тройников, звездочек и щелевых питателей. Применение керамических изделий предотвращает эрозионное разрушение формы. Однако, из-за их высокой стоимости, а также повышения трудоемкости изготовления форм литниковые системы равного сечения применяют в особых случаях, если другие варианты выполнения литниковых систем не обеспечивают получение отливки требуемого качества.

В стальном литье виду высокой склонности жидкого металла к окислению для предотвращения разбрызгивания струи и обеспечения спокойного заполнения формы применяют преимущественно литниковые системы с нижним подводом расплава –нижнебоковые или сифонные, ярусные, с обратным стояком.

Нижнебоковая и сифонная литниковые системы обеспечивают подачу расплавленного металла в полость литейной формы на уровне нижней части отливки, что создает благоприятные условия для спокойного заполнения формы. Применение их в стальном литье обусловлено прежде всего необходимостью предотвращения разбрызгивания струи расплава и ограничения его взаимодействия с воздухом из-за повышенной склонности жидкой стали к поверхностному окислению и пленообразованию. Но при таком подводе верхняя подприбыльная часть отливки заполняется более холодным металлом, чем нижняя. Последняя и охлаждается менее интенсивно, так как нижние слои формы успевают заметно прогреться к моменту окончания заливки. Вследствие этого нарушается ход направленного снизу вверх (к прибыли) последовательного затвердевания отливки. Поэтому такие литниковые системы могут применяться лишь при изготовлении отливок небольшой высоты.

Ярусная литниковая система обеспечивает подачу расплавленного металла в полость литейной формы на нескольких уровнях. Фактически она представляет собой сочетание нижне, средне- и верхнебоковой литниковых систем. При этом вначале она работает как нижнебоковая, а затем как среднебоковая и, наконец, как верхнебоковая литниковая система. Поэтому практически вся полость формы заполняется расплавом под затопленный уровень. При этом в верхнюю ее часть подводится наиболее горячий расплав. Вследствие этого ярусная литниковая система имеет преимущества всех боковых литниковых систем. Ее недостатками являются сложность конструкции и обусловленное этим увеличение расхода металла на литниковую систему, а также повышение трудоемкости формовки из-за необходимости выполнения разъма формы для каждого яруса. Однако, применение ярусных литниковых систем вполне оправдано при изготовлении крупных и уникальных отливок, поскольку другие типы литниковых систем не могут обеспечить эквивалентное сочетание качества отливок и экономичности их производства.

Литниковая система с обратным стояком , наряду с обычным (прямым), имеет дополнительный (обратный) стояк, связанный с первым сифонным подводом металла. При этом каналы литникового хода и питателей примыкают к обратному стояку. Такая литниковая система обеспечивает почти полную релаксацию кинетической энергии потока расплава, поэтому создается возможность спокойного заполнения формы, несмотря на высокие начальные скорости истечения струи из ковша. Литниковая система с обратным стояком обычно имеет ярусное распределение жидкого металла в форме. При изготовлении мелких стальных отливок на каждом ярусе размещают одну или группу отливок. При изготовлении крупных стальных отливок ярусные литниковые каналы обеспечивают спокойное заполнение одной отливки, но с благоприятным распределением температуры по высоте отливки, способствуя ее направленному затвердеванию.

Верхнебоковая литниковая система обеспечивает подачу расплавленного металла в полость литейной формы на уровне верхней части отливки. Она имеет такие же достоинства, что и верхняя литниковая система, но расплав попадает в полость формы не свободной, а каскадной струей, с меньшей кинетической энергией. Причем по мере уменьшения высоты отливки эти недостатки становятся все менее значимыми. Поэтому верхнебоковые литниковые системы применяют при изготовлении отливок высотой не более 100 мм.

Среднебоковая литниковая система обеспечивает подачу расплавленного металла в полость литейной формы на уровне средней по высоте части отливки. При этом полость формы, расположенная ниже уровня питателей, заполняется металлом как при верхнебоковой литниковой системе, а выше уровня питателей – как при нижнебоковой литниковой системе. Поэтому такая литниковая система сочетает достоинства и недостатки обоих типов литниковой системы, хотя и не в полной мере.

При выборе крнструкции литниковой системы необходимо придерживаться следующих правил:

1. Протяженность каналов литниковой системы должна быть короткой и жидкий металл необходимо подводить к полости формы кратчайшим путем. Для этого следует разместить отливки на плоскости разъема формы максимально плотно, но с соблюдением требуемых дистанций между отливками, отливками и элементами литниковой системы, между отливками или элементами и краем опоки (Табл. 2.5.6).

Затем необходимо выбрать рациональную траекторию литникового хода. В частности, при изготовлении отливок, имеющих конфигурацию тел вращения и наружный диаметр не более 700 мм, наиболее рациональным является подвод металла в центральную часть отливки. При наружном диаметре в пределах 700-1000 мм металл к отливке необходимо подводить с внешней стороны отливки через подковообразный литниковый ход. При большем наружном диаметре отливок целесообразно применять комбинированный подвод металла – в центральную часть и с внешней стороны. Размещение литникового хода вдоль внешнего контура применяют также при изготовлении отливок коробчатого типа. При изготовлении в одной форме нескольких отливок желательно разместить их симметрично относительно литникового хода, а стояк – в центре ветвей литникового хода.

2. Поток металла, подводимый в полость формы, должен быть направлен вдоль стенки отливки или касательно (тангенциально) к ней , но никак не перпендикулярно к поверхности стержня или стенки формы. Для этого необходимо подводить металл в торцевые части плоских стенок отливки или касательно к средней оси сечения отливок тел вращения.

3. Подвод металла должен обеспечивать одностороннее движение металла в форме . При этом для отливок тел вращения односторонее движение должно трансформироваться во вращательное движение. Встречное движение потоков допускается, если их головные части затем сливаются в прибыль, выпор или другую вспомогательную емкость.

4. Не желательно размещать элементы литниковой системы вблизи знаков стержней (из-за ухудшения условия газоотвода из формы) и холодильников (из-за снижения эффективности их работы), а также жеребеек (из-за опасности их проплавления и обусловленного этим смещения стержня).

5. Подвод металла осуществляют в наиболее массивную часть отливки, если толщина ее стенок отличается незначительно, и, наоборот, металл подводят к тонким стенкам, если в отливке имеются стенки с существенно различающимися толщинами . Первая часть правила обусловлена необходимостью обеспечения направленного затвердевания отливки, поскольку при незначительной разнице в толщине ее стенок это является наиболее актуальной задачей. Вторая часть правила обусловлена необходимостью уменьшения градиента температур в различных частях отливки из-за опасности возникновения трещин. При сильно различающихся толщинах актуальной становится уже проблема снижения термических напряжений, поскольку условие направленного затвердевания выполняется заведомо. Причем при значительной разнице толщин рекомендуется, наряду с подводом металла в тонкие части, ускоренно охлаждать массивные части. Но соблюдая при этом условие обеспечения направленного к прибыли последовательного затвердевания отливки.

Если возможно технологически, то целесообразно применять литниковые системы, содержащие элементы нижнего или сифонного подвода металла, которые обеспечивают заполнение полости формы под затопленный уровень. В этом случае даже при применении расширяющехся литниковых систем литниковый ход и питатели оказываются всегда заполненными, как при применении сужающихся литниковых систем. Поэтому, при условии заполнения полости формы жидким металлом под затопленный уровень во всех случаях следует применять расширяющиеся литниковые системы. При этом соотношение площадей сечений элементов выдерживают в следующих пределах:

SF СТ: SF ЛХ: SF ПИТ = (1: 1,3: 1,5) ¸ (1: 1,5: 2) . (2.5.10)

При изготовлении крупных стальных отливок ответственного назначения каналы литниковой системы выполняют из огнеупорых трубок. При этом площади элементов литниковой системы принимают одинаковыми или кратными:

SF СТ: SF ЛХ: SF ПИТ = 1: 1: 1 или 1: 2: 2. (2.5.11)

Если по технологическим условиям не удается сконструировать литниковую систему с подводм жидкого металла в нижние горизонты отливки, а заливка осуществляется из поворотного ковша, то литниковую систему выполняют сужающейся. В этом случае литниковый ход выполняет роль шлакоуловителя. Такие ситуации могут возникать при изготовлении мелкого и частично среднего литья. При этом рекомендуют следующее соотношение площадей сечений элементов литниковой системы:

SF СТ: SF ЛХ: SF ПИТ = (1,1: 1,05: 1) ¸ (1,4: 1,2: 1). (2.5.12)

Для снижения скорости потока жидкого металла на входе в полость формы питатели выполняют в виде раструбов с увеличением площади выходного сечения в 1,2 – 1,3 раза.

Способы подвода металла

Типы литниковых систем

Литниковопитающая система - это система каналов и элементов литейной формы, по которым расплавленный металл подводят к полости формы, заполняют ее и осуществляют питание отливки во время затвердевания. Первые две задачи выполняются литниковой системой, а третье- прибылями, обеспечивающими питание отливки и предотвращающими образование в отливках усадочных раковин.

Литниковая система должна отвечать следующим требованиям: заполнять форму металлом за определенное время, обеспечивать минимальное количество неметаллических и газовых включений в металле, создавать рациональный режим затвердевания и охлаждения отливок, иметь небольшую массу и обеспечивать удобство формовки.

Простейшая литниковая система представлена на рис. 10.

Рис. 10. Литниковая система

Основными элементами литниковой системы (рис. 10) являются: 1 – литниковая чаша; 2 – стояк; 3 – коллектор (шлакоуловитель); 4 – литники; 5 – выпор.

Литниковая чаша - предназначена для приема расплавленного металла и задержания шлака (рис. 11). Перед заливкой крупных и средних форм отверстие в чаше рекомендуется закрывать пробкой, чтобы в начале заливки чаша наполнилась расплавом. При этом более легкие шлаки газы успевают всплыть. Затем пробку вынимают, и металл поступает в полость формы. В течении всего времени заливки чаша должна быть наполнена расплавом. Заливку прерывать нельзя.

Рис. 11. Литниковая чаша с пробкой

Стояк 2 – вертикальный канал, соединяющий литниковую чашу 1 с шлакоуловителем 3, и служит для передачи расплава на другой уровень и другим элементам литниковой системы.

Шлакоуловитель 3 – это горизонтальный канал, соединяющий стояк с питателями. Располагается он обычно в верхней полуформе и имеет трапецеидальное сечение.

Питатели 4 – подводят расплав непосредственно в полость формы, и сечение их может быть различным (прямоугольным, круглым, трапецеидальным), но площадь сечения должна быть меньше толщины стенки, к которой подводятся питатели. Выпоры 5 предназначены для вывода воздуха и газов из полости формы при заливке и сигнализации о ее завершении.

Выпор 5 – это вертикальный канал, служащий для вывода газов из формы и для контроля заполнения формы расплавленным металлом.

Типы литниковых систем . При выборе конструкции литниковой системы важно выбрать место подвода питателей к отливке. При одновременном затвердевании всех частей отливки металл стремятся подвести в ее тонкие сечения, а при направленном затвердевании - в толстые. Так, например, при изготовлении основной массы отливок из серого чугуна металл подводят в тонкие места отливок, а при производстве отливок из стали – в толстые. Это связано с разной объемной усадкой у этих сплавов.

Литниковые системы подразделяются по гидродинамическому признаку на сужающиеся и расширяющиеся, а по направлению течения материала в полость формы – на верхние, боковые и нижние (сифонные).

В сужающихся литниковых системах имеет место последовательное уменьшение площадей поперечных сечений стояка, шлакоуловителя и питателей: F стояка > ∑F шлакоул. > ∑F пит. . Такие соотношения площадей поперечных сечений элементов литниковых систем находят широкое применение в производстве чугунных отливок.В расширяющихся литниковых системах узкое место чаще всего находится в нижнем сечении стояка: F стояка < ∑F шлакоул. < ∑F пит. . Расширяющиеся литниковые системы применяются при изготовлении стальных отливок, алюминиевых, магниевых легкоокисляющихся сплавов.

Конструкций литниковых систем много и для каждой отливки она своя. Для начального изучения большинство их можно склассифицировать в четыре группы, рис. 12:

– верхние литниковые системы, с подводом металла в верхнюю часть отливки с верхним (рис. 12, а), боковым (рис. 12, б) подводом и дождевая литниковая система (рис. 12, в); г – литниковая система по разъему формы с боковым подводом металла; такие литниковые системы применяются часто, в том числе при машинном изготовлении форм;

– нижние литниковые системы с боковым (рис. 12, д) и сифонным (рис. 12, е) подводом металла в форму;

Литниковая система устанавливается для обеспечения плавного и равномерного продвижения жидкого металла по каналам формы, а также является своеобразным фильтром для используемого расплава.

Подобная система, как правило, состоит из литниковой чаши (воронки), стояка, шлакоуловителя, питателей и прибылей.

Из разливочного ковша расплавленный металл наливают в литниковую чашу, или воронку, которая располагается в верхней части формы (рис. 166).

Рис. 166. Виды литниковых воронок: а – простая; б – в форме чаши.

Для изготовления небольших по размеру отливок из алюминия или чугуна в форме проделывают воронку (рис. 166, а). Для литья крупных изделий в форме создают чашу (рис. 166, б). Причем выступ на ее дне служит в качестве своеобразного шлакоуловителя.

Из литниковой чаши (или воронки) жидкий сплав попадает в стояк, обычно вертикально расположенный в верхней полуформе под углом 2–4° и имеющий коническую или цилиндрическую форму. Модели стояков лучше всего изготавливать из дерева.

Шлакоуловитель

Он является своеобразным передаточным звеном, откуда очищенный от шлаков сплав поступает к питателям. По внешнему виду шлакоуловитель представляет собой горизонтально расположенный канал.

Поскольку плотность жидкого металла и шлаков различна, последние быстрее всплывают на поверхность. В остывшем вязком сплаве этот процесс идет медленнее, и мелкие включения не успевают всплывать на поверхность. Поэтому очистку лучше проводить, пока металл еще не успел охладиться.

На рис. 167 представлены различные виды шлакоуловителей.

Рис. 167. Виды шлакоуловителей: а – обычный; б – с удержанием шлака в широком канале; в – с удержанием шлака в высоком канале.

Питатели

Питатели имеют обычно прямоугольную или трапециевидную форму. Они должны легко отделяться от полученного в процессе литья и затем охлажденного изделия. Питатели чаще всего делаются прямоугольной или трапециевидной формы, реже – полукруглой. Из них жидкий металл попадает непосредственно в полость формы.

В форме необходимо также расположить прибыли. При охлаждении некоторые металлы дают очень большую усадку, поэтому недостаток металла необходимо компенсировать. Для этого в верхних полуформах создают дополнительные каналы и полости, в которые заливается добавочный металл (рис. 168).

Рис. 168. Прибыли: а – полости для прибылей; б – каналы для выхода воздуха.

Холодильник

С помощью холодильников можно регулировать процессы охлаждения металла внутри формы. Различают внешние и внутренние холодильники.

Внешние холодильники располагают в различных местах формы: под фланцем отливки, под полкой, в углу стенки, сверху и в углах Т-образной стенки. Такие холодильники, как правило, вклеивают внутрь формы с помощью жидкого клея.

При литье крупных изделий отдельные части холодильника (шпильки, проволочную спираль или металлическую пластину) размещают внутри полости формы, причем при взаимодействии с жидким металлом такой внутренний холодильник должен полностью расплавиться.

Для выведения из полости лишнего воздуха и образующихся в процессе литья газов в форме делают выпоры – вертикально расположенные каналы, которые выходят наружу и в полость формы.

С этими же целями в полуформах с помощью длинных игл – душников – проделывают вентиляционые каналы.

Жеребейки

Для стержней при отливе необходимо установить дополнительные опоры – жеребейки, которые должны будут сплавиться с жидким металлом.

Жеребейки бывают самых разнообразных конфигураций. Они должны иметь гладкую и чистую поверхность.

При этом для литья из стали нужно использовать жеребейки из низкоуглеродистой стали, для литья чугунных изделий применяют чугунные жеребейки.

При изготовлении тонкостенных отливок (толщиной не более 10 мм) лучше всего использовать жеребейки из белой жести, а при литье крупных изделий применяют литые.

Из книги: Коршевер Н. Г. Работы по металлу

Выбор того или другого типа литниковой системы зависит от многих факторов, главными из которых являются: положение отливки в форме и наличие разъема формы; габаритные размеры и конфигурация отливки; предъявляемые к отливке требования (ответственная или неответственная отливка); свойства сплава; возможности питания отливки прибылями; удобство отделения питателей от затвердевшей отливки.

Верхняя литниковая система

Верхняя литниковая система (рис. 1, а) обеспечивает хорошую заполняемость при кратчайшем пути металла до формы, создает наиболее благоприятные условия для последовательной направленной кристаллизации отливки снизу к прибылям, не вызывает развития местных перегревов формы и связанных с этим дефектов. Она наиболее проста по выполнению, легко удаляется при обрубке литья и требует наименьшего по сравнению с другими типами литниковых систем расхода металла за счет уменьшения размеров прибылей. Основной недостаток этого типа систем - каскадный сброс расплава в форму, приводящий к его интенсивному перемешиванию и окислению, захвату воздуха, образованию пены и ее замешиванию внутрь отливки. При верхней литниковой системе ухудшаются также условия задержания шлака в коллекторе, так как питатели большую часть времени заливки не могут работать под затопленный уровень. Кроме того, верхняя литниковая система создает опасность размыва формы и стержней падающим с большой высоты потоком металла.

Рис. 1. Типы литниковых систем: а - верхняя; б - нижняя; в - боковая (по разъему); г - вертикально-щелевая; д и е - ярусные соответственно с горизонтально и вертикально расположенными питателями; ж - комбинированная; 1 - чаша; 2 - стояк; 3 - зумпф; 4 - металлоприемник (промежуточный канал); 5 - коллектор; 6 - питатель горизонтальный; 7 - отливка; 8 - прибыли; 9 - колодец (обратный стояк); 10 - вертикальная щель; 11 - шлакосборник над коллектором; 12 - шлакосборник над питателем - питающая бобышка; 13 - питатель вертикальный; 14 - выпор

Отмеченные недостатки верхней литниковой системы в значительной мере могут быть устранены при заливке форм в наклонном положении или при выполнении заливки с кантовкой. Поэтому верхнюю литниковую систему часто применяют для отливок с высотой до 100 мм, а также при литье мелких деталей в кокиль, кантовку которого обеспечивать значительно проще, чем кантовку песчаной формы.

Нижняя литниковая система

Нижняя литниковая система (рис. 1, б) в наибольшей степени обеспечивает спокойное заполнение формы расплавом, исключающее его вспенивание, разбрызгивание и окисление, хорошо задерживает неметаллические включения, находящиеся в расплаве до его поступления в форму, способствует удовлетворительной заполняемости и последовательному вытеснению воздуха и газов из полости формы. Нижняя литниковая система легко удаляется при обрубке, а расход металла на нее меньше, чем на вертикально-щелевую систему.

Однако при такой литниковой системе из-за перегрева нижних слоев формы могут нарушиться тепловой режим охлаждающейся отливки и, следовательно, самый ход последовательной направленной кристаллизации, что может привести к образованию усадочных раковин и рыхлот. Чтобы избежать образования этих дефектов, применяют холодильники, устанавливают прибыли увеличенных размеров или доливают их горячим металлом. Но этих мер может оказаться недостаточно при литье сплавов с широким температурным интервалом кристаллизации, склонных к образованию рассеянной усадочной пористости. Кроме того, при нижней литниковой системе трудно обеспечить заполняемость тонкостенных высоких отливок с развитой поверхностью. Поэтому при h отл /δ отл > 50 (где h отл - высота отливки без прибылей; δ отл - средняя толщина стенки) для обеспечения заполняемости формы применяют вертикально-щелевую или комбинированную систему. Такой тип литниковой системы в наибольшей степени отвечает требованиям, предъявляемым к литниковым системам, и поэтому получил наибольшее распространение для литья цветных сплавов.

Боковая литниковая система

Боковая литниковая система (рис. 1, в) обеспечивает заполнение нижней части отливки сверху, а верхней части - снизу. Преимущество системы - удобство выполнения в форме.

Вертикально-щелевая литниковая система

Вертикально-щелевая литниковая система (рис. 1, г) наряду со спокойным вводом расплава в форму обеспечивает хорошую заполняемость форм тонкостенных отливок, задерживает неметаллические включения при отшлаковывании в коллекторе и вертикальном колодце, создает благоприятные условия для последовательной, Направленной снизу вверх кристаллизации отливок, обеспечивая подачу Горячего металла в верхние слои отливки и прибыль. Таким образом, этот тип литниковой системы обеспечивает лучший тепловой режим и лучшую заполняемость тонкостенных высоких отливок, чем нижняя литниковая система.

К недостаткам вертикально-щелевой системы относятся: возможность вспенивания сплава в начальный момент заполнения формы и опасность возникновения местных перегревов формы в области, прилегающей к вертикальным щелям, приводящих к образованию дефектов усадочного характера, а также сложность ее выполнения в форме и удаления при обрубке.

Вертикально-щелевая литниковая система наиболее эффективна при литье высоких тонкостенных (h отл /δ отл > 50) отливок цилиндрической и коробчатой форм, а также при литье мелких и средних отливок в кокили, наклоняемые для устранения опасности вспенивания расплава в начальной стадии заполнения.

Ярусная литниковая система

Ярусная литниковая система (рис. 1, д и е) создает благоприятные условия для заполнения формы и кристаллизации отливки, так как наиболее горячие порции расплава поступают в верхнюю часть, а последовательная заливка снизу способствует спокойному заполнению и вытеснению воздуха. Недостаток этой системы - сложность ее изготовления, так как в этом случае необходимы несколько горизонтальных разъемов формы. Преимущественное применение ярусной системы - при литье в кокили с вертикальным разъемом. Кроме того, может использоваться при литье крупных высоких и тонкостенных отливок в песчаные формы.

Комбинированная литниковая система

Комбинированная литниковая система (рис. 1, ж), в которой сочетаются несколько типов систем, например, нижняя система с вертикально-щелевой обладает преимуществами этих систем. В этом случае форма спокойно заполняется расплавом, рационально распределяется температура по сечению отливки и тем самым обеспечивается ее последовательная кристаллизация. Эту систему применяют преимущественно для заливки крупногабаритных отливок сложной конфигурации в песчаных формах, особенно в тех случаях, когда площади горизонтальных сечений отливки резко меняются с ее высотой. Недостаток комбинированной системы - сложность выполнения и удаления ее при обрубке, а также повышенный расход металла.