Что нужно для литья металла

Обновлено: 04.10.2024

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

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

Общие сведенья

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

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

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

химическим составом;
структурой металлического сплава;
температурой плавления.

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

Металлы для заливки

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

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

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

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

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

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

При отливке изделий из черных металлов используют 5 видов стали с разным содержанием углерода. Изделия с повышенной прочностью отливают из легированной стали.

Это самый распространенный материал, который используется для промышленной заливки.

Методы литья деталей

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

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

белый;
серый;
отбеленный;
половинчатый.

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

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

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

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

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

Литьё металла

Способы отливки изделий из металлических сплавов

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

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

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

Чаще всего сегодня в промышленных масштабах используются следующие технологии производства:

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

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

Производство титана

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

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

Такой способ производства выполняется машинами горячего или холодного прессования.

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

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

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

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

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

Издержки процессов

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

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

Традиционной считается отливка в кокиль, когда используется прочная форма.

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

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

К преимуществам такой технологии следует отнести:

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

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

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

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

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

Виды отливочных форм

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

чугуна;
жаропрочной стали;
огнеупорной керамики;
графита.

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

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

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

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

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

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

Литье металлов

Человечество используем металлы и их сплавы несколько тысячелетий. Сначала металлы находили в виде самородков и россыпей, позже доисторические племена научились перерабатывать металлосодержащие руды. Проверенным способом получения изделий из металлов было литье в земляные формы.

Литье в песчаные формы

Отливали наконечники для стрел и мечи, сельскохозяйственные орудия и инструменты, утварь и украшения. За прошедшие с тех пор тысячелетия человек изобрел множество новых приемов обработки материалов и методов литья, включая литье под давлением, газифицируемые формы и порошковую металлургию. Старинный способ также сохранился, но используется в основном в скульптурных мастерских и художественных промыслах.

Особенности литья металлов

По сравнению с другими материалами, такими, например, как воск или гипс, литье металлов отличается некоторыми особенностями. Первая из них — высокая температура перехода из твердое в жидкое состояние. Воск, гипс и цемент затвердевают при комнатной температуре. Температура плавления металлов гораздо выше — от 231 °C у олова до 1531 °C у железа. Перед тем, как приступить к литью металла, его необходимо расплавить. И если олово можно расплавить в глиняной плошке на простом костре из подобранных рядом сучьев, то для плавления меди, не говоря уже о железе, понадобится специально оборудованная печь и подготовленное топливо.

Олово Свинец

Олово и свинец — самые мягкие и легкоплавкие металлы — можно отливать даже в деревянные матрицы.

Для литья более тугоплавких металлов потребуются формы из смеси песка и глины. Некоторые металлы, как, например, титан, требуют для литья металлические формы.

После заливки изделию требуется остыть. Многоразовые матрицы разбирают, одноразовые формы разрушают, и отливка готова к дальнейшей механической обработке или к использованию.

Черные металлы

В металлургической промышленности различают цветные и черные металлы. К черным относятся железо, марганец, хром и сплавы на их основе. Сюда входят все стали, чугуны и ферросплавы. Черные металлы дают более 90% мирового потребления металлических сплавов. Из стали производят корпуса и детали транспортных средств от самоката до супертанкера, строительные конструкции, бытовую технику, станки и другое промышленной оборудование.

Чугун — отличный металл для литья крупных прочных и долговечных конструкций, не подверженных напряжениям изгиба или скручивания.

Цветные металлы, в свою очередь, в зависимости от физических свойств, и прежде всего, удельного веса, делятся на две большие группы

Легкие цветные металлы

В эту группу входят алюминий, титан, магний. Эти металлы встречаются реже, чем железо, и стоят дороже. Их применяют в тех отраслях, где нужно снизить вес изделия — аэрокосмическая промышленность, производство высокотехнологичных вооружений, производство вычислительной и телекоммуникационной техники, смартфонов и малых бытовых приборов.

Титан благодаря своему отличному взаимодействию с тканями человеческого организма широко применяется для протезирования костей суставов и зубов.

Тяжелые цветные металлы

Сюда относятся медь, олово, свинец, цинк и никель. Их применяют в химической промышленности, производстве электроматериалов, в электронике, на транспорте – везде, где требуются достаточно прочные, упругие и коррозионно-стойкие сплавы.

Медь Цинк Никель и его сплавы

Благородные металлы

В эту группу входят золото, серебро, платина, а также более редкие рутений, родий, палладий, осмий, иридий.

Первые три известны человеку с доисторических времен. Они редко (относительно меди и железа) встречались в природе и поэтому служили платежным средством, материалом для ценных украшений и ритуальных предметов.

Золото и платина

С развитием цивилизации золото и платина сохранили свою роль средства накопления богатств, однако стали весьма широко использоваться в промышленности и медицине из-за своих уникальных физико-химических свойств.

Методы литья металлов

Основные методы литья металлов следующие:

Традиционный метод

Металл поступает в форму под действием силы тяжести. Применяются песчано-глиняные или металлические матрицы. Недостаток метода — высокая трудоемкость изготовления форм и других операций, тяжелые условия труда и низкая экологичность

Литье под низким давлением

Суть метода заключается в том, что тигель с металлом и матрицы для отливок располагаются в герметичной камере. Металлопровод, сделанный из титанового сплава, опускается из формы в расплавленный металл. В это время в камеру подают низкое избыточное давление воздуха или инертного газа. Металл попадает в матрицу под давлением, скорость потока весьма высока и при этом регулируется. Форма заполняется полностью и равномерно.

Метод позволяет получать высококачественные отливки, в том числе особо тонкостенные. Качество поверхности также превосходит отливки, получаемые традиционным методом. Литейные газы удаляются через отводящий трубопровод в систему очистки, откуда попадают в атмосферу. Метод отличается высокой автоматизацией операций, улучшенными условиями труда персонала и высокой экологичностью. К тому же при таком литье и материалы, и расход энергии существенно экономятся.

Литье под высоким давлением

Метод применяется как в черной, так и в цветной металлургии и позволяет получать наиболее точные и однородные отливки. Металл под высоким напором поступает в матрицу со скоростью до 120 м/с и мгновенно заполняет ее.

Деталям, полученным таким методом, практически не требуется финишная механическая обработка. Таким методом можно отливать детали практически любой конфигурации, с тонкими стенками, с готовыми отверстиями и даже с готовой резьбой.

Инжекционное литье

Инжекционный метод от обычного литья под давлением тем, что металл попадает в матрицу в виде порошка, смешанного со связующим веществом. Формы делают из высокопрочных сталей.

Высокая текучесть смеси позволяет заполнить мельчайшие детали рельефа форм самой сложной конфигурации, включающих внутренние полости. Достоинством этого метода является высокая точность поверхности, делающая ненужной дополнительную механическую обработку или сводящую ее к минимуму. Другим преимуществом является высочайшая физико-химическая однородность отливки.

Существуют и другие методы литья деталей, имеющие нишевое применение.

Основные способы литья металлов

Литье в землю

Традиционный способ. Изготавливается простая или составная модель из дерева или других модельных материалов, потом по модели делается матрица из песчано-глиняной смеси. Подробнее об этом способе читайте в соответствующей статье.

Технология литья в землю

Модель извлекают из формы, части ее собирают вместе, создают литниковую систему. Форму накалывают тонкими острыми иглами, чтобы обеспечить газоотведение. Производят отливку, ждут ее остывания,

Литье в металлические формы

Разъемную форму, называемую кокилем, изготавливают из металлических деталей. Части матрицы получают путем отливки или, если требуется обеспечить высокое качество поверхности и точность размеров, путем фрезерования. Формы смазывают антипригарными составами и производят заливку.

Литье в металлические формы

После остывания кокили разбирают, извлекают отливки, очищают. Металлическая матрица выдерживает до 300 рабочих циклов.

Литье по газифицируемым моделям

Модель выполняется не из дерева или воска, а из легкоплавкого и газифицируемого материала, преимущественно полистирола. Модель остается в форме и испаряется при заливке металла.

Литье по газифицируемым моделям

Преимущества способа:

модель не требуется извлекать из матрицы;
можно изготовлять модели сколь угодно сложных отливок, не нужны сложные и составные формы;
существенно снижена трудоемкость моделирования и формования.

Литье по газифицируемым моделям приобретает большую популярность на современных металлургических производствах.

Формы для литья

Самый древний вид форм — это формы из песчано-глиняной формовочной смеси, или «земли». Исторически центры металлургии возникали рядом с местами залегания уже готовых по своему составу для литья песков, например, рядом с всемирно известным Каслинским чугунным заводом. Смеси делятся на обмазочные и наполнительные.

формы из песчано-глиняной формовочной смеси

Для построения любой матрицы требуется модель — макет будущего изделия в натуральную величину, но несколько больших размеров — на величину литейной усадки.

Модель помешают по центру опалубки, или опоки, и наносят на нее слой обмазочной смеси — термостойкой и пластичной. Потом начинают послойно, тщательно трамбуя каждый слой, заполнять опоку наполнительной смесью. Требования к наполнительным смесям намного ниже, чем к обмазочным — они должны выдерживать давление залитого металла, сохраняя конфигурацию отливки, и обеспечивать выход плавильных газов. После модель извлекают из формы и на ее место заливают расплав.

Для отливок сложной конфигурации, имеющих замысловатые детали и внутренние полости, применяют составные модели и формы из нескольких частей.

Литье также осуществляется и в металлические формы. Их применяют при больших тиражах отливаемых деталей, в тех случаях, когда требуется высокая точность размеров и низкая шероховатость поверхности отливки, а также для некоторых металлов, активных в нагретом состоянии. Температура плавления материала формы должна быть существенно выше, чем температура отливаемого расплава.

Область применения

Различные способы литья имеют свои преимущественные сферы применения.

Так, литье в песчаные формы применяется при единичных отливках или малых сериях. Проверенный тысячелетиями способ понемногу уходит с промышленных предприятий, но продолжает использоваться на художественных промыслах и в скульптурных мастерских.

Литье в металлические формы применяется в случаях, когда требуется

большие тиражи отливок;
высокая точность размеров;
высокое качество поверхности.

Также литье в металл популярно в ювелирной промышленности и в производстве металлических украшений.

Литье под давлением все шире используется предприятиями, сфокусированными на качестве своих изделий, следящими за экологией, охраной труда и эффективным расходованием материальных и энергетических ресурсов.

Литье по газифицируемым моделям применяется в тех случаях, когда планируются большие тиражи отливок, требуется высокая точность и экономия трудоемкости.

Модели для литья

Существует множество методов обработки металла и получения из него различных видов деталей. Но среди множества способов не всегда можно получить изделие требуемой формы и размеров с использованием токарно-фрезерного или штамповочного оборудования.

Литье по выплавляемым моделям

В таком случае инженеры прибегают к помощи литья, в том числе и по выплавляемым моделям.

Техпроцесс литья по выплавляемым моделям

Технология литья по выплавляемым моделям состоит из нескольких этапов:

Создание модели для литья.
Получение формы с изготовленной модели.
Получение литейной формы.
Изготовление готовой отливки.

Литье титана по выплавляемым моделям

Создание модели

Для изготовления первичной формы применяют материалы, обладающие низкой температурой плавления. Чаще всего применяют парафины, воск и пр. То есть те вещества температура плавления не превышает 100 градусов, например, состав ПС 70 – 30. При такой температуре парафин в состоянии всю изложницу. Так, называют деталь, в которой изготавливают литейную форму.

После того как модель обрела необходимую твердость можно приступать к изготовлению литейной формы. Для этого используют состав, выполненный на основании керамики. Форма должна иметь определенную стойкость к температурным воздействиям. Для этого, на поверхность модели наносят песок мелкой фракции, для повышения характеристик формы в песок добавляют цирконий.

Песок мелкой фракции

Процесс нанесения песка может повторяться от 3 до 7 раз. Оптимальная толщина такого покрытия может составлять порядка 7 мм.

На этом этапе необходимо обеспечить выполнение следующих условий:

Распределение состава по поверхности модели должно быть равномерным.
Нельзя допускать появление внутренних пустот. Их наличие может привести к ошибкам в конфигурации отливки.
Форма должна выдержать температуру, которая должна быть выше чем температура металлического расплава. Она должна находиться в диапазоне от 900 до 1200 градусов.
После того как формирование будет прекращено, необходимо проделать отверстия, через которые будет происходить удаление парафина.
По окончании всех работ, связанных с получением формы, ее помещают в печь. В ней происходит испарение парафина и происходит дополнительный дожиг формы.

Процесс получения отливки

Перед началом литья расплавленного металла по выплавляемым моделям необходимо форму прогреть до определенной температуры. Нагрев должен быть выполнен равномерно по всей форме.

Для литья выплавляемым моделям в форме необходимо заранее подготовить горловину заготовки. В ранее сформированную горловину заливают металл. Остывание должно происходить естественным путем. Принудительное остужение недопустимо.

Процесс литья по моделям

Через 5 – 6 часов по окончании отливки можно удалить оболочку. В заводских условиях для этого применяют вибрационный стол. После того деталь направляют на механическую обработку. То есть, отсекают литник, зачищают облой, если таковой имеется. Для этого применяют ручной и механизированный инструмент. Кстати, один из эффективных способов приведения детали в соответствии с требованиями конструкторской документации является пескоструйная обработка.

Особенности этого технологического процесса позволяет его использовать и на крупных предприятиях, и в небольших мастерских, и в домашних условиях.

В промышленности, так исторически сложилось, что литье по выплавляемым моделям применяют в машиностроении, в частности, по этой технологии выполняют отливки корпусных деталей для продукции электротехнической промышленности, деталей судов, автомобилей.

Литье по выплавляемым моделям в машиностроение

Надо отметить, что такое широкое применение литья по такой технологии стали применять в промышленных масштабах относительно недавно. Это было связано с тем, что существовали определенные проблемы при получении формы. Их стало возможным решить после появления такого химиката, как этилсиликат. Его использование позволило допиться необходимых показателей по термической стойкости и вязкости материала.

Литье в керамические формы

Так, называют метод получения отливок в том числе и с крупными размерами, обладающих высокой точностью в одноразовых формах выполненных из керамики. Их изготавливают из подвижных смесей, используя для этого постоянную модель.

Модель после получения формы не утилизируют и ее можно использовать для получения новых форм.

Литье в керамические формы

В состав этой смеси входят огнестойкие порошки разной фракции, и растворов этилсиликата и огеливателя. После тщательного перемешивания ее выливают в заранее подготовленную оснастку. Там она затвердевает, пройдя через эластичное состояние. После выполнения этой операции форму снимают и отправляют в печь для прокаливания. Во время этого процесса происходит сгорание спиртовых паров и в результате этого в форме происходит формирование микротрещин. Металлический расплав заливают в холодную форму, но иногда, это определяет марка расплава, ее подогревают до 900 градусов Цельсия. Такой метод применяют для получения штампового инструмента, технологической прессовой оснастки, компонентов литейных форм и пр.
Существует несколько наименование литья в керамические формы – шоу-процесс, уникаст-процесс и керамкаст-процесс. Разница между первыми двумя заключается только во времени получения патента. Последний процесс, включает в себя элементы технологии первых двух.
Оболочковые формы для последнего процесса производят при помощи разъемных моделей с тонкими стенами, которые выполнены из искусственного каучука.

Керамическую оболочку выполняют точно так же, как и для литья по выплавляемым моделям. При сборке формы, эластичные детали просто вытягивают, а литники или выплавляют или выжигают.
Для изготовления стержней используют такой способ – в ящик для формовки стержней заливают суспензию и через некоторое время ее сливают. На поверхности ящика останется слой суспензии, засыпаемый огнеупором. Те частицы, которые не прилипли, удаляют из ящика. После чего, снова заливают суспензию и посыпают ее порошком. Эту операцию повторяют несколько раз до тех пор, пока стержень не получить необходимые размеры.

Литниково-питающая система при литье по выплавляемым моделям

Плотность отливок в первую очередь зависима от способа заливки и строения литниково–питающей системы. Учитывая то, что металлический расплав подают в разогретую форму, получение отливок высокого качества сопровождается рядом сложностей.

Во время заливки формы расплав должен заполнить полости, расположенные в форме равномерно, но при этом необходимо как-то компенсировать усадку, сопровождающую затвердевание металла. Эту задачу решают путем использования системы литников и прибылей, формируемых при изготовлении модели. Практика литейного дела представило множество знаний о системах подобного типа.

Все дело в том, что принципы, заложенные в технологию литья в песчаные формы во многом сходны с принципами литья по выплавляемым моделям.

Хранилище жидкого металла называют прибылью. Ее размещают так, чтобы была возможность компенсации объема металла, расходуемого на усадку. Прибыль должна быть размещена таким образом, чтобы металл оставался в жидком состоянии дольше, чем в рабочей части формы. То есть, прибыль служит для подпитки отливки во время ее затвердевания.

Миксер для временного хранения жидкого металла

Прибыль выполняют из тех же материалов, которые применяют для изготовления формы и поэтому она охлаждается так же как и другие части системы. Для обеспечения более позднего остывания прибыли изготовление моделей выполняют таким образом, чтобы, она остывала несколько медленнее. Для замедления процесса остывания иногда применяют материалы с меньшей теплопроводностью.

Изготовление моделей и модельные составы

Для того, чтобы изготовить модели применяют так называемые модельные составы. Их основу составляют смеси выполняемые на основе воска. Кроме этого, в состав добавляют полимеры, они улучшают механические свойства смесей. На некоторых производствах применяют мягкие составы. Они могут быть насыщены воздухом, для их упрочнения применяют полиэтилен или битум.

Модельные составы должны в полной мере отвечать следующим требованиям:

Они должны обладать малой усадкой и не должны сильно расширяться под воздействием высоких температур.
Постоянством твердости и прочностных характеристик.
Определенной эластичностью.
Возможность предельно точно повторять полость пресс-формы.
Модельная смесь не должна прилипать к рабочим поверхностям формы и не должна оказывать коррозионного воздействия на них.
Стойкостью к определенным химическим и физическим воздействиям.
Смесь должна обладать хорошей стойкостью к окислению при разных температурах.

Изготовление пресс форм

Пресс-форма — это сложное инженерно-техническая конструкция, которая должна обеспечить качество получаемых отливок. По сути, это высокоточный инструмент, который состоит из нескольких частей, внутри которого имеются полости, куда поступает расплав.
Форму устанавливают в узле, в котором происходит смыкание литейной машины. При каждом смыкании в форму подается расплав, затем он выдерживается под определенным давлением и по прохождении заданного по технологии времени происходит размыкание. Остывшие отливки попадают в приемное устройство.

Этот инструмент проектируют и изготавливают в несколько этапов.

Анализ технического задания. На этом этапе заказчик передает в распоряжение исполнителя технические требования на будущую форму. В числе требований должны быть данные об условиях эксплуатации, в частности, должны быть указанные данные о материале, из которого будут выполнять отливки, программу выпуска на месяц, квартал или год. Исходя из полученных данных, проектировщики выполняют расчет оптимальных характеристик формы. Кроме этого, заказчик должен передать в распоряжение изготовителя либо чертежи на планируемое к выпуску изделие или образец.
На этапе проектирования проектировщики выполняют создание 3D-модели. Она поможет наглядно представить как она (форма) будет работать, как будет продвигаться материал. Современные программные средства позволяют смоделировать детальную работу всех узлов формы, температурные параметры и множество другой информации необходимой для создания рабочей документации. Следует отметить, что в распоряжении проектировщиков находятся программные средства, позволяющие повысить качество рабочей (конструкторской и технологической) документации, минимизировать ошибки и существенно ускорить процесс проектирования.
Современные пресс-формы, по большей части производят на оборудовании, работающем под управлением компьютера. Это позволяет минимизировать участие человека в изготовлении элементов формы и соответствии сводит к нулю получение некондиционных изделий. Кстати, на серьезных производствах с успехом работают безбумажные технологии. То есть разработчик, после того, как спроектировал форму, с применением специальных программных комплексов в состоянии выполнить написание управляющих программ для станков с ЧПУ. После чего, она может быть отправлена на станок по заводской ЛВС.
После производства опытной формы, заказчик проверяет качество полученной отливки и принимает решение о производстве серийной формы.

Для производства пресс-форм используют легированные и инструментальные сплавы. Их использование позволяет выпускать продукцию, которая может выдержать десятки тысяч смыканий-размыканий.

Готовые отливки

Изделия, получаемые при литье металлов можно разделить на несколько типов:

Чушки, которые в дальнейшем будут использоваться для дальнейшей переплавки.
Слитки, предназначенные для обработки давлением.
Фасонные изделия, которые могут быть отправлены на дополнительную механическую обработку, необходимую для удаления литников, облоя.

Современные технологии литья металлов позволяют получать детали, которые не требуют дополнительной обработки.

Преимущества и недостатки литья по выплавляемым моделям

Такая технология литья отличается следующими достоинствами:

Высокая точность получаемых отливок, это позволяет исключить или уменьшить количество механической обработки.
Возможность получения отливок сложной конфигурации, в том числе и с тонкими стенками.

Преимущество метода — точность детали

Но, литье по формам обладает существенным недостатком, они довольно сложны в изготовлении, и обладают высокой стоимостью.

Технологии литья

Изготовление металлических изделий методом литья – это широко распространенный способ получения деталей сложной конфигурации без использования дорогостоящего оборудования. Производители используют различные технологии литья. Благодаря этому детали можно получить такой точности, что не требуется дальнейшая механическая обработка. Автоматизация и механизация технологического процесса позволяет поставить получение отливок на поток.

Для литья пригодны такие металлы и сплавы как:

черные:
сталь:
- конструкционная;
- легированная;
- серый;
- белый;
- половинчатый;
- цветные:
- медь:
  - бронза;
  - латунь;
  - силумин;
  - дюралюминий;
  - редкоземельные;
  - драгоценные.
  Для получения деталей определенного качества разрабатываются новые сплавы с различным процентным содержанием компонентов. От их наличия и количества во многом зависит температура плавления и жидкотекучесть расплава.
  
  Новая технология в литье – прогрессивный способ разливки. Позволяет снизить себестоимость продукции в отличие от конкурирующих предприятий. Кроме издревле известных способов литья в землю или песчано-глинистые формы, для увеличения количества отливок используются неразрушаемые металлические формы – кокили.
  
  Кроме перечисленных способов применяются такие методы литья как:
  - под давлением:
    - избыточным;
    - вакуумическим;
    - выплавляемым;
    - газифицируемым;
    Для литья чугуна с невысоким показателем шероховатости поверхности используются песчано-глинистые формы. Разлив производится как в опочные формы, так и в безопочные.
    
    Использование типа формы зависит от массовости получения отливок. Так, разовые формы разрушаются, чтобы извлечь отливку. Из-за невысокой прочности состава, формы, предназначенные для разлива под небольшим давлением, изготавливаются толстостенными. Благодаря введению специальных связывающих материалов, придающих дополнительную прочность, форма изготавливается небольшой толщины, но с использованием опоки.
    
    Для цветного литья используются более прогрессивные технологии.
    
    Литье алюминия из-за его низкой температуры плавления сопряжено с некоторыми трудностями. Если разлив производится в формы из металла, то под давлением и с использованием специальных смазок, чтобы исключить появление дефектов.
    
    Для получения ровной наружной поверхности и точного размера на изделиях, имеющих форму вращения, не только из алюминиевых, но и из других сплавов, используется центробежное литье. Центробежные силы распределяют расплавленный металл по форме равномерно. К тому же из расплава удаляются излишки воздуха и газов. Далее ознакомимся с некоторыми технологическими способами литейного производства.
    
    По газифицируемым моделям
    
    Получение формы происходит за счет неизвлекаемой модели, и заливка металла производится в неразъемную форму. При этом модель получают из пенопласта вспениванием при высокой температуре. При литье металла в форму, пенопластовая модель полностью выгорает, освобождая внутренний объем.
    
    Если модели для мелких деталей можно получить вспениванием состава, то крупные вырезают из склеенных плит. Резка производится вручную. Для этого используется нихромовая проволока. Поданное напряжение разогревает проволоку, что облегчает резку.
    
    Также модель может вырезаться на фрезерных или гравировальных станках с числовым программным управлением по заданному алгоритму. Подготовленная модель красится и дополнительно покрывается термостойким составом.
    
    Формовка при ЛГМ производится двумя методами. В первом случае для отливок несложных форм используются вибрационные столы, на которых происходит уплотнение формовочной смеси с использованием опок. Затем на опоку укладывается крышка и монтируется литниковый приемник.
    
    Во втором случае, когда изделие имеет сложную геометрию, формовку проводят под вакуумом. Чтобы закрытая форма не разрушилась, она подвергается действию пониженного давления вплоть до окончания заливки. Значение вакуумического давления невелико – порядка 4-5 ГПа.
    
    Заготовки для литья по газифицируемым моделям
    
    Температура разливаемого металла значительно выше, чем начало газификации пенопласта (560 °С). Газы, выделяемые пенопластом, из формы легко удаляются вакуумной системой. При этом отсутствует задымленность рабочей зоны.
    
    В качестве основного достоинства этого метода отмечают высокое качество отливок, которое можно получить литьем в обыкновенный или облицованный кокиль. Возможным это стало из-за того, что форма цельная.
    
    На современном этапе литье по выжигаемым моделям применяется для отливки:
    - крупных и средних изделий на мелкосерийном производстве;
    - заготовок со сложной конфигураций и весом до 50 кг, к которым предъявляются требования повышенной точности размеров, на среднесерийном и крупносерийном производстве.
    Под давлением
    
    Технология литья под давлением предполагает быструю подачу расплава в форму путем использования компрессорных или поршневых механизмов. Благодаря автоматизации процесса литье под давлением считается высокопроизводительным.
    
    Таким способом можно получать детали:
    - сложной геометрической формы;
    - с достаточно тонкими стенками;
    - высокой точности;
    - с повышенной шероховатостью.
    Способ литья под давлением применяется для получения деталей в автомобилестроении. Они получаются небольшого веса, достаточной прочности, что позволяет снизить общую массу агрегата.
    
    Стоит отметить, что метод литья под высоким давлением имеет следующие достоинства:
    - возможность получения размеров 9 класса и грубее;
    - достигаемая шероховатость поверхности — 1,25 мкм;
    - минимальная размер стенок — 0,6 мм;
    - минимальным диаметром отверстий — 1 мм;
    - формирование наружной резьбы;
    - накатки, надписей на внешней стороне.
    К недостаткам относят следующее:
    - высока цена на сами формы;
    - разлив металлов с низкой температурой плавления;
    - повышенная вероятность образования внутренних дефектов в виде трещин и напряжений.
    Схема литья под давлением
    
    Широкое использование литья алюминия под давлением обусловлено:
    - малым значениями температуры в период кристаллизации;
    - пластичностью сплава;
    - хорошей жидкотекучестью;
    - инертностью к химическим реакциям;
    - невысоким объемом усадки.
    Рассматривая способы технологию поделить следующим образом:
    - камера прессования:
      - горячая;
      - холодная;
      - горизонтальный;
      - вертикальный;
      - поршневой;
      - компрессорный.
      Протекание процесса
      
      Расплав подается в специальную полость. Поршневым пальцем жидкий металл на большой скорости вгоняется во внутреннюю полость пресс-формы. После чего происходит охлаждение без снятия давления. После затвердевания пресс-форма разъединяется, и отливка извлекается. Для облегчения извлечения конструкция оборудуется толкателями.
      
      В кокиль
      
      При литье в кокиль, или в металлические формы, жидкий металл заливают свободно, то есть под действием гравитационных сил. Саму форму изготавливают разборной из двух частей, установленных на плиту. Для получения полостей и отверстий в предусмотренные канавки, в которые укладываются стержни. Для изготовления металлических форм используются стали и чугуны.
      
      Процесс отлива в кокиль
      
      Для удаления газов во время заливки предусматриваются вентиляционные каналы. Чтобы к внутренним поверхностям кокиля не прилипал расплав их облицовывают или красят огнеупорными составами. Толщина покрытия зависит от разливаемого металла и скорости его охлаждения. Перед покрытием полость формы очищается, а затем нагревается до температур 150 °С — 280 °С.
      
      Особенности получения отливок:
      1. Из-за высокой теплопроводности сплавы в кокиле быстро остывают, поэтому сплавы с малой жидкотекучестью должны иметь максимальную толщину стенок. Высокая скорость остывания формирует мелкозернистую внутреннюю структуру.
      2. Металлическая форма неподатлива, поэтому в отливке отсутствуют дефекты, вызываемые остаточными деформациями, а также предотвращает усадку. Получаемая точность заготовок: стали и чугуны – 7-11 класс, цветные сплавы – 5-9 класс.
      3. Отсутствие пригара.
      4. Достигаемая шероховатость поверхности соответствует R_z = 40-10 мкм.
      5. Кокиль – газонепроницаемая конструкция. Вентиляционные каналы и огнеупорные покрытия не могут полностью отвести газы. В связи с этим газовые раковины – это частое явление.
      - постоянные характеристики для получаемых отливок;
      - возможность использования песчаных стержней;
      - высокая производительность;
      - малое количество производимых операций;
      - чистая поверхность готовых изделий;
      - механизация работ;
      - невысокая квалификация работников.
      - значительная стоимость формообразующей оснастки;
      - ограниченная стойкость форм;
      - быстрое остывание расплава.
      В кокиль отливаются практически все металлы, но большинство отливок — это чугуны и литейные стали.
      
      В землю
      
      Литье в землю или в формы из смеси песка и глины — самый старый способ получения заготовок из расплавленного металла. Свыше 80% всего литья приходится на него. Отличается простотой и доступностью используемых материалов.
      
      Из древесины изготавливаются модельный и литниковый комплект. После того как модель готова, замешивается формовочная смесь. В состав самой простой входят песок, кварц и глина.
      
      Формовка производится и вручную и на машинах. Ручное изготовление форм применяется при изготовлении разовых или нескольких отливок и считается непродуктивной. Формовка на машинах используется на автоматизированных литейных линиях. Литейные формы состоят из двух половин и являются одноразовыми. После заливки и охлаждения, формы разрушаются. Больше половины отработавшего материала возвращается на формовочную операцию после очищения и восстановления.
      
      Прецизионное литье
      
      Прецизионное литье, обладающее повышенной точностью, применяется уже не одно десятилетие. С его помощью можно изделиям придать любую форму и при этом не увеличивать затраты на производство.
      
      Прецизионное литье металлов характеризуется тем, что отливки имеют:
      - любую форму;
      - высокую точность;
      - минимальные припуски.
      Данный способ литья используется при отливке мелких деталей весом от одного грамма до 10 кг.
      
      Технологические особенности литья стали
      
      Сталь – один из наиболее распространённых в глобальной промышленности строительных материалов. Она используется в металлообрабатывающей, автомобильной, пищевой, строительной и многих других отраслях. Иными словами, сегодня трудно представить жизнь без стальных деталей, присутствующих в каждом доме. Литье стали – это сложный технологический процесс, начавший активно развиваться и совершенствоваться ещё в XIX в.
      
      Значение стали в мировой индустрии
      
      Мировая сталелитейная промышленность – одна из самых развитых отраслей металлургии. Несмотря на недавний спад производства в связи с финансовым кризисом 2012 года, литье стали получило новый толчок и сейчас стремительно набирает обороты. Ежегодный спрос на этот метод неуклонно растёт в связи с тенденциями к урбанизации и индустриализации. Основные покупатели стальных изделий – страны с хорошо развитой инфраструктурой и промышленностью. Производство стали в мире составляет около 90% от объёма всех металлов.
      
      Сталь широко применяется в строительстве дорог, зданий и инфраструктурных сооружений: самые крупные стадионы, аэропорты и мосты имеют, как правило, стальной скелет. Болты, гвозди и винты также изготовлены методом отливки стали в специальные формы. Несмотря на растущую долю алюминия на мировом рынке, литье стали ещё долго не сдаст свои позиции. В то же время сталелитейное производство характеризуется цикличностью, а, следовательно, и относительной нестабильностью.
      
      Характеристика стали
      
      Своим появлением сталь обязана железу – это сплав железа (Fe) с определённым содержанием углерода (C). Доля последнего в смеси должна варьироваться в пределах от 0,1 до 2,14%. Причём сплавы, содержащие более 0,6% углерода в своём составе, получили название «высокоуглеродистые». Такие материалы отличаются особенной прочностью, так как углерод придаёт стали твёрдость и снижает её пластичность. Если содержание углерода превышает отметку в 2,14%, то материал относится к чугунам.
      
      В процессе литья стали в сплав могут быть добавлены так называемые легирующие элементы (вольфрам, ванадий, марганец, хром, титан, кобальт и другие). Эта процедура направлена на то, чтобы придать конечному материалу нужные свойства, такие как прочность, пластичность, обрабатываемость и т. д. При этом массовая доля содержания железа должна оставаться на уровне не менее 45%.
      
      Вне зависимости от способа получения стали, материал содержит небольшое количество примесей марганца, фосфора, серы и кремния. Эти элементы способны негативно влиять на здоровье человека, поэтому сталь не относится к высокоэкологичным материалам.
      
      Разновидность сталей
      
      Есть несколько общепризнанных классификаций литья стали в зависимости от критерия оценки. По качеству и способу производства стали подразделяются на:
      - обыкновенного качества;
      - качественные;
      - повышенного качества;
      - высококачественные.
      Отношение к той или иной категории определяется процентом содержания вышеупомянутых вредных примесей и соответствием технологическим и механическим характеристикам. Каждый из видов имеет свою сферу применения. По химическому составу стальные сплавы делятся на:
      - Углеродистые, предназначенные для статических нагрузок. Внутри себя группа делится на низко-, средне- и высокоуглеродистую сталь.
      - Легированные, содержащие дополнительные элементы, влияющие на физические свойства материала.
      Классификация
      
      Кроме того, существует классификация по способу применения стали:
      - Строительная – обыкновенный материал с хорошей свариваемостью.
      - Конструкционная – характеризуется высоким содержанием углерода, подходит для каркасов, кровельных работ, изготовления рельсов.
      - Инструментальная – применяется для режущего инструмента (резец, стамеска, долото, сверло, напильник и др.).
      - Легированная – универсальная смесь со специальной примесью. Подвид – низколегированная сталь для суровых климатических условий.
      - Сталь особого назначения используется в точном судостроении и электротехнике.
      Свариваемость – ещё один важнейший критерий для литья стали, ставший основанием для разделения сплавов на группы. Это свойство определяется способностью к раскислению:
      - Спокойные – полностью раскисляются, содержат минимальное количество неметаллических примесей.
      - Полуспокойные, схожие со спокойными по качеству.
      - Кипящие – неокисленные стали с высоким процентным содержанием неметаллических компонентов.
      Для удобства была введена специальная маркировка, которая позволяет определить, к какому виду относится тот или иной сплав и какими основными характеристиками он обладает. Важно помнить, что общемировой системы нет, и у каждой страны она своя. Так, на территории России принято придерживаться численно-буквенных обозначений.
      
      Основные процессы и технологии литья стали
      
      С развитием промышленности спрос на более устойчивый к внешним воздействиям материал возрастал, и перед человеком встала задача создать его, имея в арсенале лишь научные догадки и оборудование, оставлявшее желать лучшего. Благодаря пытливости учёных было разработано множество способов выплавки стали. Процесс состоит из нескольких этапов.
      
      Плавка
      
      С открытия стали как строительного элемента прошло несколько веков, в течение которых было запатентовано и реализовано множество методов литья. С недавнего времени она стала плавиться в основном несколькими способами. Большую их часть объединяет принадлежность к электроплавильным способам обработки металла. Электропечи – лучшие на сегодня агрегаты, позволяющие наиболее быстро и качественно выплавить смесь, точно настроив температуру плавления и заливки.
      
      Первый метод – дуговые электропечи. В качестве источника тепла используется электрическая дуга с рабочим напряжением до 600 В и силой тока до 10 кА. Длина дуги регулируется, а также печь оснащена огнеупорным кожухом и рабочим окном для контролирования плавильного процесса. Ёмкость дуговой печи может достигать 400 т.
      
      Второй востребованный метод обработки стали – индукционные электропечи. Эти агрегаты подразделяются на конструкции с сердечником и без. Первая группа – печи низкой частоты, которые состоят из шахты и каналов, охватывающих сердечник и первичную обмотку трансформатора (индуктор). Залитый в канал жидкий металл провоцирует создание вторичного витка с мощным электрическим током, чья энергия трансформируется в тепловую. Материал быстро нагревается, что значительно экономит сырьё и электроэнергию. Дополнительное преимущество агрегата – отсутствие необходимости чистить каналы после предыдущей отливки.
      
      Дополнительные методы
      
      Индукционные печи без сердечника – это воздушные трансформаторы, принцип работы которых основан на поглощении выделяемой электромагнитной энергии загруженной в тигель шихтой (металлическим сырьём). Печи данного типа подразделяются на оборудование промышленной частоты (50 Гц) и высокочастотные (более 500 Гц).
      
      Электричество позволяет быстро нагреть форму, поэтому в вышеперечисленных агрегатах выгодно изготавливать легированную сталь. Однако не меньшей популярностью пользуются такие способы как кислородно-конвертерный и мартеновский процессы.
      
      Кислородно-конвертерный метод предусматривает литье стали из чугуна посредством окисления его примесей при помощи продувания кислородом. Система отличается простотой и высокой скоростью производства. Температура в камере поддерживается самим процессом окисления, обычно она составляет около 1600 °C.
      
      Мартеновский процесс уходит корнями глубоко в историю – лишь в 1864 году удалось добиться температурных показателей, необходимых для срабатывания химических реакций. Тем не менее, ввиду относительной простоты реализации способ и по сей день широко используется.
      
      Внутри себя процесс плавки также традиционно подразделяется на 3 основных этапа:
      - Нагревание шихты и её расплавление.
      - «Кипение» ванны – нагревание до максимальных температур для интенсивного окисления.
      - Раскисление – на этом же этапе при необходимости проводится легирование.
      Отливка сплава
      
      После того как внутри печи или камеры произошло нагревание, расплавление и трансформация сырья в стальной сплав, его необходимо отлить в формы. Это происходит благодаря так называемой литниковой системе. Она является совокупностью каналов и резервуаров для подвода металла к форме для отливки.
      
      Существуют различные типы форм для отливки стали, самые распространённые из них:
      - песчаные формы для отливки – одноразовые, изготавливаются из смеси кварцевого песка, огнеупорной глины и каменноугольной пыли с опилками;
      - оболочковые формы для отливки – обеспечивают герметическую точность, автоматизируют производство отливки, слитки получаются менее шероховатыми;
      - выплавляемые формы для отливки – применяются для изготовления деталей высокой точности и любой сложности.
      Каждый из видов форм для отливки обладает и достоинствами, и рядом недостатков, поэтому выбор в пользу того или иного способа осуществляется с учётом специфики производства конкретного изделия. Так, песчаные формы – это дёшево, но некачественно, в то время как литье стали с использованием выплавляемых моделей гарантирует высокую точность, но далеко не всегда оправдывает высокую себестоимость.
      
      Был разработан самый экономичный способ отливки стальных слитков, получивший название «непрерывный» – получившийся сплав из ковша поступает в промежуточную форму для отливки, а оттуда – в медный кристаллизатор, где он начинает медленно затвердевать. На выходе слиток захватывается специальными тянущими роликами и дополнительно охлаждается водой. Скорость вытягивания стали из кристаллизатора составляет около 1 м/мин, после чего получившийся профиль режется на куски нужных размеров при помощи ацетиленокислородного лезвия.
      
      Выводы
      
      Сталелитейное производство обладает огромным промышленным потенциалом, так как спрос на литье стали ежегодно растёт. Совершенствование уже имеющихся технологий позволит создавать ещё более качественные элементы с нестандартными физическими свойствами.
      
      Видео по теме: Литье по выплавляемым моделям
      
      Читайте также: