Литье. Литье металла: процесс, способы, методы Наивысшей производительностью отличается способ литья

Способ литья в оболочковые формы основан на получении разовых полуформ и стержней в виде оболочек толщиной 6…10 мм.

Их изготавливают путем отверждения на металлической оснастке слоя смеси, в которой связующее вещество при нагреве вначале расплавляется, а затем затвердевает (необратимо), придавая оболочке высокую прочность. Технология литья в оболочковые формы включает ряд операций, выполнение которых при литье данным способом имеет ярко выраженные особенности.

К ним относятся : приготовление специальной песчано-смоляной смеси; формирование на модельной оснастке тонкостенных оболочковых форм и стержней; сборка форм и их подготовка к заливке.

Для приготовления оболочковых форм выпускают специальное связующее, представляющее собой смеси фенолформальдегидной смолы с катализатором отверждения смолы, вводимым в количестве 7… 8%.

Предварительное формирование оболочки наиболее часто производят, используя поворотный бункер 1, в который засыпают песчано-смоляную смесь 2 (рис. 19, а). На верхнюю часть бункера, снабженную кольцевым каналом 3 для подачи охлаждающей воды, устанавливают моделями вниз и закрепляют нагретую до 200…240 o С металлическую модельную плиту 4. На ней закреплена с помощью четырех направляющих колонок 5 плита 6 толкателей 7. Толкатели, равномерно распределенные по всей плите, выходят на рабочую поверхность, как модели, так и модельной плиты. Их фиксируют специальными хвостовиками в гнездах плиты 6 и закрепляют в ней прижимной плитой 8. Модельная плита с выталкивающим устройством помещена в корпус 9. Для фиксации плиты толкателей в исходном положении на направляющих колоннах 5 установлены пружины 10.

Рис. 19. Технология литья в оболочковые формы

Для предварительного формирования оболочки бункер 1, снабженный цапфами 11 и поворотным механизмом, поворачивают на 180 о и формовочный материал падает на горячую модельную плиту (рис.19, б), уплотняясь под действием гравитационных сил. В прилегающем к плите слое смеси смола плавится (при температуре 95-115 o С), смачивая зерна песка, а затем начинает полимеризоваться, загустевая и отверждаясь по мере прогрева до более высокой температуры. За 30…40 с выдержки смола успевает оплавиться в слое толщиной около 10 мм.

Слой остается на модельной плите после поворота бункера в исходное положение (рис19, в) и сброса на дно бункера не прореагировавшей, сохранившей свои начальные свойства и пригодной для последующего использования части смеси.

Теперь модельную плиту со сформированной оболочковой полуформой снимают с бункера (рис.19, г) и подают в печь 12 (рис.19, д), где при температуре 300-400 o С за 90…120 с заканчивается полимеризация, и смола приобретает высокую технологическую прочность. Затем готовую оболочковую полуформу снимают с модельной плиты (рис.19, е) и соединяют с другой полуформой (например, склеиванием) на специальном пневмопрессе (рис.19, ж). Для исключения прорыва расплава, формы с вертикальным разъемом обычно заформовывают (рис.19, з) в опорный наполнитель (песок, дробь и т.п.). Формы небольшой высоты с горизонтальным разъемом в большинстве случаев не заформовывают и заливают на поддонах с песчаной постелью. В оболочковые формы получают отливки практически из любых промышленных сплавов массой до 200…300 кг .

Преимущества литья в оболочковые формы по сравнению с литьем в песчано-глинистые разовые формы заключаются в следующем:

• уменьшение параметров шероховатости поверхности и существенное улучшение внешнего товарного вида отливок;
• возможность получения отливок с тонким и сложным рельефом, а также толстостенных отливок с литыми каналами малых сечений;
• уменьшение трудоемкости ряда операций технологического процесса (приготовление смеси, изготовление формы, очистка отливок и пр.);
• сокращение в 8…10 раз и более объема переработки и транспортирования формовочных материалов;
• уменьшение металлоемкости формовочного оборудования.

Кроме того, для литья в оболочковые формы характерна меньшая жесткость с оболочки, что следует рассматривать как достоинство метода в сравнении методами литья в кокиль .

Основные недостатки метода литья в оболочковые формы:

• относительно высокая стоимость смоляного связующего;
• сложность модельной и стержневой оснастки;
• повышенное выделение вредных химических веществ в ходе термического разложения смоляного связующего;
• недостаточная прочность оболочек при получении тяжелых отливок;
• склонность к появлению некоторых специфических видов дефектов, сопровождающих низкую газопроницаемость литейной формы.

.

Сущность литья по выплавляемым моделям сводится к изготовлению отливок заливкой расплавленного металла в разовую тонкостенную неразъёмную литейную форму, изготовленную из жидкоподвижной огнеупорной суспензии по моделям разового использования (разовые выплавляемые модели изготовляют из легко плавких компонентов - парафин, жирные кислоты и др.) с последующим затвердеванием залитого металла, охлаждением отливки в форме и извлечение её из формы (рис. 20).

Сжатый воздух

Рис.20. Последовательность операций процесса литья по выплавляемым моделям: 1 - изготовление моделей в пресс-форме; 2 - сбор моделей в модельный блок на металлический стояк; 3 - нанесение на модельный блок огнеупорной суспензии ; 4 - обсыпка слоя суспензии зернистым материалом в кипящем слое

Отличительными особенностями литья по выплавляемым моделям являются низкая теплопроводность и высокая начальная температура формы, что значительно снижает скорость отвода теплоты от залитого металла и способствует улучшению наполняемости полости формы, но одновременно приводит к укрупнению кристаллического строения и к появлению усадочных раковин и пористости в стенках толщиной 6…8 мм.

Керамическая суспензия позволяет точно воспроизвести контуры модели, а образование неразъёмной литейной формы с малой шероховатостью поверхности способствует получению отливок с высокой точностью геометрических размеров и тоже с малой шероховатостью поверхности, что значительно снижает объём механической обработки отливок. Припуск на механическую обработку составляет 0,2…0,7 мм.

Заливка расплавленного металла в горячие формы позволяет получать сложные по конфигурации отливки с толщиной стенки 1…3 мм и массой от нескольких граммов до нескольких десятков килограммов из жаропрочных труднообрабатываемых сплавов (турбинные лопатки), коррозионно-стойких сталей (колёса для насосов), углеродистых сталей в массовом производстве (в авто- и приборостроении, других отраслях машиностроения ) рис. 21; рис. 22.

Рис. 21. Отливки, полученные методом литья по выплавляемым моделям

Рис. 22. Литьё по выплавляемым моделям

Литьё в кокиль. Сущность кокильного литья заключается в изготовлении отливок заливкой расплавленного металла в многократно используемые металлические литейные формы - кокили с последующим затвердеванием залитого металла, охлаждением отливки и извлечением её из полости формы (рис. 23).

Рис.23. Литьё в металлический кокиль: 1 - стержень; 2 - кокиль; 3 - отливка

Отличительные особенности литья в кокиль состоит в том, что формирование отливки происходит в условиях интенсивного теплового взаимодействия с литейной формой, т. е. залитый металл и затвердевающая отливка охлаждаются в кокиле с большой скоростью, чем в песчаной форме; кокиль практически не податлив и более интенсивно препятствует усадке отливки, что затрудняет извлечение её из кокиля, а также может приводить к короблению и трещинам в отливках; физико-химическое взаимодействие отливки и кокиля минимально, что способствует повышению качества поверхностного слоя отливки.

Кокили - металлические формы - изготовляют литьём, механической обработкой и другими методами из серого чугуна (СЧ 15, СЧ 20 и др.), стали (10Л, 15Л, 20Л и др.) и других материалов. Стержни и различные вставки выполняют из легированных сталей (30ХГС, 35ХГСА и др.) так как элементы кокиля работают в условиях воздействия высоких температур и механических нагрузок.

Все операции технологического литья в кокиль механизированы и автоматизированы. Кокильное литьё применяют в массовом и серийном производствах для получения отливок из чугуна, стали и сплавов цветных металлов с толщиной стенок 3…100 мм, массой от нескольких граммов до нескольких сотен килограммов (рис.24).

При литье в кокиль сокращается расход формовочной и стержневой смесей. затвердевание отливок происходит в условиях интенсивного отвода тепла из залитого металла, что обеспечивает более высокие плотность металла и механические свойства, чем у отливок, полученных посредством песчаных форм. Отливки, изготовленные литьём в кокиль, отличаются высокой геометрической точностью размеров и малой шероховатостью поверхности, что снижает припуски на механическую обработку вдвое по сравнению с литьём в песчаные формы. Этот способ литья высокопроизводителен .

Недостатки кокильного литья - высокая трудоёмкость изготовления кокилей, их ограниченная стойкость, трудность изготовления сложных по конфигурации отливок.

Рис. 24. Отливки, полученные литьём в кокиль

Центробежное литьё. При центробежном литье сплав заливают во вращающиеся формы; формирование отливки осуществляется под действием центробежных сил, что обеспечивает высокие плотность и механические свойства отливки (рис. 25).

Рис.25. Шпиндельная машина для изготовления отливок центробежным литьём :

1 - жёлоб; 2 - крышка; 3 - защитный кожух; 4 - форма; 5 - система охлаждения; 6 - шпиндель; 7 - шкив; 8 - станина; 9 - бетонное основание; 10 - электродвигатель; 11 - клиноремённая передача

Центробежным литьём отливки изготовляют в металлических, песчаных, оболочковых формах и формах для литья по выплавляемым моделям на центробежных машинах с горизонтальной или вертикальной осью вращения.

Металлические формы - изложницы изготовляют из чугуна и стали. Толщина изложницы обычно в 1,5…2 раза больше толщины отливки. В процессе литья изложницы с наружи охлаждают водой или воздухом. На рабочую поверхность изложницы наносят теплозащитные покрытия для увеличения срока их службы. Перед началом работы изложницы подогревают до температуры 200 о С.

Преимущества центробежного литья - получение внутренних полостей трубных заготовок без применения стержней; большая экономия сплава за счёт отсутствия литниковой системы; возможность получения двухслойных заготовок, что достигается поочерёдной заливкой в форму различных сплавов (сталь и чугун, чугун и бронза и т.д.).

Литьё под давлением. Сущность литья под давлением заключается в изготовлении отливок в металлических формах (пресс-формах) заполнением расплавом под действием внешних сил. Затвердевание отливки протекает под избыточным давлением или при охлаждении водой. После охлаждения отливку извлекают из пресс-формы (рис. 26; рис. 27).

На машинах с горизонтальной камерой прессования порцию расплавленного металла заливают в камеру прессования (рис.26, а), который плунжером 5 под давлением 40…100 МПа подаётся в полость пресс-формы (рис.26, б), состоящей из неподвижной 3 и подвижной 1 полуформы. Внутреннюю полость в отливке получают стержнем 2. После затвердевания отливки пресс-форма раскрывается (рис.26, в), извлекается стержень 2 и отливка 7 выталкивателями 6 удаляется из рабочей полости пресс-формы.

Рис. 26. Схема процесса изготовления отливок на машинах с горизонтально холодной камерой прессования

Рис. 27. Изделия, полученные методом литья под давлением

На рис. 28,а показана одна из разновидностей способов непрерывного литья и получаемые различной формы отливки.

Процесс непрерывного литья осуществляется следующим образом. Расплавленный металл из металлоприёмника 1 через графитовую насадку 2 поступает в водоохлаждаемый кристаллизатор 3 и затвердевает в виде отливок 4, которая вытягивается специальным устройством 5. Длинные отливки разрезают на заготовки требуемый длины. Этим способом получают различные отливки (рис. 28,б) с параллельными образующими из чугуна, медных, алюминиевых и других сплавов. Отливки, полученные этим способом, не имеют неметаллических включений, усадочных раковин и пористости благодаря созданию направленного затвердевания сплава.

Рис. 28. Схема горизонтального непрерывного лить (а) и образцы отливки (б)

Отличительные особенности литья под давлением:

- значительное давление на расплав (100 МПа и более) обеспечивает высокую скорость высокую скорость движения потока расплава в пресс-форме (0,5…120 м/с). Это позволяет получать отливки с толщиной стенки менее 1 мм;

- высокая скорость впуска расплава в полость пресс-формы не позволяет воздуху и продуктам разложения смазочного материала полностью удалиться из полости пресс-формы. Для этого используют вакуумирование полости пресс-формы или продувка камеры прессования и полости пресс-формы кислородом до полного удаления воздуха;

- высокая интенсивность теплового взаимодействия между расплавом, отливки и пресс-формой способствует изменению структуры в поверхностных слоях отливки, повышению её прочности и т.д.;

- для уменьшения усадочной пористости используется подпрессовка в конечный момент прессования, вследствие чего повышаются механические свойства материала отливок, и возрастает их герметичность;

- при литье под давлением температуру заливки сплава выбирают на 10…20 о С выше температуры ликвидуса, а пресс-форму нагревают до температуры 120…320 о С.

Литьё под давлением используют в массовом и крупносерийном производствах отливок с минимальной толщиной стенок 0,8 мм, с высокой точностью размеров и малой шероховатостью поверхности благодаря точной обработке и тщательному полированию рабочей полости пресс-формы; без механической обработки или с минимальными припусками, что резко сокращает объём механической обработки отливок; с высокой производительностью процесса.

На рис. 29 показана схема промышленной установки литья под низким давлением в металлическую форму.

Рис. 29. Схема и установка для литья под низким давлением :

1 - тигель с расплавленным металлом; 2 - металлопровод; 3 - камера тигля; 4 - металлическая форма; 5 - отливка; 6 - воздухопровод; 7 - герметизирующая крышка; 8 - нагреватели

Недостатки литья под давлением - высокая стоимость пресс-форм и оборудования; ограниченность габаритных размеров и массы отливок; наличие воздушной пористости в массивных частях отливок, снижающей прочность деталей, и др.

В настоящее время имеются ещё ряд технологий получения отливок:

- литьё под регулируемым давлением (литьё под низким давлением, литьё с противодавлением, литьё вакуумным всасыванием и др.);

- электрошлаковое литьё. Этим способом получают отливки ответственного назначения массой до 300 т: корпуса клапанов и задвижек атомных и тепловых электростанций, коленчатые валы судовых дизелей, корпуса сосудов высокого давления, роторы турбогенераторов и др.

Выбор рационального способа изготовления отливок. Современные требования, предъявляемые к литым заготовкам деталей машин, характеризуются максимальным приближением отливок по форме и размерам к готовым деталям, экономией металла, применением прогрессивных методов литья.

Исходной информацией для выбора способа изготовления отливки являются чертёж детали и технические требования на неё; материал детали; программа выпуска; параметры, по которым осуществляется оптимизация способа получения литой детали, и т.д.

Литье металла – это востребованный технологический процесс, который позволяет изготавливать металлические изделия нужной формы. Проводится отливка из разных сплавов, обладающих той или иной степенью жидкотекучести в расплавленном состоянии.

Такой способ выполнения позволяет выпускать качественную продукцию без применения громоздкого оборудования и огромного количества работников. На современном рынке эта технология пользуется огромным спросом, а также входит в десятку самых эффективных и применяемых в мире.

Общие сведенья

В процессе производства проводится заливка расплавленного материала в специальные формы. После охлаждения он принимает нужную форму и подвергается последующей обработке. Используются такие изделия в различных отраслях экономики:

• автомобилестроение;
• авиационная промышленность;
• машиностроение;
• стоматология;
• ортопедия;
• ювелирное производство.

Для разных видов сплавов используется определенная технология литья, позволяющая добиться нужных качеств в готовом изделии и избежать брака. Для литейного производства используются разные виды компонентов. Они обладают высоким показателем жидкотекучести. Это свойство сплава определяется:

• химическим составом;
• структурой металлического сплава;
• температурой плавления.

Наиболее востребованными в промышленности являются металлы, имеющие низкую температуру плавления, так как их производство менее затратное. Чем ниже температура плавления материала, тем легче производится его отливка.

Металлы для заливки

В нужную форму специалисты могут отлить любой подготовленный сплав в расплавленном состоянии. Проблема состоит в том, что каждый вид материала имеет свою особенную температуру плавления и разную степень жидкотекучести. Чаще всего в промышленном литье используются металлы с низкой температурой плавления.

Компоненты, пригодные для литья, разделяют на черные, цветные и редкоземельные.

К черным относятся сталь, литейный и чугун. Все остальные сплавы относят к цветным и редкоземельным.

Для каждого вида сплавов используются специальные методы литья, позволяющие изготавливать изделия из следующих материалов:

• стали;
• чугуна;
• алюминия;
• меди;
• латуни;
• золота;
• серебра;
• платины;
• никеля;
• титана;
• бронзы;
• магния.

За все время существования литейного производства было разработано много разных технологических решений с разными условиями отливки.

При отливке изделий из черных металлов используют с разным содержанием углерода. Изделия с повышенной прочностью отливают из .

Это самый распространенный материал, который используется для промышленной заливки.

Методы литья деталей

Для производства деталей станков и иной продукции используется обычный ковкий чугун и чугун перлитный, обладающей хорошей пригодностью к обработке.

Литейный чугун, который используется в разных сферах производства, делят на четыре вида:

• белый;
• серый;
• отбеленный;
• половинчатый.

Его отливка отличается низкой себестоимостью, сам материал имеет небольшую прочность и обрабатывается при помощи обычного резания.

Более прочным материалом для оливки считается чугун, в состав которого входит шаровидный графит.

Широко применяются для заливки сплавы цветных металлов, прежде всего и алюминий. Они отличаются высокой устойчивостью к коррозии и стоят недорого.

Самой дорогой считается технология производства титанового сплава, требующая соблюдения особенных условий заливки и остывания. Такой редкоземельный сплав используется для высокотехнологичных отраслей экономики, таких как авиакосмическая индустрия или медицина.

Сплавы драгоценных металлов используются при отливке ювелирных, медицинских изделий или деталей для электроники.

Литьё металла

Способы отливки изделий из металлических сплавов

Современное литейное производство кроме традиционной технологии заливки жидкого металла в песчаные формы применяют и другие высокотехнологичные, производительные способы литья:

• вакуумный;
• центробежный;
• под давлением;
• центробежный;
• оболочковый;
• многократный;
• ртутный;
• по выплавляемым моделям;
• электрошлаковый.

Высокотехнологичные виды литья позволили создавать металлические изделия с определенными качествами при высокой производительности труда и минимальном браке.

Чаще всего сегодня в промышленных масштабах используются следующие технологии производства:

• в металлические формы (коколь);
• статическое литье;
• отливка под давлением;
• в оболочковые формы;
• в выплавляемые модели.

При выполнении статической заливки используются неподвижные формы, в которые разливают жидкий металл. Готовые изделия достают после того, как они остынут в неподвижной модели.

Производство титана

Для изготовления высокопрочных сплавов из титана и стали применяют вакуумную отливку, позволяющую снизить в металле содержание газов. Таким способом создают более плотную структуру металлического сплава с помощью плавления в вакууме. Затем горячий металл разливают в многократные емкости, в которых он остывает.

При введении технологии отливки под давлением применяется специальное оборудование, с помощью которого заполняют пресс-формы жидким металлом. Он подается под высоким давлением в диапазоне 7–700 МПа.

Такой способ производства выполняется машинами горячего или холодного прессования.

Выполняется эта технология для заливки алюминиевых, медных, цинковых и оловянно-свинцовых сплавов. Все эти металлы обладают низкой температурой плавления, что увеличивает технологические характеристики изделий из них.

Холодные и горячие способы литья под давлением позволяют получать изделие с идеально точными размерами и ровной поверхностью, которую не нужно после завершения процесса дополнительно обрабатывать.

Такая технология позволяет повысить производительность труда. А также она сокращает время всего технологического цикла, упрощает изготовление металлического изделия. У нее имеются также недостатки, к которым относится невозможность производить продукцию сложной конфигурации, так как они могут при вынимании из пресс-формы деформироваться. Таким способом производят только металлическую продукцию, имеющую небольшой диаметр.

При центробежном литье применяются специальные вращающиеся в горизонтальной или вертикальной плоскости формы.

Действие центробежных сил обеспечивает равномерное заполнение всех полостей в отливочной форме. Внедряется такая технология отлива при производстве труб, втулок или металлических дисков. А также ее применяют при отливке ажурных ювелирных изделий.

Издержки процессов

Для уменьшения убыточности процесса обычные способы литья в одноразовые модели были модернизированы с созданием высокопрочных полимерных составов. Для этого стали производить отливку в оболочковые емкости, изготовленные из термореактивного порошкообразного полимера. Он при воздействии температуры превращается в твердую оболочку, формирующую жидкий сплав.

Таким способом отливаются радиаторы водяного и парового отопления, узлы автомобилей, станков, самолетов и других видов высокотехнологичных механизмов. Эта технология позволяет получать детали большого размера и любой сложной модификации.

Традиционной считается отливка в кокиль, когда используется прочная форма.

Из нее вытаскивается деталь после отвердения металла. Таким способом производят простые стальные изделия небольшого размера. Чаще всего в кокиль отливаются медные и алюминиевые сплавы с невысокой температурой правления.

Модель для них делается из жаропрочной стали или чугуна, имеющих боле высокую температуру плавления чем медь или алюминий.

К преимуществам такой технологии следует отнести:

• невысокую себестоимость производственного процесса и возможность его недорогой автоматизации;
• простоту исполнения;
• сохранность отливочных форм, которые используются неоднократно;
• точность параметров изготовленных изделий;
• качественную структуру металла, в которой не будет неметаллических частиц;
• гладкую поверхность изделия, которая получается при таком способе отливки.

Традиционная технология отливки по выплавляемым моделям сегодня усовершенствовалась благодаря появлению новейших материалов.

Если раньше модель для заливки сплава делали из дерева или иной органики, которая могла быть разрушена высокими температурами при выжигании, то сегодня используются легкоплавкие материалы, такие как парафин и стеарин.

Отливка по выплавляемым моделям применяется при отливке художественной продукции со сложной конфигурацией. Это затратная технология отлива, которая используется при создании памятников или иных художественных изделий.

Стальную емкость для такой заливки делают на основе моделей из легкоплавких материалов, она имеет точные размеры, а ее поверхность тщательно полируют.

Виды отливочных форм

Для литья металлов пускают в ход разные емкости, которые разделяют на песочные, применяемые только один раз во время оливки, а также многократные. Многоразовые отливочные емкости делают из разных материалов:

• чугуна;
• жаропрочной стали;
• огнеупорной керамики;
• графита.

Широко распространены чугунные кокили и изложницы. При изготовлении продукции из алюминия, меди и других цветных сплавов выполняют металлические формы из чугуна, меди и латуни.

Такое решение было принято давно, оно позволяет легко проводить подготовку материалов к основному процессу. Сам процесс длится недолго, модели выходят высокого качества. При выполнении этой технологии привлечение большого количества рабочих не требуется.

Металлические отливочные емкости бывают открытыми и закрытыми. Открытые – это изложницы, а закрытые – кокили. В закрытых емкостях имеется полость, повторяющая размеры выплавляемой детали. Заливка жидкого металла в них проводится через специальное отверстие.

Оболочковые отливочные емкости используются при заливке сплавов цветных и драгоценных металлов, а также изделий из стали. Для отливки сплавов цветных металлов их делают из порошкообразного диоксида кремния или гипса.

При изготовлении продукции из золота, платины и серебра пресс-форму делают из легкоплавкого материала, который заполняется ртутью, парафином или пластмассой, что позволяет создавать продукт сложной конфигурации небольшой толщины.

Настолько щепетильная работа требует от всего персонала высокой точности и квалификации. Каждый этап производства проводится в оптимальных условиях, способствующих выходу только качественной продукции.

Видео: Отливка деталей в песчаные формы на заводе Амурский металлист

Литью поддаются все металлы. Но не все металлы обладают одинаковыми литейными свойствами, в частности жидкотекучестью – способностью заполнять литейную форму любой конфигурации. Литейные свойства зависят главным образом от химического состава и структуры металла. Важное значение имеет температура плавления. Металлы с низкой температурой плавления легко поддаются промышленному литью. Из обычных металлов наивысшая температура плавления у стали. Металлы делятся на черные и цветные. Черные металлы – это сталь, ковкий чугун и литейный чугун. К цветным относятся все другие металлы, не содержащие в значительных количествах железа. Для литья применяются, в частности, сплавы на основе меди, никеля, алюминия, магния, свинца и цинка. СПЛАВЫ.

Черные металлы.

Стали.

Различают пять классов сталей для промышленного литья: 1) малоуглеродистые (с содержанием углерода менее 0,2%); 2) среднеуглеродистые (0,2–0,5% углерода); 3) высокоуглеродистые (более 0,5% углерода); 4) низколегированные (менее 8% легирующих элементов) и 5) высоколегированные (более 8% легирующих элементов). На среднеуглеродистые стали приходится основная масса отливок из черных металлов; такие отливки представляют собой, как правило, промышленную продукцию стандартизованной сортности. Различные виды легированных сталей разработаны для достижения высокой прочности, пластичности, ударной вязкости, коррозионной стойкости, теплостойкости и усталостной прочности. Литые стали по своим свойствам близки к кованой стали. Предел прочности такой стали при растяжении составляет от 400 до 1500 МПа. Масса отливок может изменяться в широком диапазоне – от 100 г до 200 т и более, толщина в сечении – от 5 мм до 1,5 м. Длина отливки может превышать 30 м. Сталь – универсальный материал для литья. Благодаря своей высокой прочности и пластичности она представляет собой превосходный материал для машиностроения.

Ковкий чугун.

Существуют два основных класса ковкого чугуна: обычного качества и перлитный. Делают отливки также из некоторых легированных ковких чугунов. Предел прочности при растяжении ковкого чугуна составляет 250–550 МПа. Благодаря своей усталостной прочности, высокой жесткости и хорошей обрабатываемости он идеален для станкостроения и многих других массовых производств. Масса отливок составляет от 100 г до нескольких сот килограммов, толщина в сечении обычно не более 5 см.

Литейный чугун.

К литейным чугунам относят широкий диапазон сплавов железа с углеродом и кремнием, содержащих 2–4% углерода. Для литья применяются четыре основных вида литейного чугуна: серый, белый, отбеленный и половинчатый. Предел прочности при растяжении литейного чугуна составляет 140–420 МПа, а некоторых легированных литейных чугунов – до 550 МПа. Для литейного чугуна характерны низкая пластичность и низкая ударная прочность; у конструкторов он считается хрупким материалом. Масса отливок – от 100 г до нескольких тонн. Отливки из литейного чугуна применяются практически во всех отраслях промышленности. Их себестоимость невелика, и они легко обрабатываются резанием.

Чугун с шаровидным графитом.

Шаровидные включения графита придают чугуну пластичность и другие свойства, выгодно отличающие его от серого чугуна. Шаровидность включений графита достигается путем обработки чугуна магнием или церием непосредственно перед литьем. Предел прочности при растяжении чугуна с шаровидным графитом составляет 400–850 МПа, пластичность – от 20 до 1%. Правда, для чугуна с шаровидным графитом характерна низкая ударная прочность образца с надрезом. Отливки могут иметь как большую, так и малую толщину в сечении, масса – от 0,5 кг до нескольких тонн.

Цветные металлы.

Медь, латунь и бронза.

Существует много различных сплавов на основе меди, пригодных для литья. Медь применяется в тех случаях, когда необходима высокая тепло- и электропроводность. Латунь (сплав меди с цинком) используется, когда желателен недорогостоящий, умеренно коррозионностойкий материал для изготовления разнообразных изделий общего назначения. Предел прочности при растяжении литой латуни составляет 180–300 МПа. Бронза (сплав меди с оловом, к которому могут добавляться цинк и никель) применяется в тех случаях, когда требуется повышенная прочность. Предел прочности при растяжении литых бронз составляет 250–850 МПа.

Никель.

Медно-никелевые сплавы (типа монель-металла) обладают высокой коррозионной стойкостью. Для сплавов никеля с хромом (типа инконеля и нихрома) характерно высокое тепловое сопротивление. Молибдено-никелевые сплавы отличаются высокой стойкостью к соляной кислоте и окисляющим кислотам при повышенных температурах.

Алюминий.

Литые изделия из алюминиевых сплавов в последнее время применяются все шире благодаря их легкости и прочности. Такие сплавы обладают довольно высокой коррозионной стойкостью, хорошей тепло- и электропроводностью. Прочность на растяжение литых алюминиевых сплавов находится в пределах от 150 до 350 МПа.

Магний.

Магниевые сплавы применяются там, где на первом месте стоит требование легкости. Предел прочности при растяжении литых магниевых сплавов составляет 170–260 МПа.

Титан.

Титан – прочный и легкий материал – плавится в вакууме и отливается в графитовые формы. Дело том, что в процессе охлаждения поверхность титана может загрязняться вследствие реакции с материалом формы. Поэтому титан, отлитый в какие-либо другие формы, кроме форм из механически обработанного и прессованного порошкового графита, оказывается сильно загрязненным с поверхности, что проявляется в повышенной твердости и низкой пластичности при изгибе. Титановое литье применяется главным образом в авиакосмической промышленности. Прочность на растяжение литого титана – свыше 1000 МПа при относительном удлинении 5%.

Редкие и драгоценные металлы.

Отливки из золота, серебра, платины и редких металлов применяются в ювелирном деле, зубоврачебной технике (коронки, пломбы), литьем изготавливаются также некоторые детали электронных компонентов.

СПОСОБЫ ЛИТЬЯ

Основные способы литья таковы: статическая заливка, литье под давлением, центробежное литье и вакуумная заливка.

Статическая заливка.

Чаще всего применяется статическая заливка, т.е. заливка в неподвижную форму. При таком способе расплавленный металл (или неметалл – пластмасса, стекло, керамическая суспензия) просто заливается в полость неподвижной формы до ее заполнения и выдерживается до затвердевания.

Литье под давлением.

Литейная машина заполняет металлическую (стальную) литейную форму (которая обычно называется пресс-формой и может быть многогнездной) расплавленным металлом под давлением от 7 до 700 МПа. Преимущества такого метода – высокая производительность, высокое качество поверхности, точные размеры литого изделия и минимальная потребность в его механической обработке. Типичные металлы для литья под давлением – сплавы на основе цинка, алюминия, меди и олова-свинца. Благодаря низкой температуре плавления такие сплавы весьма технологичны и позволяют обеспечить малые допуски на размеры и превосходные характеристики отливок.

Сложность конфигурации отливок в случае литья под давлением ограничивается тем, что при отделении от пресс-формы отливка может быть повреждена. Кроме того, несколько ограничена толщина изделий; более предпочтительны изделия тонкого сечения, в котором расплав быстро и равномерно затвердевает.

Литейные машины для литья под давлением бывают двух типов – с холодной и горячей камерой прессования. Машины с горячей камерой прессования применяются в основном для сплавов на основе цинка. Горячая камера прессования погружена в расплавленный металл; под небольшим давлением сжатого воздуха или под действием поршня жидкий металл вытесняется из горячей камеры прессования в пресс-форму. В литейных машинах с холодной камерой прессования расплавленный алюминиевый, магниевый или медный сплав заполняет пресс-форму под давлением от 35 до 700 МПа.

Отливки, полученные литьем под давлением, применяются во многих бытовых приборах (пылесосах, стиральных машинах, телефонных аппаратах, светильниках, пишущих машинках) и очень широко – в автомобильной промышленности и в производстве компьютеров. Отливки могут быть массой от нескольких десятков граммов до 50 кг и более.

Центробежное литье.

При центробежном литье расплавленный металл заливается в песочную или металлическую литейную форму, вращающуюся вокруг горизонтальной или вертикальной оси. Под действием центробежных сил металл отбрасывается от центрального литника к периферии формы, заполняя ее полости, и затвердевает, образуя отливку. Центробежное литье экономично и для некоторых видов изделий (осесимметричных типа труб, колец, обечаек и т.д.) более подходит, нежели статическая заливка.

Вакуумная заливка.

Такие металлы, как титан, легированные стали и жаропрочные сплавы, плавятся в вакууме и заливаются в многократные формы, например графитовые, помещенные в вакуум. При этом методе значительно снижается содержание газов в металле. Слитки и отливки, получаемые вакуумной заливкой, весят не более нескольких сот килограммов. В редких случаях большие количества стали (100 т и более), выплавленной по обычной технологии, разливают в вакуумной камере в установленные в ней изложницы или литейные ковши для дальнейшего литья на воздухе. Металлургические вакуумные камеры больших размеров откачиваются многонасосными системами. Получаемая таким методом сталь используется для изготовления специальных изделий ковкой или литьем; этот процесс называется вакуумной дегазацией.

ЛИТЕЙНЫЕ ФОРМЫ

Литейные формы делятся на многократные и разовые (песочные). Многократные формы бывают металлические (изложницы и кокили), либо графитовые или керамические огнеупорные.

Многократные формы.

Металлические формы (изложницы и кокили) для стали делают обычно из чугуна, иногда – из жаростойкой стали. Для литья цветных металлов, таких, как латунь, цинк и алюминий, пользуются чугунными, медными и латунными формами.

Изложницы.

Это наиболее распространенный вид многократных литейных форм. Чаще всего изложницы делают из чугуна и применяют для получения стальных слитков на начальном этапе производства кованой или катаной стали. Изложницы относятся к открытым литейным формам, поскольку металл заполняет их сверху самотеком. Применяются также «сквозные» изложницы, открытые и сверху, и снизу. Высота изложниц может составлять 1–4,5 м, диаметр – от 0,3 до 3 м. Толщина стенки отливки зависит от размеров изложницы. Конфигурация может быть разной – от круглой до прямоугольной. Полость изложницы несколько расширяется кверху, что необходимо для извлечения слитка.

Готовая к заливке изложница располагается на толстой чугунной плите. Как правило, изложницы заполняются сверху. Стенки полости изложницы должны быть гладкими и чистыми; при заливке нужно следить за тем, чтобы металл не расплескивался и не разбрызгивался на стенки. Залитый металл затвердевает в изложнице, после чего слиток вынимают («раздевают слиток»). После остывания изложницы ее чистят изнутри, опрыскивают формовочной краской и используют снова. Одна изложница позволяет получить 70–100 слитков. Для дальнейшей обработки ковкой или прокаткой слиток нагревают до высокой температуры.

Кокили.

Это закрытые металлические литейные формы с внутренней полостью, соответствующей конфигурации изделия, и литниковой (заливочной) системой, которые выполняются путем механической обработки в чугунном, бронзовом, алюминиевом или стальном блоке. Кокиль состоит из двух или большего числа деталей, после соединения которых остается лишь небольшое отверстие сверху для заливки расплавленного металла. Для формования внутренних полостей в кокиль закладываются гипсовые, песочные, стеклянные, металлические или керамические «стержни». Литьем в кокиль получают отливки из сплавов на основе алюминия, меди, цинка, магния, олова и свинца.

Литье в кокиль применяется лишь в тех случаях, когда требуется получить не менее 1000 отливок. Ресурс кокиля достигает нескольких сотен тысяч отливок. Кокиль идет в скрап, когда (из-за постепенного выгорания от расплавленного металла) начинает недопустимо снижаться качество поверхности отливок и перестают выдерживаться расчетные допуски на их размеры.

Графитовые и огнеупорные формы.

Такие формы состоят из двух или большего числа деталей, при соединении которых образуется требуемая полость. Форма может иметь вертикальную, горизонтальную или наклонную поверхность разъема либо разбираться на отдельные блоки; это облегчает извлечение отливки. После извлечения форму можно собрать и использовать снова. Графитовые формы допускают сотни отливок, керамические – лишь несколько.

Графитовые многократные формы можно изготовить путем механической обработки графита, а керамические легко формуются, так что они значительно дешевле металлических форм. Графитовые и огнеупорные формы могут использоваться для повторного литья в случае неудовлетворительных отливок, полученных литьем в кокиль.

Огнеупорные формы делают из фарфоровой глины (каолина) и других высокоогнеупорных материалов. При этом используются модели из легкообрабатываемых металлов или из пластмассы. Порошкообразный или гранулированный огнеупор замешивают с глиной на воде, полученную смесь формуют и заготовку литейной формы обжигают так же, как кирпичи или посуду.

Разовые формы.

На песочные литейные формы налагается гораздо меньше всяческих ограничений, нежели на любые другие. Они пригодны для получения отливок любых размеров, любой конфигурации, из любого сплава; они наименее требовательны к конструкции изделия. Песочные формы изготавливают из пластичного огнеупорного материала (обычно кремнистого песка), придавая ему нужную конфигурацию, чтобы залитый металл по затвердевании сохранил эту конфигурацию и мог быть отделен от формы.

Формовочную смесь получают, замешивая на воде в специальной машине песок с глиной и органическими связующими.

При изготовлении песчаной формы в ней предусматривают верхнее литниковое отверстие с «чашей» для заливки металла и внутреннюю литниковую систему каналов для питания отливки расплавленным металлом в процессе затвердевания, так как иначе из-за усадки при затвердевании (свойственной большинству металлов) в отливке могут образовываться пустоты (усадочные раковины).

Оболочковые формы.

Такие формы бывают двух типов: из материала с низкой температурой плавления (гипс) и из материала с высокой температурой плавления (на основе тонкого порошка диоксида кремния). Гипсовую оболочковую форму изготавливают, замешивая на воде гипсовый материал с крепителем (быстроотверждающимся полимером) до тонкой консистенции и облицовывая такой смесью модель отливки. После того как материал формы затвердеет, ее разрезают, обрабатывают и сушат, а затем «спаривают» две полуформы и заливают. Такой способ литья пригоден только для цветных металлов.

Литье по восковым выплавляемым моделям.

Такой метод литья применяется для драгоценных металлов, стали и других сплавов с высокой температурой плавления. Сначала изготавливают пресс-форму, соответствующую отливаемой детали. Ее обычно выполняют из легкоплавкого металла или (механической обработкой) из латуни. Затем, заполняя пресс-форму парафином, пластмассой или ртутью (после этого замораживаемой), получают модель для одной отливки. Модель облицовывают огнеупорным материалом. Материал оболочковой формы получают из тонкого порошка огнеупора (например, пудры диоксида кремния) и жидкого связующего. Слой огнеупорной облицовки уплотняют вибрацией. После того как он затвердеет, форму нагревают, парафиновая или пластмассовая модель расплавляется и жидкость вытекает из формы. Затем форму обжигают для удаления газов и в нагретом состоянии заливают жидким металлом, который поступает самотеком, под давлением сжатого воздуха или под действием центробежных сил (в машине для центробежного литья).

Керамические формы.

Керамические формы изготавливаются из фарфоровой глины, силлиманита, муллита (алюмосиликаты) или других высокоогнеупорных материалов. При изготовлении таких форм обычно пользуются моделями из легкообрабатываемых металлов или из пластмассы. Порошкообразные или гранулированные огнеупорные материалы смешивают с жидким связующим (этилсиликатом) до студнеподобной консистенции. Только что изготовленная форма пластична, так что модель можно извлечь из нее, не повредив полость формы. Затем форму обжигают при высокой температуре и заливают расплавом нужного металла – стали, твердого хрупкого сплава, сплава на основе редких металлов и пр. Такой метод позволяет изготавливать формы любых типов и пригоден как для мелкосерийного, так и для крупносерийного производства.

Литье в постоянные металлические формы (кокили) - один из распространенных прогрессивных спосо­бов, которым можно получать отливки из чугуна, стали и цветных сплавов. Кокили - литейные формы много­кратного использования (5000 раз при заливке чугуна, 700 раз при заливке стали). Их изготовляют из чугуна или стали, цельными и разъ­емными. Наибольшее рас­пространение получили разъ­емные кокили, состоящие из двух частей с горизонтальной или вертикальной плоско­стью разъема (рис. 18.5).

Процесс литья в кокили включает следующие опера­ции: очистку кокиля, нанесение на внутреннюю полость кокиля огнеупорной обмазки для предотвращения по­верхностной закалки стали и отбеливания чугуна, нагрев кокиля до 200-300 °С, сборку полуформ, заливку распла­вленного металла. Производительность труда при литье в кокили значительно повышается при использовании многопозиционных машин карусельного типа, на опреде­ленных позициях которых последовательно выполняется одна из операций.

Преимуществами литья в кокили по сравнению с литьем в разовые песчано-глинистые формы являются: получение отливок более точных размеров и форм, мел­козернистая структура металла, обеспечение высокой производительности труда, более низкой стоимости от­ливок, улучшение условий труда литейщиков и т. д. Не­достатки метода - высокая стоимость кокилей, низкая газопроницаемость и податливость металлической фор­мы, приводящая к образованию газовых раковин и тре­щин в отливках.

Центробежное литье - высокопроизводительный спо­соб изготовления отливок тел вращения с центральным отверстием - труб, втулок и др., а также фасонного литья. Сущность литья заключается в том, что распла­вленный металл заливается во вращающуюся форму. Под действием центробежных сил он отбрасывается к стенкам формы, затвердевает, получая плотную струк­туру без усадочных раковин. Неметаллические включения собираются на внутренней стороне отливки и удаляются при дальнейшей механической обработке.

Для центробежного литья применяют два типа ма­шин: с горизонтальной и вертикальной осями вращения формы. В машинах с горизонтальной осью вращения (рис. 18.6, а) металл из ковша 1 через желоб 2 заливается во вращающуюся форму 3, где затвердевает. После охла­ждения готовая отливка с помощью специальных при­способлений извлекается из формы. Отливки получаются точной конфигурации, с малой шероховатостью поверх­ностей и имеют плотную мелкозернистую структуру ме­талла.

Центробежным литьем получают отливки из чугуна, стали и цветных сплавов.

Машины с горизонтальной осью вращения приме­няют для изготовления чугунных и стальных труб, вту­лок и других тел вращения с отверстием. Машины с вертикальной осью вращения (рис. 18.6,6)-для получения фасонного литья малой высоты.

Центробежное литье обеспечивает высокую произво­дительность труда, не требует изготовления стержней и затрат на формовочные смеси, обеспечивает высокое качество отливок, сокращает потери от брака, улучшает условия труда и т. д.

Литье под давлением - один из производительных и точных методов литья, применяемый для получения отливок мелких и средних размеров из сплавов цветных металлов (цинковых, алюминиевых, медных и маг­ниевых). Литейную пресс-форму изготовляют обычно из углеродистой или легированной стали разъемной, состоя­щей из подвижной и неподвижной частей, образующих полость для заливки металла.

Сущность процесса литья заключается в том, что рас­плавленный металл заполняет пресс-форму 1, 2 под да­влением поршня 3. После затвердевания металла форма раскрывается и отливка извлекается (рис. 18.7, а).

Применяют поршневые машины с горячей и холод­ной (горизонтальной или вертикальной) камерой прессо­вания. Поршневые машины с горячей камерой прессова­ния применяют для изготовления небольших отливок из магниевых и цинковых сплавов. Камера прессования ука­занных машин располагается в обогреваемом тигле 4.

При движении прессующего поршня вниз определенное количество металла через отверстие 5 поступает в металлопровод 6 и далее заполняет полость пресс-формы (рис. 18.7,4).

Машины с холодной камерой прессования исполь­зуют в основном для литья корпусных деталей из более тугоплавких цветных сплавов: алюминиевых и медных. В этих машинах расплавленный металл мерными дозами заливают в камеру прессования, в которой прессующий поршень перемещается в горизонтальной или вертикаль­ной плоскости (рис. 18.7, б, в). Наиболее эффективны ма­шины с горизонтальной холодной камерой прессования, так как здесь снижаются гидравлические потери и отсут­ствует пресс-остаток металла.

Литье в оболочковые формы - один из точных мето­дов, применяемый в массовом и крупносерийном про­изводствах для изготовления фасонных отливок из стали, алюминиевых и медных сплавов. Для получения оболо­чек используют смесь кварцевого песка с термореактив­ной смолой, которая при 100 -200 °С расплавляется, а при дальнейшем нагреве до 200 -250 °С необратимо за­твердевает, поэтому подмодельную плиту и металличе­скую полумодель нагревают до 200 -250 °С. Модель / покрывают разделительным составом (например, сили­коновой жидкостью), затем ее вместе с подмодельной плитой 5 закрепляют на бункере 2, в котором находится песчано-смоляная смесь 3 (рис. 18.8, а, б). Бункер перево­рачивают (рис. 18.8, в), и смесь, соприкасаясь с нагретой моделью, плавится, образуя оболочку 4 толщиной 5-15 мм (рис. 18.8, д). При возвращении бункера в исходное положение (рис. 18.8, г) модель с образованной оболочкой 4 снимают (рис. 18.8, д) и просушивают в электрической печи при температуре 300 -350 °С (в течение 1 - 3 мин). Отвердевшую оболочку снимают с полумодели. Так же изготовляют вторую полуформу. Далее полуформы со­бирают, склеивают, при необходимости устанавливают стержень. Полученную оболочковую форму укладывают в опоку и засыпают песком (рис. 18.8, е). Металл зали­вают в формы через литниковый канал и после его охла­ждения форму разрушают, а отливку подвергают даль­нейшей обработке.

Литье в оболочковые формы легко механизируется и автоматизируется. Получили распространение одно-, двух- и четырехпозиционные машины с полуавтоматиче­ским или автоматическим управлением.

Литье в оболочковые формы обеспечивает высокую точность размеров отливок (до 12-13-го квалитетов точ­ности), малую шероховатость поверхностей, высококаче­ственную структуру металла, снижение брака литья, вы­сокую производительность труда, снижение затрат на последующую механическую обработку (в некоторых случаях механическая обработка вообще не требуется) и т. д.

Литье по выплавляемым моделям, являющееся одним из древнейших методов художественного и производ­ственного литья, получило в последние годы большое распространение в промышленности. Это объясняется высокой точностью получаемых отливок. Однако слож­ность и высокая трудоемкость технологического процес­са, высокая стоимость отливок заставляют применять этот способ лишь для изготовления отливок особо слож­ной формы или из труднообрабатываемых легированных сталей и твердых сплавов в массовом или крупносерий­ном производствах.

Литье по выплавляемым моделям включает следую­щие этапы. Сначала изготовляется модель-эталон отлив­ки из легкообрабатываемого сплава (алюминиевого или медного). По металлическому эталону изготовляют пресс-форму, в которой прессуют модель из легкоплав­ких материалов (парафина, стеарина, полистирола, цезерина, воска и др.). Такую модель покрывают огнеупорным составом - керамической суспензией и кварцевым пе­ском, а затем просушивают при 150 -200 °С. Эту опера­цию повторяют многократно для получения более про­чной формы. При этом расплавленный материал выте­кает из формы. Полученную огнеупорную литейную форму прокаливают в печи при 800 -850 °С. Далее форму устанавливают в опоку с песком или другим наполни­тельным материалом и подвергают обжигу, после кото­рого форма готова к заливке металла. Очистку отливки от остатков керамического покрытия осуществляют вы­щелачиванием с последующей ее промывкой в горячей воде.

При изготовлении мелких и средних деталей целесо­образно изготовлять модельные блоки (на рис. 18.9, а -блок моделей, б - блок, покрытый слоем огне­упорного материала, в - заформованный блок моделей), состоящие из нескольких моделей, связанных литниковой системой.

Для определения эффективности применения любого метода литья необходимо проводить технико-экономиче­ский анализ, учитывающий все производственные фак­торы.

Одним из недостатков процесса литья является отно­сительно большой процент брака. Наиболее характерны­ми дефектами литья являются: трещины, раковины (воз­душные, газовые, шлаковые), ликвация - неоднородность химического состава сплавов, возникающая при их кри­сталлизации, заливы, недоливы, перекосы, коробление и пр.

Для снижения брака в литейном производстве необхо­димо проводить контроль на всех стадиях технологиче­ского процесса литья, а исправимые дефекты и пороки литья (например, открытые раковины, наружные тре­щины) целесообразно исправлять: заваривать, заделы­вать пробками и др.

Металл - основа всей современной цивилизации. За год современное человечество добывает и перерабатывает такое количество одного только железа, что прежде весь мир ковырял бы его не менее пары веков. И эта потребность вполне оправдана, так как на одно лишь строительство уходит невероятное количество стали. Неудивительно, что литье металла в таких условиях постоянно совершенствуется.

Немного истории

Важнейшую особенность железа принимать, застывая, «предложенную» ему форму, человек заметил еще в древнейшие времена. Сегодня практически все ученые предполагают, что первоначальное знакомство человека с металлом состоялось благодаря метеоритам. было плавким, его было легко обрабатывать, так что основы литья некоторые зарождающиеся цивилизации изучали еще очень давно.

В нашей стране литье металла испокон веков было делом уважаемым и почетным, к этому ремеслу люди всегда относились с большим уважением. Широко известны «Царь-пушка» и «Царь-колокол», являющиеся шедеврами литейного мастерства русских мастеров, пусть даже один из них никогда не звонил, а второй - не стрелял. Уральские же литейщики в царствование Петра Первого приобрели особую известность в качестве поставщиков надежного оружия для армии. Впрочем, этот титул они вполне по праву носят и сейчас. Прежде чем мы рассмотрим основные виды литья металлов, необходимо сказать несколько слов о требуемых характеристиках сырья.

Каким должен быть металл для литья

Важнейшее свойство металла, который предполагается использовать для литья, - его текучесть. Сплав в расплавленном виде должен максимально легко перетекать из одного тигля в другой, заполняя при этом его мельчайшие выемки. Чем выше текучесть, тем тоньше стенки можно сделать у готового изделия. С металлом, который растекается плохо, намного сложнее. В обычных условиях он успевает схватиться значительно раньше, чем заполнит все промежутки формы. Именно с этой сложностью промышленники сталкиваются, когда выполняют литье сплавов металлов.

Неудивительно, что именно чугун стал излюбленным материалом литейщиков. А все потому, что у этого сплава превосходная текучесть, из-за чего работать с ним относительно просто. Сталь далеко не столь текуча, а потому для полного заполнения формы (чтобы не было каверн и пустот) приходится прибегать к самым разным ухищрениям.

В простейшем случае, когда требуется домашнее литье металла, сырье расплавляют и маленькими порциям выливают в воду: так, в частности, можно изготовить грузила для рыбалки. Но данный метод сравнительно широко используется даже в оружейной промышленности! С вершины специальной башни, по очертаниям напоминающую градирню, также дозировано начинает выливаться расплавленный металл. Высота сооружения такова, что до земли долетает идеально сформованная капелька, уже остывшая. Именно так производится в промышленных объемах дробь.

«Земляной» метод литья

Наиболее простым и древним способом является литье металла в землю. Но «простота» его - относительно условное понятие, так как работа эта требует предельно кропотливой подготовки. Что под ней подразумевается?

Сперва в модельном цехе делается полноразмерная и максимально подробная модель будущей отливки. Причем размер ее должен быть несколько больше того изделия, которое должно получиться, так как металл при охлаждении будет оседать. Как правило, модель делают разъемной, из двух половинок.

Как только с этим покончено, готовят специальную формовочную смесь. Если у будущего изделия должны быть внутренние полости и пустоты, то придется готовить еще и стержни, а также дополнительный формовочный состав. Они должны временно заполнить те участки, которые в готовой детали «пустуют». Если вас интересует литье металлов в домашних условиях, обязательно помните об этом обстоятельстве, так как в противном случае уже заполненную опоку может попросту разорвать давлением, причем последствия этого могут оказаться самыми печальными.

Из чего изготавливаются формовочные смеси?

Основой служат различные сорта песков и глин, а также связующие составы. В их роли могут выступать масла натуральные и синтетические, олифа, смола, канифоль, да хоть деготь.

Далее наступает время формовщиков, в задачу которых входит изготовление литейных форм. Если объяснять проще, то делается это так: берется деревянный ящик, в него кладется половинка от формы (она же разъемная), а промежутки между стенками модели и формы забиваются формовочным составом.

То же самое делают со второй половиной и скрепляют обе части штырями. Важно заметить, что в ту часть формы, которая при заливке окажется наверху, вставляют два специальных конуса. Один из них служит для заливания расплавленного металла, второй - для выхода расширяющихся газов.

Окончание подготовительного этапа

А сейчас наступает время едва ли не для самой ответственной части операции. Опоки очень аккуратно разъединяют, стараясь не допускать нарушения целостности формовочной смеси. После этого в земле остаются два четких и подробных отпечатка будущей детали. После этого их покрывают особой краской. Делается это, чтобы расплавленный металл не вступал в непосредственное соприкосновение с землей формовочной смеси. Этого технология литья металлов допускать не должна, так как в противном случае качество готового изделия может значительно ухудшаться.

Если в этом есть необходимость, в это же время прорезается дополнительный литниковый проход, необходимый для заливки расплава. Опоки вновь складывают и максимально прочно соединяют. Как только формовочная смесь слегка подсохнет, можно приступать к литью.

Начало литья

Сперва в вагранках, то есть специальных печах, расплавляют чугунные заготовки. Если же требуется отливать сталь, то сырье плавят в доменных, мартеновских, инверторных и прочих печах. Чтобы привести в состояние расплава цветные металлы, используют специализированные плавильные устройства.

Все, можно приступать к литью. Если форма одна, то расплав туда вливают ковшом, в индивидуальном порядке. В остальных же случаях, как правило, организуется конвейер: или лента с заготовками идет под ковшом, или же ковш движется над рядами опок. Здесь все зависит исключительно от организации производства. Когда приходит время и металл остывает, его вынимают из формы. В принципе, этот метод идеален в тех случаях, когда требуется литье металлов в домашних условиях (для кузни, например). Чего-то более совершенного в таких условиях добиться все равно не получится.

Пескоструйными или шлифовальными машинами с готового изделия снимается окалина и приставшая формовочная смесь. Кстати говоря, этот метод активно применялся при производстве танков во время Великой Отечественной войны. Именно так производили литые башни, причем простота и технологичность данного процесса позволяла выпускать огромное количество боевых машин, которые были так нужны фронту. Какие еще существуют виды литья металлов?

Литье в кокиль

Но ныне используют намного более совершенные и технологичные литой продукции. Например, литье металла в кокиль. В принципе, этот способ во многом напоминает описанный нами выше, так как и в этом случае используются литейные формы. Только при этом они металлические, что значительно упрощает процесс крупносерийного производства.

Итак, в две половинки вставляют конусы и стержни (для заливания металла и образования пустот), а затем накрепко скрепляют их друг с другом. Все, можно приступать к работе. Особенность данного способа в том, что здесь расплавленный металл чрезвычайно быстро застывает, есть возможность принудительного охлаждения форм, а потому и процесс выпуска идет значительно быстрее. При помощи одного только кокиля можно получить сотни, а то и тысячи, отливок, не тратя при этом много времени на индивидуальную подготовку форм и формовочных смесей.

Некоторые недостатки метода

Недостатком данного способа литья является то обстоятельство, что для него подходят только те виды металлов, которые отличаются повышенной текучестью в расплавленном виде. Например, для стали годится только отливка под давлением (о ней ниже), так как материал этот хорошей текучестью не обладает вообще. Под действием сжатого воздуха даже самые «тягучие» сорта стали намного лучше принимают требуемую форму. Плохо то, что обычный кокиль таких экстремальных условий производства попросту не выдержит и развалится. А потому приходится использовать особый метод производства, о котором мы расскажем чуть ниже.

Литье под давлением

Как осуществляется литье - под давлением - металлов? Некоторые аспекты мы уже рассмотрели выше, но все же необходимо раскрыть данный вопрос несколько подробнее. Все достаточно просто. Во-первых, необходима литейная форма из качественных сортов стали, которая может быть многоступенчатой, сложной внутренней формы. Во-вторых, необходимо нагнетающее оборудование, способное выдавать от семи до семисот МП.

Главным преимуществом такого способа выплавки является высокая производительность. Что еще обеспечивает литье под давлением? Металлов в этом случае уходит значительно меньше, а качество поверхности готового изделия получается очень хорошим. Последнее обстоятельство предполагает отказ от сложной и довольно муторной процедуры очистки и шлифовки. Из каких материалов при этом методе производства предпочтительнее всего выпускать готовые изделия и детали?

Чаще всего применяют сплавы на основе алюминия, цинка, меди и олова-свинца (литье цветных у них сравнительно невелика, а потому достигается очень высокая технологичность всего процесса. Кроме того, у этого сырья сравнительно маленькая осадка при охлаждении. Это означает, что можно производить детали с очень незначительными допусками, что при выпуске современной техники чрезвычайно важно.

Сложность данного метода в том, что при отделении готовых изделий от пресс-форм возможно их повреждение. Помимо этого, данный способ подходит лишь для изготовления деталей с относительно небольшой толщиной стенок. Дело в том, что толстый слой металла будет крайне неравномерно застывать, что предопределит образование раковин и каверн.

Разновидности установок для «давильного» литья

Все машины, которые используются при этом методе отливки изделий из металла, делятся на две большие группы: с горячей и холодной литейной камерой. «Горячая» разновидность чаще всего может быть использована только для сплавов на основе цинка. При этом сама литейная камера погружена в раскаленный металл. Под давлением воздуха или особого поршня он затекает в отливочную полость.

Как правило, сильного нагнетательного усилия при этом не требуется, хватает давления до 35-70 МПа. Так что формы для литья металла в этом случае могут быть значительно проще и дешевле, что самым благоприятным образом действует на итоговую себестоимость изделия. В холодных расплавленный металл приходится «загонять» вглубь отливочной камеры под особенно высоким давлением. При этом оно может достигать 700 МПа.

Где используются детали, полученные методом литья под давлением?

Они повсюду. В телефонах, компьютерах, фотоаппаратах и стиральных машинах, всюду есть детали, полученные именно эти методом. Особенно широко его использует машиностроение, в том числе непосредственно связанное с авиационной и даже космической отраслью. Масса отлитых частей может колебаться от нескольких граммов до 50 килограмм (и даже выше). Может ли использоваться еще какая-то «обработка» металлов литьем? Да, и способов еще существует немало.

Литьё по выплавляемым моделям

Как и в самом первом рассмотренном нами случае, человечество издревле знало о методе заливки расплавленного металла в заранее подготовленную модель, сделанную из парафина или воска. Ее просто кладут в опоку и забивают промежутки формовочной смесью. Расплав растворяет воск и идеально заполняет весь объем первичной заготовки. Данный метод хорош тем, что модель не нужно доставать из опоки. Кроме того, при этом возможно получение деталей просто идеального качества, данный процесс литья металлов сравнительно легко автоматизировать.

Литьё в оболочковые формы

Если отливка сравнительно простая, и «космической» прочности от готового изделия не требуется, может быть использован метод Делают их с незапамятных времен, причем в качестве основы используется мелкий кварцевый песок и смола. Сегодня, естественно, в качестве последней используются различные синтетические составы.

Затем берутся разборные металлические модели, состоящие из двух половинок, и ставятся на поверхность, разогретую приблизительно до 300 градусов по шкале Цельсия. Затем туда же насыпают формовочную смесь (из песка и сухой смолы) так, чтобы она полностью закрывала поверхность металлических моделей. Под воздействием жара смола плавится, и в толще песка возникает довольно прочная «опока».

Как только все это слегка остынет, металлические чушки можно вынимать, а песок отправлять на «прожарку» в печь. После этого получаются достаточно прочные формы: соединив две их половины, можно заливать в них расплавленный металл. Какие еще существуют методы литья металлов?

Центробежное литьё

При этом расплав выливается в особую форму, которая с очень высокой скоростью вращается в горизонтальной или вертикальной проекции. В результате действия мощных равноприложенных центробежных сил металл равномерно затекает во все промежутки формы, за счет чего достигается высокое качество готового изделия. Такой способ литья идеально подходит для выпуска различного вида труб. Он позволяет формовать значительно более равномерную толщину стенок, чего крайне сложно добиться, пользуясь «статичными» методами.

Электрошлаковое литьё

Существуют ли какие-то способы литья металлов, которые с полным на то правом можно называть современными? Электрошлаковое литьё. При этом сперва получают, воздействуя на предварительно подготовленное сырье мощными электродуговыми разрядами. Может использоваться и бездуговой метод, когда железо плавится от тепла, аккумулируемого шлаком. А вот на последний-то и действуют мощные разряды.

После этого жидкий металл, который на протяжении всего процесса ни разу не соприкасался с воздухом, поступает в кристаллизационную камеру, которая «по совместительству» является еще и литейной формой. Используется этот метод для сравнительно простых и массовых отливок, для изготовления которых не нужно соблюдать множество условий.

Вакуумная заливка

Применяется только в случае «элитных» материалов, таких как золото, титан, высококачественная сталь. При этом металл расплавляется в условиях вакуума, а затем быстро (в тех же условиях) распределяют по формам. Метод хорош тем, что при его применении практически исключено образование воздушных каверн и полостей в изделии, так как количество присутствующих там газов минимальное. Важно помнить, что вес отливок в этом случае не может превышать сотни-другой килограммов.

Есть ли возможность получать детали большего веса?

Да, такая технология существует. Но она может использоваться только в тех случаях, когда одновременно обрабатывается от ста тонн стали и больше. Сперва металл плавят в условиях вакуума, а затем разливают его не в формы, а в специальные формовочные ковши, которые также защищены от поступления в их полость воздуха.

После этого готовый расплав может быть распределен по формам, из которых насосом предварительно также откачали воздух. Сталь, получаемая в результате такого довольно дорогая. Ее применяют для ковки, а также некоторых видов все того же литья, когда требуется получать заготовки и детали максимально высокого качества.

Литьё по газифицируемым (выжигаемым) моделям

По качеству отливки и простоте, данный метод является одним из наиболее выгодных, а потому в современной промышленности он используется все более широко. Особенной популярностью такое литье металла, производство которого возрастает год от года, пользуется в КНР и США, так как промышленные базы этих двух стран отличаются наибольшей потребностью в качественной стали. Преимущество данного метода в том, что он позволяет производить отливки без каких бы там ни было ограничений по массе и размерам.

Во многом этот метод схож с описанными нами выше: так, в этом случае используется первичная модель не из воска или пластилина, а из широко распространенного ныне пенопласта. Так как материал этот обладает своей спецификой, связующую песчаную смесь набивают в опоку под давлением примерно в 50 кПа. Чаще всего данный метод практикуется в тех случаях, когда необходимо сделать детали массой от 100 граммов до двух тонн.

Впрочем, мы уже говорили, что каких-то жестких ограничений на размер деталей нет. Так, посредством этого способа отливки могут производиться даже комплектующие для корабельных двигателей, которые никогда «скромными» размерами не отличались. На каждую тонну металлического сырья расходуется следующее количество дополнительных материалов:

• Песка кварцевого мелкого - 50 кг.
• Особое противопригарное покрытие - 25 кг.
• Гранулированный пенополистирол - 6 кг.
• Плотная полиэтиленовая пленка - 10 кв. м.

Вся формовочная смесь - чистый кварцевый песок без каких-либо дополнительных присадок и добавок. Он может быть примерно на 95-97% использован повторно, что значительно повышает экономичность и снижает себестоимость процесса.

Таким образом, литье металлов (физика процесса была нами частично рассмотрена) - явление «многогранное», так как на сегодняшний день существует масса новейших методик. Параллельно современная промышленность применяет методы, которые были в ходу уже несколько тысяч лет тому назад, несколько адаптировав их под нынешние реалии.