Специальные методы литья кратко. Литье металла

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.

К атегория:

Литейное производство

Cпециальные способы изготовления отливок

В современном литейном производстве широко применяются прогрессивные специальные способы литья: в оболочковые формы, по выплавляемым моделям, в металлические формы (кокили), центробежное литье, литье под давлением. Главным преимуществом их по сравнению с литьем в песчаные формы является то, что они дают возможность получать отливки более точные по размерам и конфигурации, с меньшей шероховатостью поверхностей, в результате чего уменьшается, а в некоторых случаях полностью исключается их механическая обработка. Кроме того, эти способы позволяют максимально механизировать и автоматизировать технологические процессы и тем самым повысить производительность труда.

1. Литье в оболочковые формы

Этот прогрессивный способ изготовления отливок был впервые внедрен в 1953 г. на Кировском заводе, а затем и на многих других предприятиях Ленинграда. В настоящее время в специализированном цехе Тихвинских производств объединения «Кировский завод» более 40 наименований деталей из стали и чугуна для трактора «Кировец» изготовляются способом литья в оболочковые формы.

Большой вклад в развитие этого прогрессивного способа получения отливок, в его механизацию внес ленинградский проектно-технологический институт ВПТИ электро.

Сущность процесса и области применения. Литьем в оболочковые формы изготовляют различные детали двигателей, насосов, вентиляторов, текстильных машин, коленчатые валы и др. Максимальные габаритные размеры отливок - до 1 м, масса - до 200 кг.

Сущность процесса основана на свойстве термореактивных смол, входящих в состав песчано-смоляных смесей, быстро и необратимо отверждаться под воздействием тепла нагретой до температуры 200-250 °С модельной оснастки.

Рис. 1. Схема изготовления оболочковых полуформ.

После соответствующей выдержки (в течение 20 с или несколько более, в зависимости от требуемой толщины оболочки) термореактивная смола плавится и связывает отдельные зерна песка, образуя на моделях и плите полу-отвержденную оболочку. После возвращения бункера в исходное положение не успевшая прогреться смесь ссыпается в бункер (рис. 1, в). Модельная плита открепляется и вместе с образовавшейся оболочкой на 1-2 мин помещается в электрическую печь, нагретую до температуры 325-375 °С, для окончательного отверждения оболочки.

Остывшая оболочка с помощью толкателей снимается с модельной плиты и спаривается со второй оболочковой полуформой, изготовленной аналогичным способом. Оболочковые полуформы скрепляются скобами, струбцинами или - при массовом производстве - склеиваются различными клеями на специальном оборудовании. Собранные формы устанавливают в металлический короб, для упрочнения их засыпают металлической дробью и подают на заливку.

Материалы для оболочек. Для изготовления оболочковых форм применяют пески, термореактивные смолы, увлажнители, растворители, разделительные составы, клеи и различные добавки.

Пески. Обычно используются обогащенные или природные кварцевые пески классов 061 К, 062К, ОбЗК и 1К зернистостью 02А (Б), 016А(Б) или 01А(Б). Для ответственных отливок применяют также цирконовые пески.

Рис. 2. Схема установки под заливку собранных полуформ в металлических коробах.

Термореактивные смолы. Связующими материалами являются фенолформальдегидные смолы: ПК-Ю4 - в виде порошка, СФ-010 и СФ-015- в виде чешуек. Порошок ПК-104 наиболее универсален. Он используется в песчано-смоляных смесях механического смешения при холодном и теплом плакировании. Смолы СФ-010 и СФ-015 применяются только при горячем плакировании.

Плакирование -покрытие зерен песка тонкой пленкой связующего - осуществляют с целью его экономии и улучшения качества смесей, а также для возможности их использования при пескодувных и пескострельных процессах.

Увлажнители служат для предотвращения расслоения смеси, а также ее пыления в процессе использования. Обычно это керосин или веретенное масло, которое вводят в смесь в количестве 0,3-0,5% от ее массы.

Разделительные составы применяют для устранения прилипания отвержденных оболочек к поверхности модельной оснастки. На поверхность оснастки их наносят кисточкой или пульверизатором.

Песчано-смоляные смеси могут быть механическими и плакированными. Первые состоят из песка, порошкообразной смолы и увлажнителя. Все составляющие смеси перемешиваются в лопастных смесителях или бегунах.

Плакированные смеси готовятся несколькими способами: холодным, теплым и горячим. При холодном плакировании сухой песок смешивают со смолой и растворителем одновременно, затем вводят добавки и продувкой холодным воздухом удаляют растворитель. Теплое плакирование отличается от холодного тем, что песок предварительно подогревают до температуры 80 °С или смесь продувают не холодным, а нагретым до 70-80 °С воздухом. При горячем плакировании предварительно нагретый до температуры.

Применение оболочковых форм эффективно только при комплексной механизации и автоматизации технологического процесса.

2. Литье по выплавляемым моделям

Литье в формы, получаемые по выплавляемым моделям, - один из наиболее древних способов изготовления отливок. Он применялся для отливки скульптур, памятников, украшений, предметов домашнего обихода и орудий труда. В промышленности этот способ начал использоваться в сороковые годы для изготовления деталей из сплавов, не поддающихся обработке давлением и резанием.

В настоящее время - это высокомеханизированный и автоматизированный процесс, широко применяемый в различных отраслях промышленности, в том числе и на ленинградских предприятиях.

На заводе турбинных лопаток впервые в стране был налажен выпуск литых лопаток для паровых и газовых турбин. Прогрессивный способ внедрен в объединении имени Карла Маркса, на заводе имени Воскова и ряде других предприятий. Этим способом изготовляют отливки массой от 10 г до 100 кг с минимальной толщиной стенок 0,7-1 мм. Точность размеров литых заготовок соответствует 5-6-му классам, а шероховатость поверхности - 4 6-му классам, что позволяет отливать заготовки с минимальными припусками (0,2-0,7 мм) под шлифовку и полировку.

Сущность процесса заключается в следующем. По разъемным пресс-формам из легкоплавких модельных составов, обычно состоящих из парафина, стеарина, буроугольного и торфяного восков и других компонентов, выполняют разовые модели и литниковые системы. После полного застывания и затвердения их извлекают из пресс-формы и собирают в модельные блоки. На рис. XII 1.3, а показан такой блок, собранный на металлическом стояке из отдельных модельных звеньев, с литниковой воронкой. Нижнюю часть стояка закрывают колпаком (из того же состава), припаиваемого к нижней модели звена.

При серийном и мелкосерийном производстве способ сборки модельных комплектов иной. Литниковую чашу и питатель-шлакоуловитель изготовляют по пресс-форме преимущественно из возврата модельного состава. На моделях зачищаются швы и посадочные торцы. Нагретый паяльный ноле (тонкую металлическую пластинку) накладывают на питатель, а поверх ножа устанавливают модель. После оплавления участка на питателе и посадочном торце модели нож удаляют и модель припаивают к питателю.

Рис. 3. Схема собранного модельного блока.

На собранные таким образом модельные блоки наносят несколько (три-четыре) слоев огнеупорного покрытия, каждый из которых состоит из слоя огнеупорной суспензии, обсыпанной кварцевым песком. Огнеупорная суспензия состоит примерно из 35% (по массе) гидролизованного этилсиликата и 65% пылевидных огнеупорных материалов. Этилсиликат - эфир ортокремниевой кислоты (C2H50)4Si - играет роль связующего благодаря способности в присутствии воды выделять гель - кремнезем в виде студенистого осадка, обволакивающего и скрепляющего зерна кварца в монолитную массу.

В зависимости от материала модели удаляют из оболочки горячей воде, с помощью пара или нагретого воздуха.

Основные материалы для изготовления моделей и форм. В зависимости от требований, предъявляемых к точности размеров отливок и к шероховатости поверхностей, их изготовляют из различных модельных составов: легкоплавких - на основе восков, тугоплавких - на основе смол и солевых - на основе карбамида (технической мочевины).

Крупные отливки и отливки высокой точности, какими являются, например, турбинные лопатки, выполняют из модельного состава КС 80-20, а менее ответственные при механизированном процессе - из составов ПС 50-50, Р-3 и др.

Для образования керамической формы, обладающей термической стойкостью при прокалке и заливке, применяют следующие формовочные материалы:
— для приготовления суспензии - пылевидные материалы - искусственный и плавленый кварц, микропорошки электрокорунда и др.;
— для обсыпки блоков после окунания в суспензию - кварцевые пески, электрокорунд, циркон, силлиманит и др.

Наполнителем служат кварцевый песок, шамотная крошка и др.

При приготовлении суспензии в качестве связующих используют этилсиликат марок 32 и 40 с содержанием Si02 соответственно 32 и 40%, а в качестве растворителя при его гидролизе - этиловый и гидролизный спирт.

Модели изготовляют по металлическим пресс-формам (из стали и алюминиевых сплавов), у которых рабочие поверхности имеют высокую размерную точность и низкую шероховатость.

В последнее время процессы литья по выплавляемым моделям механизированы и автоматизированы. Так, автоматизированы операции изготовления моделей, нанесения покрытий, выплавки моделей из оболочек, сушки, формовки, прокалки.

3. Литье в металлические формы-кокили

Литье в металлические формы - прогрессивный способ получения мелких и средних отливок из алюминиевых и магниевых сплавов, чугуна, стали в серийном и массовом производстве.

По сравнению с литьем в песчаные формы он имеет ряд преимуществ: трудовые затраты на изготовление отливок сокращаются более чем в 2 раза, их себестоимость снижается на 15-25%, съем отливок с формовочных площадей увеличивается более чем в 2 раза, брак сокращается в несколько раз.

Сущность процесса. Для получения фасонных отливок сплав заливают в металлические (в основном из чугуна и стали) формы, которые выдерживают от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч заливок.

Качество отливок и экономичность процесса во многом зависят от технологичности их конструкции, которая должна иметь простую конфигурацию, что облегчает изготовление металлической формы без резких переходов от толстых стенок к тонким, без выступающих частей, острых углов и – кромок, углублений и поднутрений, препятствующих усадке и удалению отливки из форм; иметь необходимую толщину стенки, обеспечивающую возможность заполнения формы.

Типы металлических форм. В зависимости от конструкции литых деталей, материала и принятой технологии изготовления отливок металлические формы могут, быть: неразъемными (вытряхными), разъемными -с горизонтальным разъемом, с несколькими разъемами, с вертикальным разъемом, со сложной плоскостью разъема.

Заготовки металлических форм чаще всего выполняют из серого чугуна СЧ18-36, высокопрочного - марки ВЧ50-2, а также ц3 стали марок 25Л и 35Л.

Цапфы, ручки и шайбы изготовляют из углеродистых сталей стержни - из углеродистой марок У7 - У10, а теплоотводящие вставки - из меди марки М-1.

Рис. 4. Типы литейных металлических форм.

В зависимости от требований к точности размеров и шероховатости рабочих поверхностей формы они могут быть получены литьем или механической обработкой. Последняя обходится значительно дороже и осуществляется при литье из цветных сплавов.

Для увеличения стойкости форм на их рабочие поверхности наносят защитные покрытия, которые также уменьшают отбел отливок из серого чугуна. При изготовлении чугунных и стальных отливок на рабочие поверхности наносят облицовочный слой и затем окрашивают их; при отливках из легких сплавов достаточно одной окраски.

Для повышения стойкости форм их подогревают до температуры 200 °С при отливках из медных и алюминиевых сплавов, до 250 °С - из магниевых и до 300 °С - чугунных. После подогрева форм и нанесения на них защитных покрытий приступают к их сборке и заливке.

Для механизации и автоматизации процессов изготовления отливок в металлических формах широко применяют станки с ручным и механическим приводами, индивидуальные полуавтоматические машины, карусельные станки и автоматизированные линии

4. Центробежное литье

При центробежном литье заливка жидкого сплава производится в быстровращающиеся металлические формы, при этом сплав под воздействием центробежных сил оттесняется к стенкам формы. Наружная поверхность отливки оформляется стенками формы-изложницы, а внутренняя образуется под действием центробежных сил и сил тяжести.

Рис. 5. Схемы центробежного литья.

Возникающие при вращении жидкого сплава в изложницах центробежные силы способствуют хорошему заполнению форм сплавом, уплотняют ее структуру и одновременно перемещают на внутреннюю поверхность более легкие составляющие - шлаковые и газовые включения.

Машины для центробежного литья строятся с горизонтальной, вертикальной, а иногда с наклонной осями вращенйя.

В машинах с горизонтальной осью вращения металлическая форма заполняется жидким сплавом из ковша по желобу. Сплав затвердевает в виде полой цилиндрической заготовки.

На машинах с вертикальной осью вращения (рис. 5, б) получают пустотелые заготовки в виде кольца. Их внутренняя поверхность не имеет строго цилиндрической формы, так как под влиянием сил тяжести толщина стенок внизу получается несколько большей, чем вверху, поэтому высота литых заготовок ограничена.

Фасонные отливки с полостями изготовляются с помощью стержней, установленных в формы.

Центробежный способ литья имеет ряд преимуществ: увеличивается выход годного благодаря отсутствию надобности в литниковой системе, в том числе и прибылях, повышается качество отливок, снижатся брак и т. п.

Центробежный способ литья в ряде случаев приводит к резкому сокращению брака отливок. Так, на ленинградском заводе турбинных лопаток рабочее колесо турбонаддува диаметром 400 мм и массой 19 кг, представляющее собой ступицу с 26-ю лопатками, ранее изготовляли по выплавляемым моделям, при этом тонкие кромки лопаток сплавом не заполнялись, в результате чего брак Достигал недопустимых пределов, При новой технологии, сохранив

На ленинградских предприятиях имеется опыт отливки этим способом толстостенных втулок из медных сплавов диаметром до 1 м, длиной до 3,5 м и массой до 7,5 т, а также крупных маслот из легированной стали.

5. Литье под давлением

Этот наиболее прогрессивный способ получения литых заготовок по производительности, точности размеров отливок, шероховатости поверхности значительно превосходит все другие. Его применяют для изготовления заготовок из цветных сплавов на основе цинка, алюминия, магния и меди. Широко используется он в при-боро- и автомобилестроении, точном машиностроении, в оптико-механической промышленности и ряде других отраслей при серийном и массовом производстве.

Наличие в настоящее время большого выбора машин для литья под давлением, усовершенствованных пресс-форм, методов подвода сплава и вентилирования пресс-форм дает возможность изготовлять сложные заготовки с точностью размеров по 3-5-му классам и шероховатостью поверхностей по 5-8-му классам. Заготовки можно получать с готовыми отверстиями, резьбой, накаткой, цифрами и надписями. Наименьшая толщина стенок литых заготовок составляет 0,6 мм.

Сущность процесса заключается в том, что жидкий сплав поступает в металлическую пресс-форму под давлением, которое осуществляется на специальных машинах с горизонтальной и вертикальной камерами прессования.

В полость цилиндра ложкой заливается сплав, который поршнем запрессовывается в рабочую полость пресс-формы через литниковый канал. После затвердевания сплава подвижная полуформа вместе с отливкой

Я литниковым остатком отходит и перемещается до тех пор, пока упор не встретит на своем пути ограничитель хода. С помощью специальных толкателей отливка удаляется нз пресс-формы. Неподвижная полуформа с плитой остается при этом на месте. После окончания рабочего цикла прессующий поршень возвращается в исходное положение

Технологические особенности процесса. Для процесса литья под давлением характерны высокая скорость прессования и большое удельное давление на сплав в пресс-форме. На качество отливки оказывают влияние марка сплава, конструкция заготовки, конструкция и качество поверхности пресс-формы, а также температура сплава и самой пресс-формы в момент заливки.

Рис. 6. Схема процесса литья под давлением.

Сплавы. При литье под давлением к сплавам предъявляют следующие основные требования: жидкотекучесть при небольшом перегреве (на 15-20 °С выше температуры плавления); минимальная усадка; достаточная прочность к моменту удаления заготовки из пресс-формы. Этим требованиям отвечают сплавы на основе систем: алюминий - кремний марок АЛ2, АЛ9 и др.; алюминий - кремний - медь марок АЛЗ , АЛ5 и др.; алюминий - магний марок АЛ8, АЛ 13, АЛ27 и др.

Наилучшими литейными свойствами обладают цинковые сплавы. К ним относятся сплавы на основе цинка, алюминия и меди. Из магниевых сплавов наиболее удовлетворяют требованиям литья под давлением сплавы марок МЛ5 и МЛ6. Для предохранения магниевого сплава от контакта с атмосферой и создания окисной пленки применяется присадка бериллия в количестве до 0,01%. Из медных сплавов наибольшее распространение получили сплавы меди с цинком - латуни марок ЛК80-ЗЛ и ЛС59-1ЛД.

Машины для литья под давлением. Для литья сплавов с низкой температурой плавления на основе цинка, олова и свинца применяют машины с горячей камерой прессования, а для литья всех сплавов - машины с холодной горизонтальной или вертикальной камерой прессования. Горизонтальная камера прессования более удобна, позволяет упростить конструкцию машины и ее эксплуатацию.

В этой лекции рассмотрены основные особенности процессов получения заготовок методом литья, технико-экономические показатели основных способов получения отливок, а так же факторы, определяющие выбор рационального способа изготовления отливки проектируемой детали. Приведены данные о литейных свойствах расплавов и об их влиянии на конструируемые размеры и форму изделия.

13.1 Основные особенности процессов получения отливок

Литье широко применяют для изготовления фасонных от нескольких грамм до сотен тонн. У многих изделий (двигатели внутреннего сгорания, турбины, компрессоры, металлорежущие станки и т.д.) масса литых деталей составляет 60-80% от общей массы. С помощью литья можно получать изделия самой сложной конфигурации, невыполнимые другими методами получения заготовок.
Для характерны пониженная прочность, по сравнению с поковками, различные механические свойства в разных участках отливок, склонность к образованию дефектов и напряжений. Качество отливки зависит от технологии литья и конструкции детали, поэтому конструктор должен знать основные особенности литейной технологии и уверенно владеть приемами, обеспечивающими получение качественных отливок при наименьших производственных затратах.
Оптимальная конструкция литой детали должна наиболее полно соответствовать технологическим возможностям выбранного способа литья в отношении обеспечения минимальной себестоимости и заданных свойств изделия. Качество отливки определяется двумя группами технологических факторов.
Первая группа факторов связана с условиями заливки расплава, качеством изготовления и определяет возможность получения заданной конфигурации, точности и свойств поверхностного слоя отливки.
Вторая группа факторов связана с условиями расплава, охлаждения отливки и определяет возможность получения детали с заданной структурой, а также вероятность появления в ней различных дефектов (раковин, трещин, внутренних напряжений и др.). Эти факторы влияют в основном на физико-механические и связанные с ними эксплуатационные характеристики материала отливки.

13.2. Технико-экономические показатели основных способов получения отливок

Рассмотрим технико-экономические показатели основных способов изготовления отливок - литье в песчаные формы, в оболочковые формы, по выплавляемым моделям, кокильное и центробежное литье, литье под давлением. Последние пять способов называют специальными .
Инструментом для изготовления отливок являются литейные формы, которые классифицируют по числу заливок: разовые и многократно используемые, а также по материалу формы: песчаные, металлические и т.п. В зависимости от числа заливок в формы, существующие способы литья можно разделить на две группы:

ЛИТЬЕ В РАЗОВЫЕ ФОРМЫ

Литье в песчаные формы (ПФ) - самый распространенный способ литья. В машиностроении им изготавливают 75-80% отливок (по массе). Изготовление форм () выполняется путем уплотнения формовочной смеси для получения точного отпечатка модели в форме и придание ей достаточной прочности.
В зависимости от размеров отливки и типа применяют ручную(фильм ) или машинную формовку(фильм ). В песчаных формах можно получать отливки самой сложной конфигурации и массой до нескольких сотен тонн (табл. 13.1).

Таблица 13.1

Технологические возможности основных способов литья

Показатель
Материал отливок		Сталь, чугун, цветные	Сталь, чугун, цветные сплавы	Сталь, чугун, цветные сплавы, спец. сплавы	Сталь, чугун, цветные сплавы	Цветные сплавы	Сталь, чугун, цветные сплавы
Максимальная масса отливок, кг					7000 – чугун, 4000 – сталь, 500 – цветной сплав
Максимальный размер отливки, мм		Неогранич.
Толщина стенок, мм
		Неогранич.					Неогранич.
Класс точности отливок
Шероховатость поверхности, Ra, мм
Минимальный (на сторону), мм
Коэффициент весовой точности, KВТ , %
Относительная себестоимость 1т отливок
Экономически оправданная серийность, шт/год		Неогранич.

ПФ - литье в песчаные формы; ОФ - литье в оболочковые формы; ВМ - литье по выплавляемым моделям; К - литье в кокиль; ПД - литье под давлением; Ц - центробежное литье

В песчаных формах получают преимущественно отливки из стали, чугуна, реже - из цветных металлов. Этот способ широко применяют в единичном и серийном производствах. Применение его в массовом производстве возможно только при высокой степени механизации. Этим способом получают отливки фланцев, крышек, втулок, станин, корпусов насосов, редукторов и др.
Основными недостатками отливок, полученных литьем в песчаные формы, является высокая шероховатость поверхности, обусловленная крупнозернистой структурой формовочной смеси. Кроме того, возможен формовочной смеси к поверхности отливки, и низкая точность вследствие смещения стержней и погрешностей изготовления и сборки отдельных частей формы.
Затруднено изготовление отливок сложной конфигурации, имеющих тонкие стенки, высокие и узкие ребра жесткости, отверстия малого диаметра и другие аналогичные элементы. Получаемые отливки в основном массивные, толстостенные, в которых предусматриваются большие на механическую обработку ответственных поверхностей. Несмотря на то, что себестоимость отливок, получаемых этим способов минимальна, затраты на их механическую обработку больше, чем для заготовок, получаемые специальными способами литья.
Весьма существенным недостатком литья в ПФ является необходимость хранения, транспортировки и переработки больших объемов формовочных смесей (до 10-12 т на 1т. отливок).
Для полного или частичного устранения указанных недостатков применяются способы специального литья.

Литье в оболочковые формы (ОФ) (фильм ) состоит в том, что необходимо изготавливать с помощью нагретой металлической плиты две полуформы толщиной 6…20 мм из формовочной смеси, состоящей из песка и фенолформальдегидной смолы в качестве связующего. Готовые оболочковые полуформы соединяют быстротвердеющим клеем на специальных прессах или скрепляют скобами, предварительно установив в них литейные стержни.
Аналогично могут быть изготовлены оболочковые, используя нагреваемые стержневые ящики. После сборки формы помещают в неразъемные опоки, которые засыпают песком или дробью.
Песчано-смоляная содержит мелкозернистый песок, которая обладает высокой подвижностью в результате наличия расплавленной смолы. Это позволяет получать высокую точность отпечатка и низкую шероховатость поверхностей отливки. При заливке жидкого металла образуется тонкая газовая рубашка, которая предотвращает формовочной смеси. В результате может быть достигнуты точность размеров, соответствующая 4…11 квалитету, при этом параметр шероховатости поверхности достигает значений Rа 40…10 мкм (табл. 13.1.).
Литье в оболочковые формы позволяет уменьшить, по сравнению с литьем в песчаные формы, объем обрубных и очистных работ примерно на 50%, расход металла - на 30-50%, сокращает объем последующей механической обработки на 40-50%, расход формовочной смеси - в 10-20 раз(фильм ). Процесс получения отливки может быть полностью механизирован.
Главным недостатком оболочкового литья является высокая стоимость связующего вещества (фенолформальдегидных смол). Изготовление литейных форм производится с помощью более дорогой металлической. Литье в ОФ применяется в основном для получения отливок деталей таких, как втулки, муфты, фланцы и др. Высокое качество тонкостенных отливок может быть получено из чугуна, углеродистой или легированной стали и цветных металлов.

Литье по выплавляемым моделям (ВМ) (фильм ) является технологическим процессом, для реализации которого применяют цельные модели из легкоплавких материалов на основе парафина, полистирола или других термопластичных полимеров. Модели вместе с элементами литниковой системы покрываются несколькими слоями жидкой формовочной смеси, состоящей из мелкодисперсного огнеупорного материала и связующего (обычно этилсиликата или жидкого стекла), с промежуточной подсушкой каждого слоя. Далее модель выплавляется и получается тонкая пустотелая керамическая оболочка толщиной 1,5…4,0 мм. Литейную форму устанавливают в опоку и засыпают снаружи песком для придания дополнительной прочности при заливке металла. Затем оболочка прокаливается в печи при температуре 900-1000ºС и металл заливается сразу после окончания прокалки, т.е. в горячую форму.
Механическая обработка полученных заготовок сводится к минимуму или может быть полностью исключена. В тоже время - это самый сложный, длительный и трудоемкий способ литья.
Литьем по ВМ экономически выгодно изготавливать сложные по конфигурации заготовки, которым предъявляют высокие требования по точности размеров и шероховатости поверхности. Обычно получают отливки из высоколегированных сталей, цветных сплавов и жаропрочных материалов, плохо обрабатывающихся резанием или обладающих низкими литейными свойствами. Основная часть экономии при этом способе литья достигается за счет уменьшения массы заготовки и объема ее механической обработки резанием.

После создания выплавляемых моделей, по которым будут изготовлены отливки, часто возникает необходимость их оперативного изменения и доработки. Эта проблема успешно решается при помощи современных технологий быстрого прототипирования, которые еще и максимально точно приближают геометрию полученной модели к геометрии ее компьютерного 3D представления.
Прототипирование (Rapid Prototyping - RP) представляет собой технологию быстрого изготовления прототипов отливок, позволяющую по компьютерным объемным моделям(3D) создавать трёхмерные физические изделия без инструментального их изготовления (фильм ). Технология стала доступной благодаря появлению 3D устройств (принтеров), обеспечивающих послойное формирование изделия(модели). Традиционный метод изготовления моделей является трудоемким и не позволяет изготовить модели сложной формы. 3D принтеры формируют геометрически сложные прототипы(модели) с внутренними элементами в течение нескольких часов. Процесс построения автоматизирован и дает возможность получать качественные, сравнительно недорогие изделия в кратчайшие сроки.

Три рассмотренных способа литья при всем их различии имеют одну общую черту - являются одноразовыми и затраты на их изготовление полностью переносятся на стоимость детали. Поэтому естественно стремление использовать многократно-используемые формы в частности, металлические.

ЛИТЬЕ В МНОГОКРАТНО ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ФОРМЫ

Литье в кокиль (К) (фильм ) заключается в использовании металлической - кокиля, который может быть изготовлен и собран с высокой точностью. Высокая стойкость чугунных кокилей в значительной мере окупается их высокой стойкостью: они выдерживают до 8…10 тысяч заливок медных сплавов; десятки и сотни тысяч заливок алюминиевых и магниевых сплавов; 50…500 стальных отливок и 4000…8000 отливок из чугуна.
Литьём в кокиль получают отливки со стабильными и точными размерами (4…11 квалитет), при этом параметр шероховатости может достигать Ra40…10мкм. В связи с большой теплопроводностью материала формы скорость велика. Это повышает механические свойства отливки, за счет получения мелкозернистой структуры, на 10-15%, но затрудняет изготовление отливок с тонкими стенками.
При переходе с литья в ПФ на литье в кокиль расход металла сокращается на 10-20% за счет уменьшения массы литниковой системы. Трудоемкость механической обработки вследствие уменьшения и высокой точности размеров снижается в 1,5-2 раза.
Литье в кокиль имеет ряд технологических особенностей, налагающих жесткие ограничения на конфигурацию отливок. Высокая теплопроводность металлической формы способствует быстрому охлаждению потока расплавленного металла и может вызвать его затвердевание до окончания заполнения. Поэтому литьем в кокиль относительно трудно получить отливки с тонкими стенками, узкими ребрами и другими аналогичными элементами. Это требует высоких температур заливки, которые ухудшают характеристики материала отливки и снижают стойкость кокилей. Можно использовать специальные технологические приемы, например, предварительный разогрев кокиля, нанесение термоизоляционных покрытий (облицовка) на его внутренние поверхности, применение разветвленной литниковой системы со многими питателями и др. Однако все эти мероприятия усложняют технологический процесс, поэтому не всегда целесообразны. Более технологичными являются относительно простые отливки со стенками не тоньше 3 мм (табл.13.1).
Следующее ограничение обусловлено низкой газопроницаемостью металлической формы, что препятствует удалению газов, выделяющихся из расплава при его затвердевании. Следствием этого является повышенная металла отливки, низкая плотность и недостаточная герметичность. Поэтому при проектировании кокилей предусматривают сложную систему вентиляционных каналов, а при заливке вакуумируют форму, расплав и ограничивают номенклатуру используемых сплавов.
Определенные ограничения на конфигурацию деталей налагают требования возможности извлечения отливки из формы и металлических стержней из отливки. Сложные по конфигурации внутренние полости и отверстия часто приходится оформлять песчаными стержнями.
Во всех случаях наиболее технологичными являются отливки из легкоплавких цветных сплавов, при использовании которых обеспечивается максимальная стойкость кокилей.

Центробежное литье (Ц) (фильм ) заключается в заливке жидкого металла во вращающуюся форму (изложницу), которая вращается до окончания металла. Этим способом литья изготавливают заготовки с точностью размеров соответствующим 6…14 квалитету, а шероховатость поверхностей - Ra80…20мкм.
За счет вращения изложницы достигается большая плотность металла отливки, повышается, практически отсутствуют затраты на изготовление стержней. При этом способе литья значительно снижается расход металла, так как отсутствуют или очень мала литниковая система. В результате действия центробежных сил, неметаллические включения скапливаются на внутренней поверхности отливки и могут быть удалены механической обработкой.
К недостаткам центробежного литья следует отнести: неточность размеров, низкое качество внутренней поверхности отливки; сложность получения заготовок из сплавов, склонных к; возможность возникновения продольных и поперечных трещин в результате высоких центробежных сил и затрудненной отливки.
Центробежное литье применяется для изготовления труб, втулок (рис.13 а), маховых и зубчатых колес, ободов (рис. 13 б) и т.п.

Рис. 21.1. Схемы способов изготовления отливок на центробежных машинах
а - с вертикальной осью вращения; б - с горизонтальной осью вращения
1 - заготовка; 2 - разливочный ковш; 3 - изложница; 4 - литейная форма.

В частности, чугунные трубы изготавливают диаметром 50…1000 мм с высокой производительностью. Отливки получают из чугуна, углеродистых и легированных сталей, иногда из цветных сплавов. Возможно получение биметаллических изделий. Технологические возможности этого способа литья приведены в табл. 13.1.

Литье под давлением (Д) (фильм ) состоит в том, что жидкий металл под давлением с большой скоростью заполняет полость металлической пресс-формы и кристаллизуется. Приложение давления способствует лучшей заполняемости, повышает точность размеров отливок, уменьшает шероховатость их поверхности в результате более плотного их контакта с формой и позволяет получать более сложные тонкостенные отливки. В связи с этим можно отлить заготовки толщиной стенок до 0,5 мм, точность размеров которых соответствует 3…8 квалитету, а шероховатость поверхности - Ra 10…2,5 мкм (табл. 13.1)

Рис. 13.1 Cхема установки для литья под давлением
а - заполнение камеры; б - заполнение пресс-формы.

Недостатками литья под давлением являются:
- сложность и длительность изготовления пресс-форм, их высокая стоимость и небольшая стойкость, особенно при изготовлении отливок из сплавов с высокой температурой плавления;
- трудно исключить газовую в отливках, которая не только снижает герметичность, но и не позволяет проводить термообработку изделия;
- низкая податливость формы вызывает возникновение остаточных напряжений;
- сложно изготавливать и извлекать отливки со сложными полостями.
Отмеченные недостатки ограничивают номенклатуру отливок и сплавов, из которых они могут быть изготовлены.
Литьем под давлением получают тонкостенные отливки массой от нескольких граммов до нескольких десятков килограмм из цинковых, алюминиевых, магниевых и медных сплавов. Возможно изготовление армированных отливок. Наиболее часто этот способ литья применяют в автомобильной, авиационной, электро- и радиопромышленностях, в приборостроении. По сравнению с литьем в песчаные масса отливки снижается в несколько раз.

Штамповка твердожидкого металла . Сущность этого технологического процесса заключается в том, что металлическая литейная форма устанавливается на прессе, производится заливка металла при температуре ниже температуры ликвидуса и прикладывается давление пуансона до 30 МПа и более.
В отличие от литья под давлением, где металл заливается в жидком состоянии, расплава в большинстве случаев происходит в свободном состоянии, а давление влияет на заполнение формы, при штамповке жидкого металла давление пуансона не снижается до окончания процесса кристаллизации. Высокое давление в начальный момент приложения силы способствует полному растворению газов, содержащихся в расплаве, и заполнению расплавом самых узких зазоров пресс-формы. В процессе кристаллизации давление вызывает пластическое деформирование затвердевшего металла и устраняет характерную для литья в металлические формы отливок; измельчает кристаллиты и повышает однородность микроструктуры по сечению заготовок. Кроме того, оливки имеют характеристики сравнимые со свойствами заготовок, полученных обработкой давлением (горячей объемной штамповкой), и достигается самая высокая точность размеров отливок.
Штамповка твердожидкого металла, по существу, является промежуточным способом между литьем и горячей объемной штамповкой. Поэтому требование к технологичности конструкций включает в себя все ограничения, присущие литью под давлением, и дополнительные, которые предъявляют к заготовкам полученным объемной штамповкой.

13.3. Выбор рационального способа литья заготовки проектируемой детали

В процессе проектирования технологичных изделий конструктор должен обеспечить не только их эксплуатационные характеристики, но и оптимизировать расходы на изготовление.
Одну и ту же деталь можно изготавливать из заготовок, полученных различными способами. Основополагающим принципом выбора способа получения отливки является обеспечение максимального приближения ее размеров к проектируемой детали. В этом случае существенно сокращается расход металла, объем механической обработки и производственный цикл изготовления детали. Однако при этом в заготовительном производстве увеличиваются расходы на технологическое оборудование и оснастку, их ремонт и обслуживание. Поэтому при выборе способа получения заготовки следует проводить технико-экономический анализ двух этапов производства - заготовительного и механообрабатывающего.
Основными факторами, определяющими выбор способа получения отливки, являются те же, что и при проектировании деталей, изготавливаемых из поковок. Конструкторско-технологическими признаками изделия являются форма и размеры заготовки; требуемая точность и свойства поверхностного слоя; технологические свойства материала заготовки и программа выпуска изделий.
Формы и размеры заготовки . Литье в песчаные формы и по выплавляемым моделям позволяет получать заготовки сложной формы с различными полостями и отверстиями. В то же время некоторые способы литья (литье под давлением, центробежное литье и др.) выдвигают определенные ограничения к форме отливки и условиям ее изготовления.
Для литья в песчаные формы размеры заготовки практически не ограничены. Нередко ограничивающим параметром в этом случае являются минимальные размеры изделия (например, толщина стенки отливки).
Форма (группа сложности) и размеры (масса) отливок влияют на их себестоимость. Причем масса заготовки влияет активнее, так как с ней связаны расходы на оборудование, оснастку и т.п.
Требуемая точность и свойства поверхностного слоя заготовки . Точность геометрических форм и размеров заготовок существенно влияет на их себестоимость. Чем выше требования к точности отливок, тем выше стоимость их изготовления. Это определяется главным образом увеличением стоимости оснастки, уменьшением допуска на ее износ, применением оборудования с более высокими параметрами точности, увеличением расходов на его содержание и эксплуатацию и др.
Свойства поверхностного слоя заготовки сказывается на возможности ее последующей обработки и на эксплуатационных свойствах детали (например, усталостная прочность, износостойкость). Оно формируется практически на всех стадиях изготовления заготовки. Выбранный способ определяет не только шероховатость, но и физико-механические свойства поверхностного слоя.
В качестве примера сравним заготовки, получаемые литьем в песчаные формы и под давлением. В первом случае получают шероховатую неточную поверхность. При обработке такой заготовки резанием возникает неравномерная нагрузка на инструмент, что, в свою очередь, снижает точность обработки.
Заготовка, полученная литьем под давлением, имеет низкую шероховатость (табл. 13.1), но в связи с высокой скоростью охлаждения и отсутствием податливости в поверхностном слое отливки возникают остаточные напряжения растяжения, которые могут привести к короблению заготовки и образованию трещин.
Технологические свойства материала отливки . Каждый способ изготовления заготовок требует от материала определенного комплекса литейных свойств. Поэтому часто технологические свойства материал накладывает ограничения на выбор способа получения отливки. Так, имеет высокие литейные свойства, поэтому отливки из этого сплава могут быть получены всеми известными способами литья. При получении заготовок из высоколегированных сталей, характеризующихся низкой жидкотекучестью, применяют, как правило, самый дорогой способ - литье по выплавляемым моделям.
Технологические свойства оказывают влияние на себестоимость изготовления отливок. Например, переход при изготовлении отливок от чугуна к стали повышает себестоимость заготовок (без учета стоимости материала) на 20-30%.
Если заготовки из одного и того материала получать различными способами литья, то они будут обладать не идентичными свойствами поверхностного слоя (табл. 22.1). Так, при изготовлении отливок литьем в песчаные формы шероховатость составляет Rа80-20 мкм, а при литье под давлением Rа 10-2,5 мкм.
Тип оказывает влияние на выбор способа получения отливок. Например, в условиях крупносерийного и массового производства рентабельны способы литья с использованием металлических и оболочковых форм. Для получения отливок из труднообрабатываемых материалов в этих условиях возможно применение литья по выплавляемым моделям, а при изготовлении тонкостенных заготовок из цветных сплавов с Т плав. С уменьшением количества одинаковых изделий может окупаться только простая и недорогая оснастка. Так, в мелкосерийном и единичном производстве применяют литье в песчаную форму с использованием деревянных моделей. При этом отливки имеют, напуски и литейные уклоны больше, чем при изготовлении заготовок специальными способами литья. С увеличением программы выпуска отливок становится экономически целесообразно использовать металлические модельные плиты при литье в песчаные формы и изготавливать литейные формы и отливки на автоматических линиях либо применять более дорогие специальные способы литья. В этом случае возможно получение заготовок с высокими свойствами поверхностного слоя и с меньшими допусками размеров и припусками на механическую обработку.
Производственные возможности предприятия . При организации производства нового типа проектируемых деталей, кроме разработки технологических процессов, следует установить необходимость приобретения нового оборудования, производственных площадей, дополнительных материалов и т.п. В этом случае выбор оборудования, оснастки и материалов производится на основании предварительного технико-экономического анализа.
Процесс проектирования изделий, изготовление которых предполагается в условиях действующего предприятия, следует связать с технологическими возможностями. Для этого необходимо располагать сведениями о типе и количестве имеющегося оборудования, производственных площадях, возможностях ремонтной базы, вспомогательных служб и т.д.
Многие из упомянутых факторов взаимосвязаны. Например, внедрение литья в металлические формы позволяет значительно снизить потребность в производственных площадях в литейном цехе, за счет уменьшения габаритных размеров машин, снижения расхода формовочных материалов и т.п. Но, с другой стороны, изготовление и ремонт кокилей требует дополнительных затрат в инструментальных и ремонтных цехах.

13.4. Литейные свойства сплавов и их влияние на конструктивные размеры и форму отливок

К литейным свойствам относят технологические свойства металлов и сплавов, которые проявляются при заполнении формы, кристаллизации и охлаждении отливок в форме. Наиболее важные литейные свойства - это, (объемная и литейная), склонность сплавов к и образованию трещин, поглощению газов, и др.
Жидкотекучесть - это способность металлов и сплавов течь в расплавленном состоянии по каналам, заполнять ее полости и четко воспроизводить контуры отливки.
Жидкотекучесть литейных сплавов зависит от температурного интервала кристаллизации, вязкости и поверхностного натяжения расплава, температуры металла и формы, при заливке и т.д.
Технически чистые металлы и сплавы, кристаллизующиеся при постоянной температуре (эвтектические сплавы), обладают лучшей жидкотекучестью, чем сплавы, образующие твердые растворы и затвердевающие в интервале температур. С увеличением поверхностного натяжения жидкотекучесть уменьшается тем интенсивнее, чем тоньше канал в литейной форме. С повышением температуры заливки расплавленного металла и температуры формы жидкотекучесть улучшается. Увеличение теплопроводности материала формы снижает. Так, песчаная форма отводит тепло с меньшей скоростью, и расплавленный металл заполняет ее лучше, чем металлическую форму.
Жидкотекучесть сплавов зависит также от химического состава: фосфор, кремний и углерод улучшают ее, а сера ухудшает. Серый чугун содержит углерода и кремния больше, чем сталь, и поэтому обладает лучшей жидкотекучестью.
Минимально возможная толщина стенки для различных литейных сплавов не одинакова и составляет при литье в песчаные для отливок из: мелких - 3-4 мм, средних - 8-10 мм, крупных - 12-15 мм; а для отливок из стали - соответственно 6-7 мм, 10-12 мм и 15-20 мм.
Жидкотекучесть металла определяют путем заливки специальных технологических проб и оценивают линейными размерами заполненной полости канала определенной формы. Наибольшей жидкотекучестью обладает серый чугун, наименьшей - магниевые сплавы.
Усадка - свойство литейных сплавов уменьшать объем при затвердевании и охлаждении. Усадочные процессы в отливках протекают с момента заливки расплавленного металла в форму вплоть до полного охлаждения отливки. Различают линейную и объемную усадку, выраженную в относительных единицах.
Линейная усадка - уменьшение литейных размеров отливки при ее охлаждении от температуры, при которой образуется прочная корка, способная противостоять давлению расплавленного металла, до температуры окружающей среды. Линейную усадку определяют соотношением

ε лин =(l ф -l от) . 100% / l ф,

где l ф и l от - размеры полости формы и отливки при температуре 20°С.

На линейную усадку влияет химический состав сплава; температура его заливки; скорость охлаждения сплава в форме; масса, конструкция отливки и литейной формы. Так, уменьшается с увеличением содержания углерода и кремния. Усадку алюминиевых сплавов уменьшает повышенное содержание кремния. Увеличение температуры заливки в форму сплава приводит к возрастанию усадки отливки. Величины линейной усадки литейных сплавов приведены в таблице 13.2.

Таблица 13.2

Линейная усадка сплавов

		Линейная усадка, %
Чугуны: Серые Модифицированные и легированные Высоколегированные Высокопрочные Ковкие Белые	Мелкие Средние Крупные Мелкие Мелкие Мелкие Мелкие	1,0…1,25 0,75…1,0 0,5…0,75 1,25…1,75 0,5…1,25 0,5…2,0 1,5…2,0
Стали углеродистые	Мелкие Средние Крупные	1,8…2,2 1,6…2,1 1,4…1,8
Бронзы (оловянные, безоловянные) и латуни	Мелкие Средние Крупные	1,4…1,6 1,0…1,4 0,8…1,2
Алюминиевые и магнитные сплавы	Мелкие Средние Крупные	0,8…1,2 0,5…1,0 0,3…0,8

Примечание: большие значения усадки относятся к простым отливкам со свободной усадкой, а меньшие - к сложным отливкам с затрудненной усадкой.

Объемная усадка - уменьшение объема сплава при его охлаждении в литейной форме при формировании отливки. Объемная усадка приблизительно равна утроенной линейной усадке и проявляется в отливках в виде усадочных раковин, трещин и коробления.
Усадочные раковины - сравнительно крупные полости, расположенные в местах отливки, затвердевающих последними (рис. 13.1,а). Сначала около стенок литейной формы образуется корка твердого металла. Вследствие того, что усадка расплава при переходе из жидкого состояния в твердое превышает усадку корки, уровень металла в незатвердевшей части отливки понижается до уровня а-а .
В следующий момент времени на корке нарастает новый слой, а уровень жидкости понижается до уровня б-б . Так продолжается до тех пор, пока не закончится процесс затвердевания. Снижение уровня расплава при затвердевании приводит к образованию сосредоточенной усадочной раковины. Сосредоточенные усадочные раковины образуются при изготовлении отливок из технически чистых металлов, сплавов эвтектического состава с узким интервалом кристаллизации.

Рис. 13.2 Схема образования усадочной раковины (а ) и усадочной (б):
1 - корка твердого металла; 2 - новый твердый слой металла; 3 - усадочная раковина;
4 - жидкая фаза; 5 - разобщенные ячейки; 6 - усадочная пористость

Усадочная пористость - скопление пустот, образовавшихся в отливке в обширной зоне в результате усадки в тех местах отливки, которые затвердевали последними без доступа к ним расплавленного металла (рис. 13.1,б). Вблизи температуры солидуса кристаллы срастаются друг с другом. Это приводит к разобщению ячеек, заключающих в себе остатки жидкой фазы. Затвердевание небольшого объема металла в такой ячейке происходит без доступа к ней питающего расплава из соседних ячеек. В результате усадки в каждой ячейке получается небольшая усадочная раковина. Множество таких межзеренных микроусадочных раковин образует пористость, которая располагается по границам кристаллов металла.
Получить отливки без усадочных раковин и пористости возможно за счет непрерывного подвода расплавленного металла в процессе вплоть до полного затвердевания. С этой целью на отливках устанавливают прибыли - резервуары, которые обеспечивают доступ расплавленного металла к участкам отливки, затвердевающих последними.
Прибыль не всегда может обеспечить доступ расплавленного металла к утолщенному участку отливки (рис. 13.2,а). В этом месте образуется усадочная раковина и пористость. Установка на утолщенный участок прибыли (рис. 13.2,б) предупреждает образование усадочный раковины и пористости.

Рис. 13.3 Способы предупреждения усадочных раковин, пористости и трещин в отливках:
1,3 - прибыли; 2 - усадочная раковина;4 - наружные холодильники;
5 - внутренний холодильник; 6 - отливка

Предупредить образование усадочных раковин и пористости позволяет установка в литейную форму наружных холодильников (рис. 13.2,в) или внутренних холодильников (рис. 13.2,г). Вследствие высокой теплопроводности и большой теплоемкости холодильника отвода теплоты от массивной части отливок происходит интенсивнее, чем от тонкой. Это способствует выравниванию скоростей затвердевания массивной и тонкой частей, а также устранению усадочных раковин и пористости. Внутренние холодильники изготавливают их того же сплава, что и отливку. При заполнении формы внутренние холодильники частично расплавляются и свариваются с металлом отливки.
В отливках в результате неравномерного затвердевания тонких и массивных частей и торможения усадки формой при охлаждении возникают напряжения, которые тем выше, чем меньше податливость формы и стержней. Если величина напряжений превысит предел прочности литейного сплава в данном участке отливки, то в теле ее образуются трещины. Если литейный сплав имеет достаточную прочность, пластичность и способен противостоять действию возникающих напряжений, то при превышении предела текучести искажается геометрическая форма отливки после извлечения ее из.
Горячие трещины в изделиях возникают в процессе кристаллизации и усадки металла при переходе из жидкого состояния в твердое при температуре близкой к температуре солидуса. Горячие трещины проходят по границам кристаллов и имеют окисленную поверхность. Склонность сплавов к образованию горячих трещин увеличивается при наличии неметаллических включений, газов (водорода, кислорода), серы и других примесей. Кроме того, образование горячих трещин в отливках вызывают резкие переходы от толстой части к тонкой, острые углы, выступающие части и т. д. Высокая температура заливки повышает вероятность образования трещин в результате увеличения кристаллов металла и перепада температур в отдельных частях отливки.
Для предупреждения возникновения горячих трещин в отливках необходимо создать условия, способствующие формированию мелкозернистой структуры; обеспечить одновременное охлаждение тонких и массивных частей отливок; увеличивать податливость литейных форм; по возможности снижать температуру заливки сплава.
Холодные трещины возникают в изделиях, когда сплав полностью затвердел. Тонкие части отливки охлаждаются и сокращаются быстрее, чем толстые. В результате в отливке образуются напряжения, которые вызывают появления трещин. Холодные трещины чаще всего образуется в тонкостенных отливках сложной конструкции из сплавов с высокими упругими свойствами и усадкой при пониженных температурах, а также низкой теплопроводностью. Опасность образования холодных трещин в отливках усиливается наличием в сплаве вредных примесей (например, фосфора в сталях).
Для предупреждения образования холодных трещин необходимо обеспечивать равномерное охлаждение отливок во всех сечениях путем использования холодильников, применять сплавы с высокой пластичностью, проводить отжиг отливок и т. п.
Коробление - изменение формы и размеров отливки под влиянием напряжений, возникающих при охлаждении. Коробление увеличивается при малой податливости формы и стержней, усложнении конфигурации отливки и повышения скорости охлаждения, которая вызывает неравномерное охлаждение между отдельными частями отливки и различную усадку. Для предупреждения коробления необходимо создать рациональную конструкцию отливки, обеспечивающую равномерное охлаждение. Применение холодильников (внутренних, наружных) позволяет выравнивать скорость охлаждения массивных и тонких частей отливки.
Ликвация - неоднородность химического состава сплава в различных частях отливки. Она возникает в процессе затвердевания изделия из-за различной растворимости отдельных компонентов сплава в его твердой и жидкой фазах. Чем больше это различие, тем неоднороднее распределяется примесь по сечению отливки. Для уменьшения увеличивают скорость охлаждения заготовки.
Склонность к газопоглощению - это способность литейных сплавов в жидком состоянии растворять кислород, азот и водород. Их растворимость растет с перегревом расплава (температуры заливки). Движение металла в форме мелкими струйками или турбулентными потоками также способствует повышению растворимости газов. При избыточном содержании газов они выделяются из расплава в виде газовых пузырей, которые могут всплывать на поверхность или оставаться в отливке, образуя газовые раковины, пористость или неметаллические включения, снижающие механические свойства и герметичность отливок.
Для уменьшения газовых раковин и пористости в отливках плавку металла следует вести под слоем флюса или в среде защитных газов с использованием хорошо просушенных шихтовых материалов. Кроме того, необходимо увеличивать газопроницаемость формы и стержней, снижать влажность формовочной смеси, подсушивать формы и т. д.
В отливках также могут возникать такие дефекты как недолив, перекос, шлаковые раковины, и др.
Недолив возникает при неправильной конструкции литниковой системы, недостаточной сплава или утечки металла в разъем формы.
Перекос может быть вызван неточной сборкой стержней или формы, случайным сдвигом полуформ, вызванным внешним воздействием.
Для предотвращения искаженной отливок следует проработать более рациональную конструкцию отливки и технологию литья.
Шлаковые раковины образуются при пониженной вязкости шлака, не достаточной эффективности литниковой системы, неправильной или небрежной заливке.
Пригар - поверхностный дефект, возникающий из-за слишком высокой температуры заливки, излишней длительности затвердевания, слабого уплотнения или низкого качества формовочной смеси.
Наружные дефекты отливок обнаруживаются внешним осмотром непосредственно после извлечения заготовок из формы или после их очистки, а внутренние - выявляются радиографическими и ультразвуковыми методами.
При использовании радиографических методов (рентгенографии, гаммаграфии) на отливки воздействуют рентгеновским или гамма-излучением. С помощью этих методов выявляют наличие дефекта, величину и глубину его залегания.
При ультразвуковом контроле волна, проходящая через стенку отливки, при встрече с границей дефекта (трещиной, раковиной и др.) частично отражается. По интенсивности отражения судят о наличии, размерах и глубине залегания дефектов.
Трещины в отливках выявляют люминесцентным контролем, магнитной или цветной дефектоскопией.
Обнаруженные дефекты могут быть исправимы и неисправимы. Так, коробление стальных отливок может быть исправлено правкой. Наружные дефекты заваривают дуговой или газовой сваркой. При недоливе крупных отливок иногда допускается исправление дефектов заливкой жидкого металла. Раковины и пористость устраняют пропиткой или заделывают различными замазками, шпаклевкой или клеями. Неисправимый брак требует пересмотра конструкции отливки или технологии ее получения.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие факторы влияют на качество получаемой отливки?
2. Сформулируйте технологические возможности способов получения отливок в одноразовые и многократно используемые металлические формы.
3. Какие факторы влияют на выбор рационального способа литья для изготовления заготовки проектируемой детали?
4. Какие способы литья вам известны?
5. Какие литейные свойства влияют на качество получаемых отливок? Приведите примеры расплавов с высокими и низкими литейными свойствами.
6. Какие химические элементы влияют на литейные свойства железоуглеродистых расплавов? Какие факторы влияют на жидкотекучесть расплава? Объясните влияние жидкотекучести на конструкцию отливки.
7. Назовите основные факторы, влияющие на усадку в процессе получения отливок. Какие дефекты возникают в заготовках в результате усадки?
8. В результате каких причин возникает коробление отливок при их изготовлении?

Литье

Литьё - технологический процесс изготовления отливок, заключающийся в заполнении литейной формы расплавленным материалом (литейным сплавом , пластмассой , некоторыми горными породами) и дальнейшей обработке полученных после затвердевания изделий.

Известно множество разновидностей литья:

• в песчаные формы (ручная или машинная формовка);
• в стержневые формы
• в многократные (цементные, графитовые, асбестовые формы);
• в оболочковые формы;
• по выплавляемым моделям;
• по замораживаемым ртутным моделям;
• центробежное;
• литьё под давлением;
• по газифицируемым (выжигаемым) моделям;
• вакуумное литьё.

При наиболее распространённом литьё в песчаные формы изготовляется литейная модель (ранее - деревянная, в настоящее время часто используются пластиковые модели, полученные методами быстрого прототипирования), копирующая будущую деталь. Модель засыпается песком или формовочной смесью (обычно песок и связующее), заполняющей пространство между ею и двумя открытыми ящиками (опоками). Отверстия в детали образуются с помощью размещённых в форме литейных песчаных стержней, копирующих форму будущего отверстия. Насыпанная в опоки смесь уплотняется встряхиванием, прессованием или же затвердевает в термическом шкафу. Образовавшиеся полости заливаются расплавом металла через специальные отверстия - литники. После остывания форму разбивают и извлекают отливку. После чего отделяют литниковую систему (обычно это обрубка), проводят термообработку , а затем красят. Литьём называют также продукцию литейного производства, художественные изделия и изделия народных промыслов, полученные с использованием литья.

Литьё в песчаные формы

Литьё в песчаные формы - дешёвый, самый грубый, но самый массовый (до 75-80 % по массе получаемых в мире отливок) вид литья. Новым направлением технологии литья в песчаные формы является применение вакуумируемых форм из сухого песка без связующего.

Литьё в кокиль

Литьё металлов в кокиль - более качественный способ. Изготавливается кокиль - разборная форма (чаще всего металлическая), в которую производится литьё. После застывания и охлаждения, кокиль раскрывается и из него извлекается изделие. Затем кокиль можно повторно использовать для отливки такой же детали.

Данный метод широко применяется при серийном и крупносерийном производстве.

Литьё под давлением

ЛПД занимает одно из ведущих мест в литейном производстве. Производство отливок из алюминиевых сплавов в различных странах составляет 30-50 % общего выпуска (по массе) продукции ЛПД. Следующую по количеству и разнообразию номенклатуры группу отливок представляют отливки из цинковых сплавов. Магниевые сплавы для литья под давлением применяют реже, что объясняется их склонностью к образованию горячих трещин и более сложными технологическими условиями изготовления отливок. Получение отливок из медных сплавов ограничено низкой стойкостью пресс-форм. Номенклатура выпускаемых отечественной промышленностью отливок очень разнообразна. Этим способом изготовляют литые заготовки самой различной конфигурации массой от нескольких грамм до нескольких десятков килограмм. Выделяются следующие положительные стороны процесса ЛПД:

• Высокая производительность и автоматизация производства, наряду с низкой трудоёмкостью на изготовление одной отливки, делает процесс ЛПД наиболее оптимальным в условия массового и крупносерийного производств.
• Минимальные припуски на мехобработку или не требующие иной, минимальная шероховатость необрабатываемых поверхностей и точность размеров, позволяющая добиваться допусков до ±0,075 мм на сторону.
• Чёткость получаемого рельефа, позволяющая получать отливки с минимальной толщиной стенки до 0,6 мм, а также литые резьбовые профили.
• Чистота поверхности на необрабатываемых поверхностях, позволяет придать отливке товарный эстетический вид.

Также выделяют следующие негативное влияние особенностей ЛПД, приводящие к потере герметичности отливок и невозможности их дальнейшей термообработки:

• Воздушная пористость, причиной образования которой являются воздух и газы от выгорающей смазки, захваченные потоком металла при заполнении формы. Что вызвано неоптимальными режимами заполнения, а также низкой газопроницаемостью формы.
• Усадочные пороки, проявляющиеся из-за высокой теплопроводности форм наряду с затрудненными условиями питания в процессе затвердевания.
• Неметаллические и газовые включения, появляющиеся из-за нетщательной очистки сплава в раздаточной печи, а также выделяющиеся из твёрдого раствора.

Задавшись целью получения отливки заданной конфигурации, необходимо чётко определить её назначение: будут ли к ней предъявляться высокие требования по прочности, герметичности или же её использование ограничится декоративной областью. От правильного сочетания технологических режимов ЛПД, зависит качество изделий, а также затраты на их производство. Соблюдение условий технологичности литых деталей, подразумевает такое их конструктивное оформление, которое, не снижая основных требований к конструкции, способствует получению заданных физико-механических свойств, размерной точности и шероховатости поверхности при минимальной трудоёмкости изготовления и ограниченном использовании дефицитных материалов. Всегда необходимо учитывать, что качество отливок, получаемых ЛПД, зависит от большого числа переменных технологических факторов, связь между которыми установить чрезвычайно сложно из-за быстроты заполнения формы. Основные параметры, влияющие на процесс заполнения и формирования отливки, следующие:

• давление на металл во время заполнения и подпрессовки;
• скорость прессования;
• конструкция литниково-вентиляционной системы;
• температура заливаемого сплава и формы;
• режимы смазки и вакуумирования.

Сочетанием и варьированием этих основных параметров, добиваются снижения негативных влияний особенностей процесса ЛПД. Исторически выделяются следующие традиционные конструкторско-технологические решения по снижению брака:

• регулирование температуры заливаемого сплава и формы;
• повышение давление на металл во время заполнения и подпрессовки;
• рафинирование и очистка сплава;
• вакуумирование;
• конструирование литниково-вентиляционной системы;

Также, существует ряд нетрадиционных решений, направленных на устранение негативного влияние особенностей ЛПД:

• заполнение формы и камеры активными газами;
• использование двойного хода запирающего механизма;
• использование двойного поршня особой конструкции;
• установка заменяемой диафрагмы;
• проточка для отвода воздуха в камере прессования;

Литьё по выплавляемой модели

Ещё один способ литья металлов - по выплавляемой модели - применяется в случаях, когда дальнейшая механическая обработка детали нежелательна (например, лопатки турбин, и т. п.) Из легкоплавкого материала (в простейшем случае - из воска) изготавливается точная модель изделия. Затем модель покрывается слоями тугоплавкого лака - от 3 до сотни слоёв. Сушка каждого слоя лака занимает не менее получаса. После чего из образованной лаком формы выплавляют легкоплавкий материал модели, затем заливают расплавленный металл. Когда деталь застынет, её извлекают, раскалывая лаковую оболочку.

В силу длительности и дороговизны всего процесса применяют только для очень ответственных деталей.

Процесс литья по выплавляемым восковым моделям базируется на следующем основном принципе:

Копия или модель конечного ювелирного изделия изготавливаются из воска.

Эта модель окружается кремообразной гипсовой массой, которая затвердевает и образует форму.

При последующем нагревании (прокалке) формы восковая модель расплавляется и удаляется.

Литьё по газифицируемым (выжигаемым) моделям

Литьё по газифицируемым моделям (ЛГМ) из пенопласта по качеству фасонных отливок, экономичности, экологичности и высокой культуре производства наиболее выгодно. Мировая практика свидетельствует о постоянном росте производства отливок этим способом, которое в 2007 году превысило 1,5 млн. т/год, особенно популярна она в США и Китае (в одной КНР работает более 1,5 тыс. таких участков), где всё больше льют отливок без ограничений по форме и размерам. В песчаной форме модель из пенопласта при заливке замещается расплавленным металлом, так получается высокоточная отливка. Чаще всего форма из сухого песка вакуумируется на уровне 50 кПа, но также применяют формовку в наливные и легкоуплотняемые песчаные смеси со связующим. Область применения ЛГМ - отливки массой 0,1-2000 кг и более, тенденция расширения применения в серийном и массовом производстве отливок с габаритными размерами 40-1000 мм, в частности, в двигателестроении для литья блоков и головок блоков цилиндров и др.

На 1 тонну годного литья расходуется 4 вида модельно-формовочных (неметаллических) материалов:

• кварцевого песка - 50 кг,
• противопригарного покрытия - 25 кг,
• пенополистирола - 6 кг,
• плёнки полиэтиленовой - 10 кв.м.

Отсутствие традиционных форм и стержней исключает применение формовочных и стержневых смесей, формовка состоит из засыпки модели песком с повторным его использованием на 95-97 %.

См. также

• Литейное производство

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.