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:

Искусство литья

Современное литье и литье будущего

Футурология литья

В последние годы большое внимание уделяется будущему литья: его проблемы обсуждаются во многих научных трудах, на специальных симпозиумах; не обошел этой проблемы и Международный конгресс литейщиков, состоявшийся в 1973 г. в Москве. Вопросам футурологии литья посвящены работы членов-корреспондентов АН УССР А. А. Горшкова, Ю. А. Шульте, профессоров В. М. Шестопала, П. П. Берга, Л. М. Мариенбаха, англичанина Дж. А. Ройнольдса и других. И это не просто дань моде прогнозирования.

Идет принципиальный спор: не только о том, каким быть литью в будущем, но и о том, быть ли ему в будущем?

Литье - один из древнейших способов обработки металлов, внесший большой вклад в искусство и технику, по своей природе созидания граничащий с искусством. В вековой конкуренции с другими процессами оно выходило победителем, поэтому, полагают одни, и в будущем-литье выдержит любую конкуренцию. Другие же считают, что возраст и былая популярность не являются защитой от конкуренции. Более того, спад в литейной промышленности, наблюдающийся в некоторых странах, свидетельствует якобы об отживанни литья как способа полуметаллических изделий для быта и машиностроительных заготовок.

0днако при глубоком научном подходе к рассматриваемой проблеме ученые единодушно приходят к выводу: е будет играть важную роль в жизни и деятельности человека самого отдаленного будущего. Какие существуют доказательства тому? Их много, хотя они и неравновесны. Прежде всего веским доказательством служит такая банальность: металлические сплавы интересуют человека лишь в связи с процессом их расплавления, а там, где есть расплав,- неизбежно литье. Второе: уже однозначно решен вопрос о равноценности литого и кованого металла. Зсе дело в надежности получения отливок нужного качества, к чему уверенно идет литейное производство. Причем вырисовываются преимущества литья: возможность получения заготовок любых размеров, любой конфигурации с максимальным приближением их к конфигурации готовых деталей и практически любой точности; более быстрая утилизация отходов и высокая степень универсальности литейного оборудования; литью поддаются почти все металлические сплавы; современные литейные процессы легко механизируются и автоматизируются; для производства отливок не обязательны полуфабрикаты основных сырьевых источников и т. д. Все они сохранятся до тех пор, пока коренным образом не изменятся структура машиностроения, энергетическая и сырьевая база, пока не будут открыты принципиально новые способы производства деталей, обладающие большими преимуществами перед литьем. Можно с уверенностью заявить, что в ближайшем будущем это не произойдет.

Утверждение о том, что литье останется важной отраслью техники и в далеком будущем, основывается на убедительных данных. Как бы ни менялась структура машиностроения, металлургии, энергетики, промышленности бытовых предметов, они останутся заказчиками сложных литых заготовок на период, поддающийся предвидению. С истощением, например, железных запасов весьма остро встанет вопрос быстрой утилизации отходов железных сплавов, сокращения технологического процесса от их передела до готовой продукции. …А в этом случае литье будет вне конкуренции. Кроме того, сырьем для литья могут быть пластмассы, камень, стекло и многие другие материалы. Возможно, произойдут изменения энергетического баланса, но любой новый источник энергии (энергия отливов и приливов, ветра, солнечной системы и, наконец, расщепляющихся материалов) способен будет, пусть даже после некоторого превращения, расплавить любой тугоплавкий материал. А расплав, как мы говорили, уже сам по себе предполагает литье.

Неизбежное повышение свойств сплавов с одновременным сужением их специализации должно не только расширять количество сплавов, но и уменьшать «дозу» их производства, что легче всего осуществить при литье. Самые современные способы улучшения, облагораживания сплавов всегда будут связаны с расплавлением. Только в этом случае сплав можно максимально очистить, изменить его состав, добиться однородности, заложить основы последующих возможностей изменения свойств и т. п. Улучшение свойств сплавов скорее всего пойдет по пути использования поздних присадок, наибольшая эффективность которых может быть достигнута в литье. Из-за чрезвычайной сложности процессов литья для их изучения и управления позже всего пришла сюда математизация, выявление законов физики литья, автоматизация и кибернетизация. Но результаты еще впереди, и они превзойдут все ожидания. Нет, не изживет себя литье ни в близком, ни в далеком будущем. И многие черты будущего литья рождаются уже сегодня.

Главный способ

За свою длительную историю литейное производство познало многие способы изготовления отливок. Рождались и развивались одни, отмирали другие, вновь возрождались давно забытые. Но вот многие столетия тому назад появилось литье в песчано-глинистые формы и сразу стало главным способом изготовления литых деталей; главным оно остается и поныне.

Есть много разновидностей этого способа, но суть его заключается в том, что с помощью деревянных или металлических моделей и стержневого ящика из песчано-глинистой смеси изготовляют части полости литейной формы, которые располагаются в специальных ящиках - опоках и формируют наружные контуры отливок, и стержни, создающие в отливках отверстия. Собранная из этих частей литейная форма заливается жидким металлом через литник, и после его застывания создается новая отливка.

Рис. 1. Собранная под заливку песчано-гли-нистая форма: 2 - верхняя и нижняя полуформы; 3 - стержень; 4 - выпор; 5 - литник; 6 - опока

Такое литье не только не утратило сочетания искусства и технических приемов, но и обогатилось прочной научной основой. Большой вклад в науку о литье в формы, изготовляемые из увлажненной песчано-глинистой смеси, внесли профессора Н. П. Аксенов и П. Н. Аксенов, П. П. Берг, Б. Б. Гуляев, А. А. Рыжиков, Д. П. Иванов, И. Б. Куманин, Г. Ф. Баландин и другие. Однако способ литья в песчано-глинистые формы имеет недостаток. Он заключается в том, что после каждой заливки форму приходится разрушать, а исходные материалы доставлять за многие сотни и тысячи километров. Румыния, например, привозит некоторые из них с Берега Слоновой Кости и из Австралии.

Приготовление форм (уплотнение смеси) требует расхода большого количества энергии. Литейщики проявили завидную изобретательность при изготовлении таких форм. Только для формовки они использовали прессование, трамбовку, встряхивание, метание, вдувание, накатку, протяжку, взрыв и т. д. Многие из способов уплотнения оказались весьма эффективными и крепко прижились. Большие работы ведутся по автоматизации процесса изготовления таких форм; автоматические линии работают на многих заводах. Например, автомат на купянском литейном заводе крупную форму выдает каждые 15-20 сек.

За последние годы повсеместное применение нашли формы из самотвердеющих смесей (на жидком стекле или иных связующих материалах), исключающих операцию сушки. С ростом энерговооруженности литейных цехов появились формы, прессованные под большим удельным давлением. Они позволяют получать отливки повышенной чистоты и точности. Для точных отливок применяются специальные керамические формы, изготавливаемые по так называемому «шоу-процессу», методом профессора Ф. Д. Оболенцева, и многие другие. Находят применение и графитовые формы, позволяющие получать чистые отливки, с высокими свойствами.

Но по-прежнему при изготовлении форм, особенно для важных деталей крупных современных машин, от литейщиков требуется большое искусство. Жизнь ежедневно ставит перед ними новые задачи, для решения которых необходимы смелость, глубокие знания и высокое мастер-сятво. Так, бумагоделательная автоматизированная машина весит около 4000 т и включает в себя более ста сушильных цилиндров диаметром около 1500 и длиной 7000 мм. Требование высокой жесткости и износостойкости, чистоты рабочих поверхностей цилиндров и отсутствия на них мельчайших дефектов чрезвычайно затрудняет изготовление такой отливки. Поистине нужны и технический риск и большое мастерство, чтобы изготовить цилиндры из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, в формах, составленных из девяти цилиндрических опок; общей высотой с трехэтажный дом!

На Ново-Краматорском заводе из нержавеющей стали отлили сложнейшую, но облегченную отливку - колесо гидротурбины для Индии. Отливка весит примерно 50 т, из обычной стали вес ее достиг бы 100 т. По конструкции отливка настолько сложна, что всю ее выполняли в стержнях.

Для литой станины горизонтально-ковочной машины на том же заводе пришлось готовить литейную форму длиной почти 18 м и высотой около 8 м, а ее заливку производили одновременно из трех крупных ковшей: двух 80-тонных и одного 35-тонного. Чтобы отливка оказалась годной, по мере затвердевания части металла и его усадки через прибыль дважды доливали жидкую сталь: 5,5 т через три часа после заливки и 3,5 т через шесть часов. Станина остывала в форме почти 12 суток. После удаления литников и прибылей вес готовой отливки составил более 120 т.

Постоянный научный поиск и высокое искусство техники литья позволяют литейщикам непрерывно совершенствовать традиционные способы изготовления литейных форм. Автоматизация и химия сделали устойчиво главным на многие десятилетия древний способ - литье в песчаных формах. Автоматы, прессующие песчаные формы под большим давлением, делают их точными и прочными, способными давать отливки необходимого качества. А химия дала литейному производству такие способы отверждения форм и стержней, которые до предела упростили процесс их формирования.

Наряду с этим существуют и рождаются специальные способы литья (в металлических формах, по разрушаемым моделям, под давлением и пр.), которые справедливо называют способами литья будущего.

Коренное усовершенствование

Безусловно, будущее принадлежит специальным способам литья, но и традиционному способу литья в сырые песчано-глинистые формы, выдержавшему конкуренцию других способов на протяжении веков, найдется достойное место в будущем литейного производства. Почему от него часто пытаются отойти в настоящее время? И не являются ли эти попытки признаком того, что этот способ изжил себя или, во всяком случае, он будет непригодным для будущего? На второй вопрос ответ может быть только отрицательным. Да, этот способ будет «вечно молодым», так как он бесконечно обновляется и совершенствуется. Ни в одном способе литейщики не проявили столь высокого искусства поиска, как в способе литья в обычных песчано-глинистых формах. Стало быть, он чем-то привлекателен, незаменим. Незаменим он своей простотой и универсальностью. Но эти преимущества сводятся на нет низкой термостойкостью (огнеупорностью - во вторую очередь) форм и низким качеством отливок (недостаточная точность, наличие засоров и дефектов поверхности).

Однако применение высоких удельных давлений (до 40 кг/см2 и больше) при прессовании литейных форм открыло новые возможности для конкурентоспособности процесса литья в песчано-глинистые формы. Не случайно почти все формовочные автоматы работают на принципе прессования смесей под большим давлением; так, спрессованные формы имеют высокую термостойкость и позволяют получать точные и бездефектные отливки. Особенно перспективно двустороннее прессование форм в сочетании со старым способом - установкой форм в горизонтальную стопку.

Рис. 2. Схема пооперационного действия стопочного автомата: а - засыпка смеси и начало прессования; б - выемка левой плиты с моделью; в - передвижение стопки

Схема изготовления безопочных форм на автоматизированной машине состоит в следующем. В пространство прямоугольного сечения, ограниченное снизу плитой (рис. 2, а), сверху дном бункера, а с двух сторон модельными плитами, из бункера вдувается формовочная смесь. Нажатием штока поршня происходит боковое прессование формы, после завершения которого левая модельная плита отходит в сторону и поворачивается на 90 (рис. 2, б). Шток с модельной плитой двигается дальше, проталкивая готовую форму к стопке, а затем на один шаг передвигает и всю горизонтальную стопку. После того как очередная форма прислонена к стопке и вместе они передвинуты на один шаг (рис. 2, в), обратным ходом штока из формы извлекается и модельная плита, и дальше обе модельные плиты возвращаются в исходное положение.

Рис. 2. Схема устройства стопочного многопозиционного автомата

Следовательно, подобные автоматы изготовляют своеобразную непрерывную горизонтальную стопку из полуформ с двусторонним отпечатком. В Советском Союзе разработаны и изготовлены самые высокопроизводительные многопозиционные автоматы и автоматические линии. Одна из них, автоматическая линия безопочной формовки со сборкой форм в горизонтальную непрерывную стопку, созданная Харьковским филиалом ВНИИЛИТМАШ , приведена на рис. 2. Она предназначена для изготовления мелких и средних отливок весом до 25 кг из черных и цветных сплавов в условиях крупносерийного и массового производства. Пескодувно-прессовый способ формообразования в сочетании с многопозиционным формовочным блоком карусельного типа позволяет изготовлять до 480 форм в час.

По своим технологическим показателям и конструктивным решениям новая автоматическая линия превосходит лучшие зарубежные образцы и, в частности, линии фирмы «ДИЗА».

Литейщики давно считали, что идеальными были бы формовочные смеси, обладающие большой подвижностью (текучие) и одновременно способностью упрочняться (твердеть) в течение короткого времени без подогрева, длительное время получить такой «жидкий» песок не удавалось. Но несколько лет назад сотрудники кафедры литейного производства Харьковского политехнического института (профессор Б. А. Носков, доцент И. В. Рыжков и другие) открыли способ получения жидкотекучих, на-ливных формовочных смесей. Изготовляли их на основе песка, жидкого стекла в качестве связующего материала и пенообразующих добавок. Литейщики Челябинского политехнического института (профессор П. В. Черногоров) придали этой смеси свойства самопроизвольного тверде-ния в течение короткого времени.

Благодаря указанным свойствам новых формовочных смесей коренным образом меняется технология изготовления литейных форм и стержней. Для изготовления их из текучих формовочных (стержневых) смесей не требуется никакого дополнительного механического уплотнения. «Текучий» песок заполняет опоку или стержневой ящик со всеми их выступами и впадинами, давая точный отпечаток модели.

Текучие смеси не требуют применения формовочных § машин для их уплотнения, в значительно меньшей степени загрязняют атмосферу пылью. Они применяются на сотнях заводов Советского Союза, а лицензия на способ их изготовления куплена рядом зарубежных стран. За открытие и внедрение нового способа изготовления форм группе ученых и инженеров (профессору А. М. Ляссу, доктору технических наук П. А. Борсуку, доценту И. В. Рыжкову и другим) в 1967 г. была присуждена Ленинская премия.

Русские способы литья

Стремясь получить более качественные и точные отливки, современные литейщики широко используют металлические формы. Сейчас существует очень много способов литья в металлические формы. Один из них - литье в стационарные металлические формы с использованием сил гравитационного поля земного притяжения - получил название кокильного литья. В простейшем виде этот способ литейщики Востока и Северного Причерноморья использовали задолго до нашей эры. Позже о кокилях Скифии забыли. Кокильное литье «открыли» вновь в России в XVI-XVII вв., оно стало известно как русский способ изготовления чугунных пушечных ядер. И снова забыли. Лишь в 30-х и 40-х годах нашего столетия кокильное литье возродилось вновь как один из прогрессивных способов изготовления отливок; возродилось на совершенно новых, научных основах.

Какие же преимущества имеет кокильное литье? Прежде всего кокили можно использовать многократно и тем самым избежать такой трудоемкой операции, как формовка. Литье в кокиль имеет и ряд других преимуществ: сокращается расход металла, отливки получаются более точными, металлу отливок можно придать особо высокие свойства, облегчаются условия для механизации и автоматизации процесса. Эти достоинства кокилей обеспечат им прочное место в литейных цехах завтрашнего дня.

В кокилях можно отливать детали любых размеров практически из всех известных литейных сплавов. Сейчас в кокилях отливают и тонкостенные сковородки, и многотонные прокатные валки. Во время Великой Отечественной войны отливали чугунные мины и башню танка Т-34. Кокиль башни представлял собой громоздкое и трудоемкое сооружение. Но так как он использовался многократно, исключая потребность в трудоемкой песчаной форме, то уже на 10-15-й заливках расходы на его изготовление полностью окупались.

Недавно на Лутугинском заводе освоено литье прокатных валков весом 50 т. Схема литейной формы для них приведена на рис. 56. а. Она комбинированная: верхние и нижние ее части (для выполнения шеек) - песчано-глинистые, а средняя - металлическая (кокиль). Общая высота формы более 12 м. Благодаря ускоренному охлаждению наружных слоев бочки валка, соприкасающихся.с кокилем, чугун получается в них твердым, износостойким, белым в изломе. Сердцевина же заготовки валка и его шейки охлаждается медленно, излом чугуна в них серый. Валки из такого чугуна лучше сопротивляются нагрузкам, заготовки из него легче обрабатываются на металлорежущих станках.

Литейщикам всегда весьма трудно получить одну отливку из двух металлов, в чем часто бывает большая потребность. В этом случае одну и ту же форму заливают разными металлами. Так отливают двухслойные валки.

Рис. 3. Формы для литья крупных однослойных (а) и двуслойных (б) прокатных валков: 1 - прибыльная часть; 2 - кокиль; 3 - часть формы шейки; 4 - нижняя шейка; 5 - рабочая часть валка; 6 - верхняя шейка; 7- литниковая система; 8 - шибер; 9 - ковш

Для этого делается особая форма: в нижней ее части имеется отверстие - шибер. В форму сначала заливают металл для твердой и износостойкой бочки. Когда на кокиле наморозится достаточной толщины металл, открывают шибер и незастывший металл выпускают в ковш. А форму заливают новым сплавом, который хорошо сплавлжтся с застывшей коркой бочки.

В нашей стране создано много разновидностей процессов кокильного литья. Коренное усовершенствование кокильного литья, его теоретические основы принадлежат профессорам Ю. А. Нехендзи, Н. П. Дубинину, А. Е. Кривошееву и другим специалистам. Большой вклад в его теорию и технологию внес член-корреспондент АН БССР А. И. Вейник. Им предложены кокили принципиально новой -конструкции. По кокильному литью наша страна занимает одно из первых мест в мире, являясь как бы законодателем в этой области. Многие наши статьи и книги по кокильному литью переведены на иностранные языки.

Современное кокильное литье по праву можно назвать русским способом изготовления отливок.

Непрерывное литье - открытие особой важности, оно представляет собой одну из разновидностей литья в металлические формы, предложенную и развитую русскими литейщиками. Еще в 1905 г. в Германии на него был выдан патент уральскому рабочему Василию Иванову. Но прошло много лет, пока непрерывное литье нашло практическое применение на производстве. Оно основано на весьма простом принципе. Известно, что в поле земного притяжения отливка затвердевает снизу, в то время как вверху формы металл остается еще жидким. Если стенки формы оставить неподвижными, а ее дно постепенно отодвигать вниз, непрерывно доливая сверху жидкий металл, то отливке конца не будет. Литейщики бились над осуществлением этой, казалось, простой и заманчивой идеи. Многое успели они сделать, но многое оставалось нерешенным или трудноосуществимым.

И вот советские изобретатели братья Мясоедовы придумали небольшую «хитрость». Чтобы оторвать слиток от стенок формы, они предложили не тянуть его вниз, а, наоборот, толкать вверх, а когда он сдвинется с места, отстанет от формы - тянуть обычным путем книзу. «Хитрость» завершилась полным успехом: была получена непрерывная отливка. ч3а усовершенствование и внедрение в промышленность непрерывного литья братьям Мясоедо-вым была присуждена Государственная премия. Этим способом можно получать цилиндрические полые отливки (трубы) и слитки. Непрерывное литье очень широко распространено в металлургии под названием «непрерывная разливка» (стали и сплавов цветных металлов).

Полученный слиток разрезают на заготовки нужного размера. В них нет ни «головы», ни «хвоста», весь металл используется для прокатки.

В нашей стране построено много мощных установок для непрерывного литья. Модель одной из них демонстрировалась на Всемирной выставке в Брюсселе, заслужив Золотую медаль. Лицензии СССР на такие установки были куплены многими странами мира. Следовательно, процесс непрерывного литья не только был открыт и усовершенствован в нашей стране, но и дал начало зарождению его во всем мире.

Назовем еще один способ литья в металлические формы - литье выжиманием (или жидкая штамповка), которое на Западе так и называют русским способом литья, ибо он зародился в нашей стране.

Существуют два вида литья выжиманием. Оба они применяются для получения тонкостенных отливок развитой поверхности. Особенно большое распространение эти способы получили в промышленности, занятой изготовлением бытовых изделий (тазы, чаши и т. п.), и в авиационной промышленности для изготовления тонких панелей из алюминиевых сплавов и пр. Один из способов можно назвать жидкой штамповкой: половинки форм для него даже название носят матрица и пуансон. Осуществляется он таким образом. На станине в подставке устанавливается неподвижная часть формы - матрица; она обычно выполняет наружные контуры отливки. Другая часть формы - пуансон - передвигается вертикально. В начале литья пуансон поднимается вверх, и в матрицу заливается точно отмеренная порция металла. Затем пуансон опускается, и металл под давлением пуансона растекается по всей полости, в которой формуется отливка, а излишек металла удаляется.

Для литья больших тонких панелей используют иной принцип. Выжимание металла по этому способу осуществляется либо за счет сближения половинок формы передвижением, либо вращением вокруг оси, наподобие того, как закрывается книга.

Если раньше этим способом изготовляли отливки лишь из алюминиевых сплавов, то в будущем он найдет применение и для литья стали и чугуна. Успешные поиски в этом направлении уже начаты. Большой вклад в развитие этого метода внесли заслуженные деятели науки профессора П. Н. Бидуля и Н. Ю. Касумзаде.

Весьма интересный способ литья в металлических формах был предложен Б. М. Ксенофонтовым. Он основан на принципе всасывания жидкого металла в форму, в которой создается небольшой вакуум. Так отливают втулки и другие цилиндрические детали.

Нет никакого сомнения в том, что многим видам литья в металлические формы принадлежит будущее. Залогом этого служит их высокая производительность, улучшение условий труда, повышение качества отливок и упрощение управления процессом их формирования.

Литье по разрушаемым моделям

Литейщики всегда стремились изготовлять как можно более точные отливки. Особенно острая необходимость в повышении точности возникла с развитием машиностроения. Большинство отливок - это заготовки для деталей машин и изделий. Чем меньше отливка по своей конфигурации и размерам отличается от готовой детали, тем меньше затрат идет на ее механическую обработку. При этом экономится металл и улучшаются условия для автоматизации процессов механической обработки.

Наиболее точными отливки получаются при литье по выплавляемым моделям. Такие модели, изготовленные по специальной пресс-форме из сплава парафина и стеарина или из других легкоплавких материалов, своими приливами - литниковыми каналами - припаиваются к стояку, образуя так называемую «елочку». Затем «елочку» несколько раз окунают в суспензию из огнеупорных материалов, каждый слой обсыпают кварцевой мукой и подсушивают. Таким образом, на поверхности «елочки» возникает многослойная огнеупорная оболочка. Модельную массу из оболочки выплавляют, а оболочку прокаливают, после чего в нее заливают жидкий металл.

Чтобы представить себе возможности этого процесса, достаточно сказать, что этим способом удалось отлить цветок розы с лепестками почти натуральной толщины.

Развитие техники требует все больше и больше точных заготовок с минимальной механической обработкой (шлифование, полировка и т. п.). Поэтому способ литья по выплавляемым моделям, зародившийся в глубокой древности, будет широко применяться и в будущем.

Разновидностью литья по разрушаемым моделям является способ изготовления отливок, при котором модели не выплавляются, а выжигаются.

Мы уже рассказывали, как русские литейщики в шутку давно открыли этот способ: заформовали рака, выжгли его, а в образовавшуюся полость залили жидкий металл и получили художественную отливку. Современные литейщики принялись за новый способ уже серьезно: они выжигают не раков, а модели из полистирола и подобных материалов. Такие модели получают путем вспенивания в пресс-форме гранул полистирола. Если продолжительность изготовления деревянной модели исчисляется днями, то из пенопласта - всего лишь часами. Процесс получения отливки по полистироловым выжигаемым моделям ясен из схемы, приведенной на рис. 4, а.

В качестве формовочного материала применяется чистый песок, без связующих. Очевидно, операция формовки в этом случае условна, она заменяется засыпкой песка в пространство между моделью и опокой (рис. 4, б). Материал модели выполняет роль связующего. Во время заливки металла в форму полистирол возгоняется и проникает в поры между песчинками, где и конденсируется, скрепляя их.

Рис. 4. Схема литья по выжигаемым моделям: а - модель из полистирола; б - готовая форма

Как ни заманчива газификация модели заливаемым ме-~ таллом, но она имеет Недостатки. Не всегда удается согласовать скорость заливки со скоростью газификации модели, поэтому в отливке могут появиться дефекты; при газификации заливкой материал безвозвратно пропадает.

Этих недостатков лишен процесс, в котором модель растворяется либо возгоняется. Растворение либо возгонка модели не только экономят полистирол, но и позволяют получать керамические прокаленные формы для точного литья.

Литье по полистироловым моделям позволяет упростить изготовление модели и формы; сократить расход металла и повысить точность отливки, так как модель не имеет литейных уклонов и нет разъема формы; сократить расход стержней и металла на прибыли.

Выжигаемые (растворяемые) модели в сочетании с текучими смесями открывают большие перспективы в литье сложных и крупных деталей и в будущем найдут широкое применение.

Об оболочке литейной формы

Давно известно, что в формировании отливки главная роль принадлежит корке формы, ее оболочке, подвергающейся всем видам воздействия жидкого и затвердевшего металла. Остальная часть формы часто служит лишь каркасом для оболочки, защищенным от многих видов такого воздействия и выполняющим второстепенную, подчиненную роль в процессе литья.

Было предложено и использовано на практике много способов литья, при которых вместо толстостенных и массивных форм используются лишь тонкие оболочки. Наиболее ярким примером таких способов является литье по выплавляемым моделям и литье в оболочковые (корковые) формы.

При оболочковом литье резко сокращается расход формовочных материалов, что дает возможность применять высококачественные пески и связующие материалы, например, необратимо затвердевающие при нагреве термореактивные смолы. Поэтому в оболочковых формах отливки получаются более чистыми, чем в обычных песчаных формах. Однако оболочковые формы имеют существенные недостатки: они деформируются под воздействием жидкого металла и в отливках не достигается нужная точность.

Представим себе теперь металлическую форму, рабочая поверхность которой покрыта песчаной оболочкой, восстанавливаемой после каждой заливки. Такая оболочка уже не деформируется при заливке, ибо она находится в жестком металлическом каркасе. Отливки таких форм обладают достаточной точностью и чистой поверхностью.

В широком масштабе этот процесс стали применять недавно, но упрощенные его варианты известны издавна. Впервые теоретическое обоснование этому процессу дал профессор Б. В. Рабинович, и сейчас приоритет на разновидности этого способа закреплен за многими авторами.

Простейший способ улучшения корочки формы заключается в нанесении на модель при обычной формовке смесей лучшего качества. Образовавшийся улучшенный слой формы (ее облицовка) в последующем и выполняет главную роль в формировании отливки (рис. 5, а). Оболочками без каркасов являются формы, полученные по выплавляемым моделям (рис. 5, б), а также из термореактивных смесей (рис. 5, в). На Востоке (Вьетнам,

Рис. 5. Схемы уст-ройства корок: 1 - песчано-глинистая форма; 2 - песчано-глинистая облицовка формы; 3 - модель; 4 - выплавляемая модель; 5 - керамическая корка; 6 - полость формы; 7 - корковая форма из термореактивных смесей; 8 - кокиль; 9 - керамическая полупостоянная обмазка; 10 - полупостоянная форма; 11 - полу постоянная керамическая обмазка; 12 - наполнитель формы; 13 - стальной кожух; 14 - песчано-глинистая обмазка: 15 - пёсчано-глинистый стержень

Китай, Камбоджа и др.) издавна применяют формы с полупостоянными оболочками, наносимыми как на кокиль (рис. 5, г), так и на полупостоянные, песчано-глинистые смеси (рис. 5, д).

На многих наших заводах также давно применялись формы с тонкой песчано-глинистой оболочкой, наносимой шаблоном на тонкий стальной кожух (рис. 5, е). Современные формы с оболочкой представляют собой кокили, облицованные тонким слоем термореактивной смеси (рис. 5, ж). Сущность облицовки состоит в следующем. Нагретый кокиль, имеющий рабочее гнездо на несколько миллиметров полнее, чем это диктуется моделью отливки, устанавливают на подмодельную плиту с моделью. В зазор, образованный рабочим гнездом кокиля и моделью, вдувают песчаную смесь. Обычно вдувание производят через отверстия в кокиле. Песчаная смесь быстро затвердевает в зазоре за счет тепла нагретых модели и кокиля. Затвердевшая смесь плотно соединяется с шероховатой поверхностью кокиля и образует на нем нужную оболочку. Напрашивается вопрос: должны ли оболочковые формы существовать в будущем?

Одна из главных задач литейщиков настоящего и будущего - уменьшение расхода материала на форму. Формы- с оболочками специальных свойств позволяют решить эту задачу. Можно без преувеличения сказать, что литье в облицованные кокили, представляющие собой комбинацию коркового литья и литья в кокиль, найдет в будущем самое широкое распространение. Такие формы обладают большой жесткостью, позволяют получить крупные отливки чистыми и точными, защищенный оболочкой кокиль служит весьма долго. В таких формах, по данным специалистов, расход формовочных материалов снижается в 3-4 раза по сравнению с оболочковыми формами и легко регулируется скорость охлаждения всех узлов отливки. Они уже нашли применение для литья чугунных коленчатых валов крупных двигателей и других деталей ответственного назначения.

Литье под давлением

Воздействие на жидкий металл внешних сил (земного притяжения, центробежных, механических и др.) не только заставляет его хорошо заполнять полость формы, но и уплотняться во время затвердевания. Например, при центробежном литье для этого используются центробежные силы. Распространенным и перспективным является литье под давлением с применением поршневых и компрессорных машин. Большое давление нужно для того, чтобы за короткое время «затолкать» жидкий металл в самые тонкие полости формы, сжать его во время затвердевания и получить весьма точные отливки с очень тонкими стенками: радиодетали, болт с готовой нарезкой и т. п. Часто никакой дальнейшей механической обработки таких деталей не требуется.

Процесс литья под давлением - весьма производительный: на некоторых машинах можно отливать десятки больших деталей в минуту. Несомненно, автоматизированный процесс литья под давлением найдет широкое распространение в будущем.

В литье используется не только высокое, но и низкое давление. Появившийся сравнительно недавно специальный способ литья под низким давлением состоит в следующем. Металлическая пресс-форма или песчано-глинистая форма совместно со стержнем образуют необходимую литейную полость, соответствующую конфигурации будущей отливки. Пресс-форма своей нижней частью устанавливается на плиту, в которой есть отверстие для подачи воздуха в печь. Плита служит крышкой печи, в которой находится расплавленный металл. В нее вмонтирована подставка с каналом для подачи металла в форму через питатели. Плотно закрытая печь и полость литейной формы в рабочем состоянии представляют собой два сообщающихся сосуда. Поэтому если по трубопроводу под некоторым давлением подать воздух в пространство печи или тигля, то металл поднимется через канал и заполнит форму. Спокойная заливка формы осуществится не сверху, не под собственным весом металла, как это бывает при4 обычном способе литья, а снизу - через дно формы.

Такой необычный способ заливки и является одной из характерных особенностей способа литья под низким давлением. Этот процесс является чрезвычайно маневренным. Он позволяет экономить металл, получать отливки бездефектными, обходиться без прибылей на них и т. д.; он может сочетаться со многими способами литья, например, с кокильным литьем, с литьем в корковые формы, в облицованные кокили и т. п.

Рис. 6. Схема литья под низким давлением: 1 - плавильная печь; 2 - стержень; 3 - воздухопровод; 4 - пресс-форма; 5 - кольцевой питатель; 6 - опорная плита; 7- литник

Уже сейчас имеется большое количество предложений о развитии и совершенствовании этого способа литья. Так, профессором Ксенофонтовым предложен способ литья намораживанием, или вакуумным всасыванием, при котором вместо воздушного давления на металл делается разряжение (вакуум) в литейной форме. Чрезвычайно перспективно сочетание литья под низким давлением с электромагнитным перемещением металла. По-видимому, в будущем для этого процесса широкое применение найдут металлические формы высокой термической выносливости (покрытые плазменным напылением, высокотемпературными материалами, облицованные тугоплавкими соединениями и т. п.). Литье под низким давлением - несомненно, процесс литья будущего. Современным и будущим литейщикам представится большая возможность проявить свое искусство в его усовершенствовании и развитии. Интересные работы в этой области ведутся в Институте проблем литья под руководством Г. П. Борисова.

Литейные сплавы

Когда-то в древности литейщики знали единственный сплав - бронзу, и применяли1 его для всех отливок: для мечей и мотыг, для посуды и украшений. Правда, украшения и статуэтки отливались также из серебра и золота, но они не везде и не всем были доступны. Позже, примерно с VII-V вв. до н. э., открыли более будничный, но замечательный сплав - чугун. Литая сталь в больших масштабах появилась лишь во второй половине XIX столетия. Что касается сплавов на основе алюминия и магния, то их рождение приходится на начало XX в.

Двадцатый век - период самого бурного умножения литейных сплавов: возникло огромное количество специальных (легированных) сталей и чугунов, разнообразились сплавы других металлов.

В настоящее время известны литые сплавы на основе алюминия, железа, золота, кобальта, магния, меди, никеля, олова, платины, серебра, свинца, титана, урана, цинка и циркония. Вряд ли в будущем многое изменится; лишь немногие из этих сплавов потеряют свое значение, новые же будут возникать в исключительных случаях. Но дальнейшее развитие науки и техники потребует сплавов с особыми, часто комплексными свойствами, удовлетворяющими требованиям работы в услозиях агрессивных сред, высоких и криогенных температур, повышенных и повторяющихся нагрузок и т. п. Поэтому отливки будущего - это отливки из сплавов высоких и специальных свойств. Следовательно, процессы легирования, модифицирования, термомеханической и импульсной обработки отливок найдут повсеместное применение в будущем.

Уже теперь большой успех достигнут в улучшении свойств традиционных сплавов за счет их очистки, специальной обаботки и «облагораживания»-легирования, модифицирования и микролегирования. В этом огромный вклад советских ученых - профессора Н. Г. Гиршовича, члена-корреспондента АН УССР Ю. А. Шульте, профессоров К. И. Ващенко, Д. П. Иванова, Д. Н. Худокор-мова, Л. И. Леви, И. Б. Куманина, академика АН Грузинской ССР Ф. Н. Тавадзе, профессоров Ю. Г. Бобро, Н. Ю. Касум-заде и многих других ученых и научных коллективов (ЦНИИТМАШ а, Института проблем литья, вузовских и заводских работников).

Чего только литейщики не используют для улучшения литейных сплавов! Выявлены огромные эффекты от обработки жидкого металла специальными шлаками или гранулами активных веществ, продувкой газами и пр. Сейчас трудно найти какой-нибудь элемент, который не нашел бы использования для улучшения тех или иных свойств литейных сплавов вплоть до таких экзотических, как цезий, иттрий и им подобные.

Конечно, на первых порах они не все находили общее признание, их внедрение часто затягивалось на многие годы, но жизнь требовала свое, и препятствия преодолевались. Быть может, не так быстро, как бы нам хотелось. Так было с применением церия и олова для улучшения свойств обычного серого чугуна. На примере чугуна можно видеть, какие новые свойства открываются в сплавах буквально с каждым годом.

Почти 2500 лет прошло с тех пор, как люди научились выплавлять чугун. Серый чугун и поныне является основным литейным материалом в машиностроении. Чем же прельщает он машиностроителей, почему и сейчас он успешно конкурирует со многими литейными сплавами? Основные причины - в его свойствах, в дешевизне и доступности: его просто выплавить, он хорошо льется, хорошо работает при трении, повторно-переменных нагру-жениях и т. п.

Положительные качества чугуна настолько убедительны и постоянны, что как от конструкционного материала от него не только не отказываются, но и все больше и больше обращаются к нему. У серых чугунов есть и огромный недостаток: они хрупки, непластичны. И виной этому пластинки графита: чем их болыйе и чем они крупнее и разветвленней, тем качество чугуна ниже. В шутку говорят: «Чугун - это испорченная графитными пластинками сталь». Удалить графитные включения невозможно: чугун перестает быть чугуном.

Радикальной мерой для изменения свойств чугуна должно было послужить округление графитных включений. Однако многие попытки осуществления этого решения были безуспешными.

Успех пришел к литейщикам в 1948 г. Совершена была целая революция в производстве чугунных отливок, принесшая неожиданные даже для самых смелых мечтателей результаты. Литейщикам удалось простыми, доступными в любом литейном цехе средствами превратить пластинчатый графит в строго шаровидные зерна. Достаточно в обычный жидкий чугун добавить малую дозу магния или его сплавов и получается чугун с шаровидным графитом, или высокопрочный чугун, обладающий как хорошими свойствами серого чугуна, так и свойствами стали: высокой прочностью, пластичностью, вязкостью. Пр.очность этого чугуна превышает прочность некоторых сортов литой стали. Такой сплав даже по цвету стал похожим на сталь; отливки его приобрели «стальной звон», могут разрезаться кислородной резкой и т. п. Группе советских ученых и литейщиков - академику АН УССР А. А. Василенко, кандидату технических наук И. С. Григорьеву, доктору технических наук Б. С. Бильману и другим, открывшим способ получения такого чугуна, была присуждена Государственная премия СССР .

Поиски новых способов округления графита, дальнейшего повышения свойств самого чугуна не прекращаются. Исследованиями члена-корреспондента АН УССР А. А. Горшкова, докторов технических наук А. П. Любченка, М. В. Волощенка, Н. Г. Гиршовича и других специалистов получены чугуны с чрезвычайно высокой прочностью.

Чугун - не только один из древнейших, дешевый и технологичный материал. Он стал современным сплавом, ему обеспечено важное место и в будущем.

Запасы черных металлов ограничены. Конечно, в будущем будет расширен диапазон горных пород, из которых можно будет извлекать металлы. Произойдет переориентировка на другие сплавы. В связи с этим большое будущее принадлежит алюминию, которого в земной коре больше 7%, и магнию. В земной коре магния меньше 5%, но. зато в каждом кубическом метре Мирового океана содержится 1 кг чистого магния, а в Сивашском море чуть ли не 10 кг чистого магния в 1 м3 воды. Запасы магния поистине неисчерпаемы! Неисчерпаем и другой литейный материал - камень. Представляется, что они и станут одними из основных литейных сплавов будущего.

По мере развития техники потребуется большое разнообразие сплавов специфических свойств, что вызовет увеличение среди них доли литейных сплавов. Широкое распространение получат сплавы на основе алюминия (например, силумины), а алюминий, магний и многие нетрадиционные металлы (редкоземельные и др.) люди станут повсеместно и с различными намерениями применять в сплавах на основе других металлов.

Плавка металла

Непрерывно развиваются способы плавки и транспортировки жидких металлов, создаются плавильные агрегаты, работающие на новых принципах. Однако простота устройства и экономичность самой популярной плавильной печи в литейном производстве - вагранки - обеспечат ей длительное существование. Быть может, только недостаток кокса послужит препятствием ее широкому использованию, но применение газа взамен кокса значительно снизит «опасность» вырождения вагранок.

Повышение свойств применяемых сплавов и производство новых требуют более совершенных методов плавки, обеспечивающих высокую чистоту и нужную температуру перегрева металла. Такую задачу современное литейное производство решает за счет применения электрических, прежде всего индукционных, плавильных печей. Однако во многих случаях для этого требуются принципиально новые способы плавки металлов.

Одним из таких способов плавки является электроннолучевая. В электронной печи используется тепловая энергия, которая выделяется при резком торможении электронов, двигающихся с большой скоростью и направленных на металл. В процессе электронной бомбардировки используется явление термеэлектронной эмиссии, состоящее в испускании электронов нагретой поверхностью металла. При нагреве электроны уходят из орбит своих атомов и их можно направить по желаемому пути, воздействуя внешним электрическим или магнитным полем. Такая возможность и используется при электронной плавке.

Процесс электронно-лучевой плавки состоит в том, что поток электронов направляется на расплавляемый металл и, ударяясь о него, выделяет большое количество тепла, за счет которого идет расплавление. Источником свободных электронов служит нагретая в глубоком вакууме до высокой температуры металлическая пластина или проволока.

Для того чтобы весь поток электронов сосредоточить в узкий пучок, направленный на металл, пользуются фокусирующими и отклоняющими устройствами, основанными на взаимодействии летящих с большой скоростью электронов с электрическим или магнитным полем. Основной частью плавильной печи является электронная пу1пка.

Она представляет собой вакуумный прибор, состоящий из камеры, в которой находятся два основных электрода - катод и анод. Катод выполняется из тугоплавкого металла, например, вольфрама, и нагревается до высокой температуры. Анодом может служить сам металл. Чаще анод выполняется в виде диафрагмы с отверстием. Между катодом и анодом подводится высокое разгоняющее электроны напряжение.

Для собирания электронов, вытесняющихся с поверхности катода, в узкий пучок, который должен пройти через отверстие анода, служит управляющий электрод. Ниже анода, в вакуумной камере или за ее пределами, располагаются фокусирующая и отклоняющая системы. Первая служит для собирания электронов, прошедших через анод, в узкий пучок, а вторая - для направления пучка по поверхности нагреваемого металла, помещенного в кристаллизаторе.

Электронный нагрев имеет ряд преимуществ и открывает новые возможности для литья тугоплавких и реактивных металлов. Плавку можно вести в глубоком вакууме, позволяющем осуществить полное удаление газов и примесей из металла; расплавленный металл легко поддерживать в жидком состоянии любое время, необходимое для полного завершения физико-химических процессов; шихта используется в любом виде. Нагрев металла можно производить до более высокой, чем в других плавильных печах, температуры и поддерживать ее во время слива. Электронной пушкой можно подогревать металл, вылитый в форму, что предотвращает образование усадочных раковин и сокращает прибыльную часть отливки. Электронной плавке принадлежит большое будущее.

Вторым способом плавки металлов в будущем является плазменная плавка. Плазма является четвертым состоянием вещества и представляет собой ионизированный газ. Процесс ионизации происходит под воздействием высоких температур. При обратном процессе ионизации, которая происходит мгновенно, идет выделение большого количества тепла. Именно это явление и лежит в основе использования плазмы для плавки. Факел плазмы возникает при сильной ионизации газа в малом объеме. Ионизация достигается либо с помощью электрической дуги, либо под воздействием токов высокой частоты.

Принцип действия плазменной печи состоит в следующем. Между вольфрамовым несгораемым электродом, находящимся в своде печи, и водоохлаждаемым электродом, помещенным в поде печи, зажигается дуга постоянного тока. В медное сопло, в котором находится вольфрамовый электрод, подается аргон. Под действием дуги последний ионизируется, и факел образовавшейся плазмы передает свое тепло металлу. Расплавление и перегрев металла происходят благодаря комбинированному действию электрической дуги и скрытой теплоты, содержащейся в плазме.

Нашли применение также плазменные высокочастотные печи. В современных плазменных высокочастотных электропечах может быть использована любая плазменная среда - аргон, гелий, азот, кислород, водород, а также сжатый воздух. Поэтому в ней можно осуществлять любые металлургические процессы. Установка питается от промышленной сети постоянного или переменного тока. Используются такие печи для плавки стали и тугоплавких металлов - хрома, ниобия, молибдена, вольфрама.

Мы здесь назвали лишь некоторые из способов плавки металла в будущем. Но мы знаем, что в технике многие десятилетия и столетия наряду с современными способами существуют и старые, для замены которых, кажется, давно созрели условия. Это происходит потому, что и в новых условиях старые процессы часто длительное время остаются конкурентоспособными для многих случаев. Есть основание предполагать, что такие плавильные печи, как электродуговые и индукционные, а иногда и вагранки, не исчезнут в будущем. По крайней мере в ближайшем будущем.

Отливка представляет собой заготовку, получаемую заливкой расплав­ленного металла, пластмассы, керамических материалов и др. в литейную форму. После затвердевания отливка сохраняет конфигурацию полости фор­мы. Методом литья можно изготовлять изделия сложной конфигурации, ко­торые другими видами обработки - ковкой, штамповкой, сваркой - получить трудно или невозможно.

Литье является одним из экономичных способов получения заготовок и деталей сложной формы, больших и малых размеров.

Технологический процесс получения отливки нз металла состоит из следующих основных операций:

1) изготовление литейной формы;

плавка металла;

заливка металла в форму;

затвердевание металла и охлаждение отливки;

термическая обработка отливки;

контроль качества отливки;

сдача отливки на механическую обработку.

Каждая из перечисленных операций носит сложный и многопереходный характер. Выполнение каждой операции должно обеспечить высокий уровень качества отливки по всем показателям, включая точность размеров и чистоту поверхности, благоприятную структуру металла, а также отсутствие наруж­ных и внутренних литейных и металлургических дефектов.

В литейном производстве для получения металлических отливок приме­няют более 50 видов литья, которые отличаются друг от друга по материалу литейной формы, по способу подачи в нее заливаемого металла, по точности размеров, по чистоте поверхности отливок, по производительности и степени сложности технологического процесса.

Литейная форма представляет собой устройство, предназначенное для заливки металла и образования отливки (рис. 3.1). Она состоит из рабочей полости (8) и литниковой системы. На рис. 3.1 литейная форма разделена на верхнюю и нижнюю полуформы. В рабочей полости непосредственно фор­мируется тело заготовки, поэтому ее конфигурация и размеры должны соот­ветствовать очертаниям и размерам изготовляемой отливки. При этом необ­ходимо учитывать то, что размеры рабочей полости должны превышать раз­меры отливки на величину литейной усадки металла. В свою очередь, разме­ры отливки должны быть больше размеров детали на величину снимаемого при механической обработке технологического припуска. Таким образом, окончательные размеры рабочей полости литейной формы включают в себя соответствующие размеры деталей, припуски на механическую обработку и на литейную усадку металла.

Внутри некоторых отливок, а также на их наружной поверхности могут быть различные отверстия, полости и выемки. Для их выполнения при сборке формы в ней устанавливают соответствующие керамические или металличе­ские элементы, нашваемые стержнями (7). Стержни удаляются из отливки при выбивке, оставляя в ней после себя необходимые отверстия или углубле­ния.

Рисунок 3.1 - Схема устройства литейной формы

1 - чаша (воронка) 2 - стояк. 3 - дроссель, 4 - шлакоуловитель, 5 - питатель, 6 - боковая прибыль, 7 - стержень, 8 - рабочая полость

Литниковая система служит для подвода металла в рабочую полость и пита­ния отливки в процессе кристаллизации. Она включает в себя чашу (воронку) (1), стояк (2), дроссель (3), регулирующий скорость заливки и предотвращающий подсос воздуха в стояк, шлакоуловитель (4), расположенный в верхней полу­форме для задержания неметаллических включений, питатель (5), подающий металл в рабочую полость непосредственно или, как в данном случае, через бо­ковую прибыль (6). Прибыль питает тело отливки при остывании и кристаллиза­ции металла и предотвращения образования в ней усадочных раковин. Прибыли могут быть верхнего или бокового расположения.

В литейном производстве сложились две группы видов литья: литье в песчано-глинистые формы и специальные виды литья.

Литье в песчано-глинистые формы является наиболее простым и распро­страненным способом получения литых заготовок. Каждая форма используется для получения одной отливки. Для изготовления таких форм материалами слу­жат формовочные смеси, состоящие из песчаной основы, в которую в качестве связующих материалов добавляются определенные количества глины и воды.

Кроме того, в смесь вводятся противопригарные добавки в виде молотого ка­менного угля, маршаллита (пылевидного кварца), мазута и другие вещества, спо­собствующие улучшению качества отливки (древесные опилки, сульфатно- спиртовая барда).

Материалами для изготовления стержней служат стержневые смеси, со­стоящие в основном из песка, связанного специальными веществами - кре­пителями (льняное масло, сульфатная барда, декстрин, канифоль и т. д.).

Литейная форма обычно состоит из порознь изготовляемых ручным или ма­шинным способом двух полуформ: нижней и верхней. Каждая из полу форм из­готовляется в специальных металлических ящиках без доньев и крышек, назы­ваемых опоками. При сборке формы опоки устанавливаются друг на друга и скрепляются.

В набитых формовочной смесью опоках рабочие полости для отливки полу­чают при помощи половинок разъемной модели, форма и размеры которой соот­ветствуют форме и расчетным размерам рабочей полости. Сборка литейной формы из полуформ - опок - производится после извлечения половинок моделей и установки стержней в нижней полуформе. Стержни изготовляются в специаль­ных приспособлениях - стержневых ящиках - и проходят обязательную сушку.

Собранная форма, состоящая из скрепленных опок, с помощью специального ковша заливается через литниковую систему и остается на месте заливки до за­вершения кристаллизации и охлаждения тела отливки. Затем опоки раскрепля­ются, и на специальной установке производится выбивка отливки из формы. За­тем производится обрубка и очистка отливки от литниковой системы с прибы­лями, удаляются остатки формовочной и стержневой смесей, и осуществляется очистка поверхности отливки от различных дефектов. После этого отливка под­вергается термической обработке, имеющей целью устранить грубо зернистую, дендритную структуру металла, литейные напряжения и подготовить металл отливки к механической обработке.

Недостатками литья в песчано-глинистые формы являются: низкая точ­ность размеров и чистоты поверхности, приводящих к большим припускам на механическую обработку, а также невысокая производительность и пло­хие санитарно-гигиенические условия труда из-за большой запыленности и шума на рабочих местах.

Наиболее распространенными специальными видами литья являются:

литье в кокиль;

центробежное литье;

литье под давлением;

литье в оболочковые формы;

литье по выплавляемым моделям.

Литье в кокиль - способ получения отливок в металлических формах - коки­лях. Эти формы изготовляются из чугуна или стали. Заполнение формы сплавом и его затвердевание происходят без какого-либо внешнего воздействия. Основными преимуществами литья в кокиль являются: исключается процесс формовки, обес­печиваются благоприятные условия охлаждения, простота удаления отливок из формы, высокие точность размеров и чистота поверхности отливки, а также мел­кое зерно металла отливки, что снижает металлоемкость изделий и повышает прочность металла

Перспективно применение податливых металлических форм, изготовляе­мых из пакетов листовой стали, а также тонкостенных водоохлаждаемых форм, в которых рабочая полость изготовляется в виде сменной штамповки.

При кокильном литье тонкостенных корпусных деталей из алюминиевых и магниевых сплавов применяют вакуумное отсасывание. Для получения крупнога­баритных тонкостенных отливок применяют так называемый метод «книжной» формовки, когда заливка производится в открытую форму с последующим выжи­манием при смыкании полуформ.

Литьем в кокиль получают отливки из чугуна, стали, алюминиевых, медных, магниевых и других сплавов.

На автоматических линиях в металлических кокилях получают отливки чугун­ных станин и подшипниковых щитов для электрических машин. Кокиля для за­ливки подшипииковых щитов состоят из двух водоохлаждаемых половин с верти­кальной плоскостью разъема.

Для отливки станин электродвигателей с высотой оси вращения 112 мм ис­пользуют облицовочные кокиля. Способ литья в облицованный кокиль заключает­ся в том, что на рабочую поверхность кокиля, предварительно нагретую до 200°С, наносится слой одноразовой песчано-смоляной облицовки толщиной 4...8 мм на термореактивном связующем. В отдельных зонах кокиля толщина облицовки мо­жет быть большей или меньшей в зависимости от условий охлаждения различных частей отливок.

Литье в облицованный кокиль по сравнению с литьем в чистым (необлицован- ный) кокиль имеег следующие преимущества:

Повышенную стойкость кокилей (до 30000 заливов);

Исключение из технологического процесса операций отжига отливок;

Упрощенную конструкцию кокиля (его можно изготовлять с литыми ра­бочими гнездами, не требующими механической обработки, что снижает стоимость кокиля);

Возможность получения отливок с выступающими частями и глубокими по­лостями;

Возможность получения точных отливок любой конфигурации;

Получение оптимальных условий затвердевания отливок.

Центробежное литье - литье в быстровращающиеся металлические формы, при котором расплавленный металл, подвергаясь действию центро­бежных сил, отбрасывается к стенкам формы и затвердевает, образуя от­ливку. Таким способом отливаются короткие (рис. 3.2, а) или длинные (рис. 3.2, б) тела вращения. Этот способ литья широко используется в про­мышленности, особенно для получения пустотелых отливок со свободной поверхностью чугунных и стальных труб, колец, втулок, обечаек и т. п. с точностью по 12-му квалитету. Металлические формы устанавливают на литейных центробежных машинах. В зависимости от положения оси вра­щения форм различают горизонтальные и вертикальные машины. Отливки, получаемые центробежным литьем, обладают повышенной плотностью во внешнем слое. Преимущества центробежного литья те же, что и при ко­кильном литье, однако качество внутренней поверхности вследствие уса­дочных явлений хуже наружной. Для получения внутренней полости в ци­линдрических отливках не требуются стержни, что позволяет экономить ресурсозатраты на их изготовление.

а - короткие тела вращения, б - длинные тела вращения, 1 - форма, 2 - желоб

Рисунок 3 2- Схема центробежного литья

Литье под давлением можно разделить на два вида:

1) литье под давлением металлов;

литье под давлением полимерных материалов.

Литье под давлением металлов - способ получения отливок из сплавов цветных металлов и сталей некоторых марок, когда жидкий расплав вводится в замкнутую металлическую пресс-форму под значительным давлением (30...100 МПа) и кристаллизуется, оставаясь под давлением (рис. 3.3). Это позволяет максимально приблизить размеры и форму отливки к размерам и форме готовой детали, что позволяет уменьшить или исключить их после­дующую механическую обработку. Прочность отливок, изготовленных этим способом, на 30 % выше прочности отливок, изготовленных литьем в земля­ные формы.

а - подача металла в предкамеру, б - нагнетание металла в рабочую полость, в - выбивка oтливки, 1 - камера, 2 - поршень. 3 - пресс-форма

Рисунок 3.3 - Cxeмa литья под давлением

На точность отливок при литье под давлением могут оказывать влияние следующие факторы:

Размеры и сложность конструкции отливки;

Толщина стенок отливки;

Направление усадки металла;

Точность изготовления пресс-формы;

Степень износа пресс-формы.

Максимальная точность размеров достигается для тех элементов отливки, которые находятся в одной полуформе или образованы неподвижными час­тями формы. Точность размеров отливок в зависимости от конструкции пресс-форм допускается в пределах 0,03...0,18 мм.

Литье под давлением производят на литейных машинах с холодной и го­рячей камерами прессования. Литейные формы изготовляют из стали. В од­ной пресс-форме может располагаться несколько рабочих полостей, питае­мых одновременно. Такие многогнездные формы позволяют получать за од­ну заливку более 20 отливок. Производительность литейных машин - до 600 заливок (запрессовок) в 1 ч. Литье под давлением является самым высокока­чественным, точным, чистым и производительным видом литья. Этот способ широко применяют в серийном и массовом производстве при изготовлении небольших деталей сложной формы. Современные автоматы для литья под давлением отливок массой до 300 г обеспечивают производительность до 6000...8000 отливок в час. Шероховатость поверхности заготовок R a = 2,5...0,32 мкм.

Стальные пресс-формы для литья под давлением имеют сложную конфи­гурацию и высокую стоимость.

Раньше при литье под давлением корпусов электрических машин из алю­миниевых сплавов применялись пресс-формы с вертикальным разъемом. В них корпус электрической машины, коробка выводов и лапы отливались от­дельно, а затем, после механической обработки, собирались.

В настоящее время применяют пресс-формы, имеющие четыре горизон­тальных разъема (рис. 3.4). В них отливают корпус вместе с лапами и короб­кой выводов. Расположение ребер получают вертикаль­но-горизонтальное.

Четырехразъемная пресс- форма позволяет отливать корпуса с более тонкими и высокими ребрами, что улучшает охлаждение маши­ны и уменьшает массу кор­пуса на 15... 25%.

Большинство отливок из алюминия для электрических машин малой мощности производят литьем под дав­лением на специальных ли­тейных машинах (рис. 3.5, а).

Рисунок 3.4 – Эскиз четырехразъемной пресс-формы

5 – неподвижная плита, 6 – цилиндр, 7 – тигель, 8 – поршень,

9 – жидкий металл, 10,11 – части пресс-формы, 12 – полость

Рисунок 3.5 – Машина для литья под давлением (а) и схема литья (б)

МЕТАЛЛОВ ЛИТЬЕ
получение металлических изделий (отливок) путем заливки расплавленного металла в литейную форму. Рабочая часть литейной формы представляет собой полость, в которой материал, затвердевая при охлаждении, приобретает конфигурацию и размеры нужного изделия.
МЕТАЛЛЫ ДЛЯ ЛИТЬЯ
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.
См. также
МЕТАЛЛЫ ЧЕРНЫЕ ;
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.
См. также КЕРАМИКА ПРОМЫШЛЕННАЯ .
ЛИТЕРАТУРА
Юдкин В.С. Производство и литье сплавов цветных металлов. М., 1967-1971 Бауман Б.В. и др. Литейное производство. М., 1971 Степанов Ю.А. и др. Технология литейного производства. М., 1983

Энциклопедия Кольера. - Открытое общество . 2000 .

Смотреть что такое "МЕТАЛЛОВ ЛИТЬЕ" в других словарях:

Формование металлических материалов механическими средствами без снятия стружки. Наряду с формообразованием обработка давлением может улучшать качество и механические свойства металла. Обработка металлов давлением производится либо в горячем… … Энциклопедия Кольера

Получение отливок путем заливки обычно расплавленных материалов (металлов, горных пород и т. д.) в литейную форму. Применяется более 50 видов литья металлов … Большой Энциклопедический словарь

ЛИТЬЕ В ПЕСЧАНЫЕ ФОРМЫ, метод литья металлов и сплавов, при котором расплавленный металл заливается в форму, сделанную из плотно утрамбованного песка. Для того, чтобы песчинки были крепко связаны между собой, песок смешивают с глиной, водой и… … Научно-технический энциклопедический словарь

литье в корковые формы - Процесс изготовления отливок заливкой расплавл. металла под действием гравитац. сил в разовые корковые формы из термореакт. смесей. Л. в к. ф. получают отливки практич. из любых сплавов: чугуна, стали, легких и тяжелых цв. металлов. Разнообразны… … Справочник технического переводчика

литье под давлением - получение отливок, при котором на специальных машинах расплавленный металл заливают в металлическую пресс форму многоразового использования. Форма заполняется расплавом под действием сил, превосходящих силы… …

литье в корковые формы - процесс изготовления отливок заливкой расплавленного металла под действием гравитационных сил в разовые корковые формы из термореактивных смесей. Литьем в корковые формы получают отливки практически из любых сплавов: чугуна, стали … Энциклопедический словарь по металлургии

Литье - технологический процесс изготовления отливок, заключающийся в заполнении форм расплавленным материалом (литейным сплавом на основе черных и цветных металлов, пластмассой, некоторыми горными породами, шлаком) и дальнейшей обработке… … Энциклопедический словарь по металлургии

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.… … Википедия

Процесс получения изделий (отливок) из разл. расплавов (металлов, горных пород, керамич. материалов, пластмасс и др.), принимающих конфигурацию полости формы и сохраняющих её после затвердевания. В литейном производстве для получения металлич.… … Большой энциклопедический политехнический словарь

ЛИТЬЕ - процесс получения изделий (отливок) из различных материалов (металлов, горных пород и др.). В литейном производстве для получения металлических отливок применяют более 50 разновидностей литья. Литьё один из экономичных способов получения… … Металлургический словарь

Книги

• Технология декоративно-прикладного искусства. Основы дизайна. Художественное литье , М.П. Ермаков , В учебном пособии, которое в странах СНГ и зарубежом является первым такого рода, изложены основы дизайна художественного литья изделий. Эволюция технологий литейного производства… Категория:

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?