Какая температура стального расплава при изготовлении литых деталей

Обновлено: 11.05.2024

Плавка стали происходит при высоких температурах (1500—1600°С) и сопровождается сложными физико-химическими процессами взаимодействия расплава, флюса, шлака, образующегося при плавке, печных газов и футеровки печи.

Применяемые методы плавки стали разнообразны. Выбор метода плавки, а также типа плавильной печи связаны с составом и свойствами выплавляемой стали, масштабами производства, массой изготовляемых отливок и требованиями к их качеству. В литейных цехах обычно плавку ведут в электрических дуговых, индукционных тигельных и мартеновских печах, реже в конверторах и дуплекс-процессом (вагранка—конвертор).

Последние годы характерны внедрением в сталеплавильное производство специальных электрометаллургических процессов вакуумной плавки в индукционных, плазменных и электронно-лучевых печах. Наиболее высокое качество выплавляемой стали обеспечивается благодаря глубокому физико-химическому воздействию на расплав при электрошлаковом методе получения отливок.

При выплавке стали обычно решается задача снижения содержания в расплаве кислорода, серы и фосфора, образующих оксидные, сульфидные и фосфидные включения, резко снижающие качество стали. Это обеспечивается проведением сложных металлургических окислительных и восстановительных процессов. Производят также доводку расплава по химическому составу с введением необходимых легирующих элементов.

Однако в ряде случаев, преимущественно при изготовлении мелких отливок ответственного назначения (например, по выплавляемым моделям), расплав готовят из высококачественной шихты, соответствующей по химическому составу выплавляемой марке стали. В этих случаях плавка сводится к расплавлению шихты, введению в расплав добавок, компенсирующих угар элементов, и раскислению его перед выдачей в разливочные ковши.

Обычно технологический процесс плавки стали состоит из следующих этапов: подготовки плавильной печи и шихтовых материалов; загрузки шихты, нагрева и расплавления шихты, в процессе которого уже начинается окисление компонентов шихты (стального лома, чугуна и др.) содержащимися в печной атмосфере кислородом, углекислым газом и парами воды; образование над поверхностью расплава шлака, в результате взаимодействия которого с металлом продолжается процесс окисления железа, кремния, марганца и некоторых других элементов; удаления окислительного и наведения восстановительного шлака с высоким содержанием СаО, способствующего удалению такой вредной примеси, как сера; доводки стали по химическому составу с учетом результатов экспресс-анализа ее проб; окончательного раскисления расплава марганцем или кремнием (в виде ферросплавов) или же металлическим алюминием перед выпуском, а при необходимости обеспечения повышенных механических свойств стали — их дополнительной обработки в жидком состоянии, например модифицированием редкоземельными элементами.

Для повышения качества стали расплав подвергают дополнительной обработке и после слива из печи, в ковше, используя как модифицирование, так и рафинирование (очищение от газов и неметаллических включений), например продувкой аргоном. О других методах внепечной обработки стали сказано в § 7.6.

По своей физико-химической сущности процессы плавки подразделяют на кислые и основные. Независимо от вида плавильного агрегата для каждого из них имеются общие закономерности, обусловленные составами шлака и футеровки печи. Кислые процессы осуществляют в печах с футеровкой, в огнеупорном материале которой преобладает кислотный окисел SiO₂, исключающий возможность удаления из стального расплава вредных примесей серы и фосфора. По этой причине при ведении кислого процесса должны применяться шихтовые материалы с низким содержанием серы и фосфора.

Основные процессы плавки ведутся в печах с футеровкой из магнезита или хромомагнезита, позволяющих применять при плавке основные шлаки с высоким содержанием СаО, что обеспечивает возможность проведения процессов десульфурации и дефосфорации— перевода из металла в шлак серы и фосфора.

Для придания стали специальных свойств (жаропрочности, коррозионной стойкости и др.) отмеченные выше этапы плавки углеродистых сталей дополняют операцией легирования — cведения в стальной расплав специальных элементов (хрома, никеля и др.). Порядок введения легирующих элементов определяется их физико-химическими свойствами (сродством к кислороду). С шихтой вводят наиболее тугоплавкие элементы (вольфрам, молибден), а хром и ванадий — после расплавления шихты и раскисления. Так как большинство легирующих элементов имеют высокую температуру плавления (хром и ванадий — около 1900°С, молибден— 2620 °С), их вводят в виде ферросплавов. Температура плавления ферросплавов (феррохрома, ферровольфрама и др.) значительно ниже, чем у входящих в их состав легирующих элементов, что улучшает усвоение последних стальным расплавом.

Литейные стали. Виды, свойства, маркировка литейных сталей

К литейным сталям относят железоуглеродистые сплавы, содержащие до 2,14 % С и другие элементы (Mn, Si, Р, S, Cr, Ni, W, Mo, V и т. д.), попавшие в сталь из шихтовых материалов либо специально введенные в нее в определенных количествах для придания сплаву необходимых эксплуатационных и технологических свойств.

В настоящее время стальные отливки используют во всех отраслях машиностроения; по объему производства они занимают второе место после чугунов. Из сталей отливают обычно детали, к которым предъявляют повышенные требования по прочности, пластичности, надежности и долговечности в процессе эксплуатации. Литейные стали классифицируют в основном по способу выплавки, химическому составу, структуре, назначению.

Литейные стали по химическому составу подразделяют на:

Углеродистые стали по химическому составу подразделяют на:

низкоуглеродистые (0,09…0,2 % С);
среднеуглеродистые (0,2…0,45 % С);
высокоуглеродистые (0,5…1,0 % С).

Легированные литейные стали подразделяют на:

низколегированные (сумма легирующих элементов до 2,5 %);
среднелегированные (сумма легирующих элементов 2,5…10 %);
высоколегированные (сумма легирующих элементов более 10 %).

Стальные отливки (ГОСТ 977-88) изготовляют всеми способами литья из конструкционных нелегированных (15Л; 20Л; 25Л; 30Л; 35Л; 40Л; 45Л; 50Л), конструкционных легированных (20ГСЛ; 30ГСЛ; 35ГЛ; 40ХЛ; 20ФЛ; 30ХГСФЛ; 30ХНМЛ; 32Х06Л и других) и легированных со специальными свойствами (20X1ЗЛ – коррозионностойкие; 40Х9С2Л – жаростойкие; Р6М4Ф2Л – быстрорежущие; 110Г13Л – износостойкие и других) сталей.

Отливки по качественным показателям делят на три группы:

– обычного назначения и качества;
– ответственного назначения и повышенного качества;
– особо ответственного назначения и повышенного качества.

Маркировка сталей буквенно-цифровая:

буква «Л» означает, что сталь литейная;
первые цифры указывают среднюю и максимальную (при отсутствии нижнего предела) массовую долю углерода в сотых долях процента;
буквы за цифрами означают:
- А – азот;
- Б – ниобий;
- В – вольфрам;
- Г – марганец;
- Д – медь;
- М – молибден;
- Н – никель;
- Р – бор;
- С – кремний;
- Т – титан;
- Ф – ванадий;
- X – хром;
- Ю – алюминий;
- Л – литейная.
Цифры, стоящие после букв, указывают примерную массовую долю легирующего элемента в процентах.

Таблица 1. Классификация литейных сталей

1. Литейные углеродистые стали

Для получения отливок используются углеродистые стали, содержащие 0,12–0,60 % С. Они маркируются числом, обозначающим среднее содержание углерода (в сотых долях процента) и буквой «Л» (табл. 2). Литейные стали отличаются от деформируемых большим допуском на содержание примесей, а также несколько пониженной пластичностью.

Таблица 2. Механические свойства конструкционной нелегированной стали

В зависимости от назначения и предъявляемых требований все отливки из углеродистых и легированных сталей подразделяют на три группы:
1. – отливки общего назначения, контролируемые по внешнему виду, размерам и химическому составу;
2. – отливки ответственного назначения, контролируемые, кроме того, по прочности (σ_в или σ_т) и относительному удлинению;
3. – отливки особо ответственного назначения, контролируемые дополнительно к указанным характеристикам по ударной вязкости.
В числе контролируемых параметров могут включаться также микроструктура, пористость, герметичность и другие специальные характеристики.

Химический состав сталей полностью не приводится, так как существенно изменяется только содержание углерода, которое определяет марку стали и ее основные свойства.

Марганец (0,3–0,9 %) раскисляет сталь и нейтрализует вредные примеси серы, а также несколько повышает прочность стали. С железом сера образует сульфид FeS и легкоплавкую эвтектику Fe-FeS по границам зерен, в результате чего возникает красноломкость и склонность к образованию горячих трещин. При введении марганца в соотношении % Мn >1,71 % S образуются более тугоплавкие сульфиды MnS, располагающиеся в виде неметаллических включений внутри зерна; в результате красноломкость исчезает.

Кремний (0,2–0,5 %) вводится в сталь как раскислитель и дегазатор. Даже в небольших количествах он заметно упрочняет феррит и снижает пластичность стали.

Требования по содержанию марганца и кремния в литейных углеродистых сталях рассматриваются как факультативные: отклонения от них не являются признаком брака.

Сера и фосфор в сталях, за редким исключением, являются вредными примесями. Их содержание ограничивается в пределах 0,45– 0,06 % S и 0,04–0,08 % Р, в зависимости от группы и габаритных размеров отливок; с увеличением размеров требования ужесточаются. Как уже упоминалось, сера вызывает красноломкость стали, а фосфор – снижение пластичности при комнатной температуре.

Механические свойства сталей определяются содержанием углерода; по мере его увеличения от 0,15 до 0,55 % σ_в возрастает от 400 до 600 МПа, а δ снижается с 24 до 10 %, уменьшается также ударная вязкость с 0,49 до 0,24 МДж/м 2 . Это изменение свойств объясняется возрастанием доли перлита в микроструктуре стали.

Область применения литейных нелегированных сталей:
1. 15Л; 20Л; 25Л – копровые бабы, блоки, ролики, корпусы, поводки, захваты, арматура, фасонные отливки, шкивы, траверсы, поршни, буксы, крышки цилиндров, корпусы подшипников.
2. 35Л; 40Л; 45Л – рычаги, балансиры, корпусы редукторов, муфты, шкивы, кронштейны, станины, балки, опорные кольца, бандажи, маховики, зубчатые колеса, тяги, валики.
3. 50Л; 55Л – шестерни, бегунки, колеса, зубчатые колеса подъемно-транспортных машин.
Особенности литейных свойств углеродистых сталей.

Литейные свойства углеродистых сталей значительно хуже литейных свойств чугуна и других сплавов. Низкая жидкотекучесть сталей объясняется, главным образом, самой высокой (кроме титановых сплавов) температурой ликвидуса и соответственно низкой температурой заливки. Суммарная объемная усадка затвердевания и усадка в жидком состоянии составляет 6,0 %. Поэтому стальные отливки, как и отливки всех других сплавов, кроме чугуна, необходимо получать с прибылями.

Для стальных отливок характерно развитие пористости, в них чаще, чем в отливках из других сплавов, образуются горячие трещины, даже в случаях литья в песчано-глинистые формы. В то же время холодные трещины в стальных отливках возникают реже, чем в чугунных отливках. К насыщению газами и неметаллическим включениям стали более склонны, но и требования для них выше, чем для чугунов. К ликвации, особенно по сере и фосфору, склонны стальные отливки с толщиной стенки более 80 мм. Как правило, ликвации подвергнуты слитки, имеющие существенно большую толщину.

К изменению механических свойств, в зависимости от толщины стенок, литейные углеродистые стали менее чувствительны, чем другие сплавы, особенно, учитывая обязательную их термическую обработку.

2. Легированные литейные стали

Легирование литейных углеродистых сталей проводится с целью повышения механических свойств и приобретения ими специальных служебных свойств.

К легированным сталям относят низко- и среднелегированные стали с содержанием легирующих компонентов, соответственно, до 2,5 и от 2,5 до 10 %. Химический состав легированных сталей в соответствии с ГОСТ 977-88 приведен в табл. 3, а их механические свойства после термической обработки (закалки (нормализации) и отпуска) – в табл. 4.

Чаще других применяют стали, легированные кремнием, марганцем, хромом и никелем, медью и др. Известно много композиций марганцевой стали, различающихся содержанием углерода и марганца. Обычно их содержание колеблется в пределах, соответственно, 0,17…0,4 % С и 1,0…2,0 % Mn. Марганцевые стали отличаются более высокой прочностью и особенно большей прокаливаемостью, чем углеродистые. Марганцевые стали широко используются при изготовлении отливок для железнодорожного транспорта, экскаваторов и других машин.

Таблица 3. Средний химический состав легированных сталей, мас. %

Содержание S и Р не более 0,03…0,05 % каждого.

Таблица 4. Механические свойства легированных сталей

У хромовых сталей (40ХЛ и др.) также повышенные, по сравнению с углеродистой сталью, механические свойства и прокаливаемость. Для улучшения их структуры и свойств используют небольшие добавки молибдена, устраняющие склонность к отпускной хрупкости. Хромовые стали применяют для получения отливок, работающих в условиях абразивного износа.

Большая прокаливаемость достигается при легировании стали одновременно марганцем, хромом и кремнием (30ХГСЛ, хромансил). Одновременное легирование хромом и никелем проявляется в измельчении зерна, в значительном увеличении прокаливаемости, что позволяет изготовлять из этих сталей крупногабаритные отливки (30ХНМЛ и др.). Стали, легированные медью, подвержены дисперсионному твердению, которое обеспечивает однородные свойства в тонких и толстых сечениях отливок. Некоторые марки легированных сталей модифицируют бором, кальцием, церием и другими РЗМ. В результате улучшаются механические и литейные свойства стали.

Как правило, добавки вводятся в малых количествах. Так, например, достаточно иметь 0,001…0,002 % В в стали, чтобы получить резкое увеличение прокаливаемости и пластичности. В одних случаях действие добавок связывается с модифицированием, в других – с микролегированием. Графитизированная сталь, также относящаяся к легированным, содержит 0,9…1,5 % С, 1,0…1,4 % Si, 0,5 % Mn.

В литом состоянии ее структура представлена перлитом и цементитом, т. е. весь углерод находится в связанном состоянии. При термической обработке (отжиг с нагревом до 900 °С и последующее медленное охлаждение в интервале температур 800…700 °С) происходит распад структурно свободного цементита с выделением графита. Окончательная структура стали – перлит + графит. Такая графитизированная сталь обладает повышенными антифрикционными свойствами и используется для втулок, вкладышей, работающих в условиях абразивного износа.

Высоколегированные стали. В соответствии с ГОСТ 2176-77, высоколегированные стали, содержащие более 10 % легирующих элементов, подразделяются по структуре на шесть классов: мартенситный; мартенсито-ферритный; ферритный; аустенито-мартенситный; аустенито-ферритный; аустенитный. Смена классов происходит по мере увеличения легированности. На практике чаще пользуются названиями сталей по основным служебным свойствам: коррозионностойкая, кислотостойкая, жаростойкая, жаропрочная, износостойкая.

Большой класс высоколегированных сталей составляют так называемые коррозионностойкие (нержавеющие) стали, обладающие хорошей стойкостью против коррозионного воздействия агрессивных сред. Прежде всего к ним относятся высоколегированные хромовые стали ферритного класса (12Х18ТЛ, 15Х20ТЛ), обладающие хорошей пластичностью. Добавка титана связывает углерод и повышает стойкость против межкристаллитной коррозии.

Для получения высокой твердости и износостойкости хромовых сталей (Х28Л, Х34Л) содержание углерода увеличивают до 0,5…2,0 % и получают феррито-карбидную структуру. Хромовые коррозионностойкие стали мартенситного и феррито-мартенситного классов характеризуются сравнительно широким диапазоном содержания углерода и возможным наличием никеля, меди, ниобия и других элементов.

К сталям этого класса можно отнести стали марок 10Х14НДЛ и 09ХН4БЛ (Б – ниобий). Наивысшей коррозионной стойкостью рассматриваемые стали обладают в том случае, когда карбиды в свободном состоянии отсутствуют и полностью переведены в твердый раствор. Хромовые стали отличаются пониженной, по сравнению с углеродистой сталью, теплопроводностью, повышенной окисляемостью, склонностью к пленообразованию, образованию пригара при заливке в формы на основе кварцевого песка, к образованию усадочных раковин, горячих и холодных трещин.

В качестве кислотoстойких сталей применяют высоколегированные стали аустенитного, аустенито-ферритного и феррито-аустенитного классов. Основными легирующими элементами для них являются хром и никель. При этом никель необходим для получения однофазной аустенитной структуры.

Кислотостойкая хромоникелевая сталь, содержащая 18 % Cr и 8 % Ni, широко используется для отливок деталей насосов, фиттингов и т. п. Чаще других стали этого типа легируют титаном и молибденом (12Х18Н9ТЛ, 12Х18Н12МЗТЛ).

Хромоникелевые стали так же, как и хромовые, обладают пониженными литейными свойствами. Сложнолегированные хромоникелевые стали характеризуются высокой жаропрочностью и жаростойкостью. Жаропрочными называют стали, способные сопротивляться нагрузкам и разрушению при температурах выше 550 °С. Стали, обладающие высокой стойкостью против коррозии и образования окалины при температурах до 1200 °С, называют жаростойкими.

Основным фактором, предопределяющим жаропрочность сталей, является легированный аустенит. Практическое применение для изготовления отливок из жаропрочных сталей получили аустенитные стали типа 12Х18Н9ТЛ (для жаропрочных отливок энергетического, химического и нефтяного машиностроения) и 12Х20Н12ТЛ (для турбинных лопаток, работающих при температурах до 600 °С). В стали 15Х18Н22В6М2Л высокая жаропрочность обеспечивается за счет введения добавок вольфрама и молибдена.

Высокомарганцевая износостойкая сталь 110Г13Л (так называемая «сталь Гадфильда») относится к аустенитному классу. Особенностью отливок из этой стали является способность упрочняться условиях ударной нагрузки и принимать наклеп, повышающий поверхностную твердость от НВ 170…200 до НВ 600…800 и износостойкость в условиях абразивного изнашивания. При отсутствии наклепа ее износостойкость находится на уровне углеродистой стали. В литом состоянии структура стали – аустенит и карбиды, располагающиеся по границам зерен. Данная сталь используется после закалки в воде с температурой 1100 °С, когда отливки приобретают однородную аустенитную структуру.

Температура заливки стали 110Г13Л ниже, чем у других сталей, и колеблется в пределах 1330…1370 °С. Сталь 110Г13Л характеризуется повышенной склонностью к усадочным дефектам, образованию горячих трещин, пригару при литье в формы на основе кварца. Особо следует отметить, что сталь 110Г13Л очень плохо обрабатывается режущим инструментом.

Условия заливки форм расплавом

Выбор вместимости разливочных ковшей производят с учетом массы получаемых отливок и металлоемкости литейных форм. При заливке крупных форм вместимость ковша часто выбирают равной металлоемкости одной-двух форм. В ряде случаев, при изготовлении многотонных отливок, например лопастей крупных гидротурбин, заливку производят одновременно из двух ковшей. При изготовлении мелких и средних по массе отливок вместимости одного ковша обычно достаточно для заливки 3—6 форм, а на литейных конвейерах — до 12—18. При этом учитывается необходимость быстрого освобождения печи от готового расплава и опасность излишнего охлаждения его в ковше из-за продолжительной заливки в случае, когда из ковша большой вместимости заливается значительное число мелких форм.

В таких условиях раздаточный крупный (вместимостью 1,5—2 т расплава) ковш с электрическим или газовым подогревом наполняется расплавом непосредственно из плавильной печи. Доставленный на участок мелких форм он используется для наполнения мелких заливочных ковшей вместимостью 30—50 кг расплава. При заливке небольших форм вручную, особенно в условиях единичного и мелкосерийного производства, часто используют ковши или ложки вместимостью 10—20 кг. В цехах крупносерийного и массового производства на машиностроительных заводах наиболее распространены монорельсовые ковши вместимостью 50—200 кг.

Перед использованием футеровка ковша должна быть тщательно отремонтирована, просушена и разогрета газовой горелкой докрасна (600—800°С). Перед наполнением расплавом ковш должен очищаться продувкой его сжатым воздухом. Чтобы избежать разбрызгивания и окисления расплава, ковш необходимо по возможности ближе поднести к желобу с наклоном, что обеспечивает спокойное стекание расплава по стенке ковша. Чтобы избежать травм, конические ковши (независимо от их вместимости) рекомендуется заполнять не более чем на 7/8 их высоты.

Температура расплава при заливке в форму обусловливается рядом факторов: видом сплава и его литейными свойствами, габаритными размерами отливки, толщиной ее стенок и сложностью конфигурации, свойствами материала литейной формы и др. Так. при изготовлении крупных толстостенных отливок из серых чугунов температура заливки расплава находится обычно в пределах 1230—1300° С, для мелких и средних отливок— 1320—1400 °С, для тонкостенных — до 1360— 1450 °С. Обладающие худшими, чем обычный серый чугун, литейными свойствами, высокопрочный и белый чугун заливают при температуре 1320—1450 °С; углеродистые и низколегированные конструкционные стали — при температуре 1520—1560°С, а температура заливки ряда легированных сталей, например коррозионно-стойкой 12X18H9TJT, при изготовлении тонкостенных отливок достигает 1620°С. Бронзы и латуни заливают обычно при температурах 1000—1100 °С; алюминиевые сплавы— при 680—760 °С; магниевые сплавы в кокиль заливают при 680—740 °С, а в песчаные формы — при 740— 780 °С, крупные тонкостенные отливки — при температуре расплава до 800°С; сплавы титана заливают при 1800—1860 °С.

Продолжительность заливки расплава в форму зависит от степени сложности конфигурации отливок, вида сплава и металлоемкости линейной формы (табл. 9.1).

Температуру расплава перед заливкой определяет лаборант-пирометрист. При получении чугунных отливок она определяется оптическим пирометром, а при контроле расплавов стали и цветных металлов — термопарой погружения (рис. 9.5). Перед заливкой необходимо проверить надежность скрепления частей формы, правильность установки надставок литниковых и выпорных чаш. Непосредственный контроль за правильностью процесса поступления расплава в форму и установление момента окончания заливки ведет заливщик, наблюдая за поступлением расплава в выпорную чашу. При автоматической заливке эта задача осуществляется специальными приборами (сигнализаторами и реле времени), которые прекращают доступ расплава из ковша после наполнения формы.

Учитывая склонность магниевых расплавов к окислению, их струю при заливке в форму припудривают серным цветом. Сгорая в атмосфере литейного цеха, сера образует газы SO₂ и SF₆, предупреждающие контакт магниевого расплава с кислородом воздуха.

Рис. 9.5. Приборы для контроля температур литейных расплавов:
а — оптический пирометр, б — термопара погружения; 1 — провода из двух различных металлов (хромель—алюмель и др.), 2 — милливольтметр, 3 — объектив, 4 — дымчатое стекло, 5 — реостат, 5 — электрическая лампа, 7 — линза, 8 — красное стекло, 9 — гальванометр, 10 — окуляр, 11 — источник тока, 12 — защитный колпак

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.

Металлы для заливки

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.

Литье под давлением

Литье под давлением – это высокопроизводительный автоматизированный технологический процесс создания тонкостенных деталей из цветных металлов, стали и пластмасс. С высокой скоростью жидкий расплав заполняет пресс форму. и далее в результате под давлением получаются отливки заданной формы. Эта статья подробно описывает технологию, оборудование и изделия, которые можно получить при помощи метода.

Описание технологических операций

Процесс литья под давлением осуществляется в стальных пресс-формах. Расплавленный материал подаётся в пресс-форму и кристаллизуется там под воздействием высокого давления.

Пресс-форма это технологическая литейная оснастка, сконструированная из подвижной и неподвижной стальных частей. Подвижная половина передвигается по направляющим цилиндрам, неподвижная закреплена на стационарной плите.

Перед заливкой подвижная часть плотно прижимается к неподвижной гидроцилиндром и фиксируется в этом положении специальными замками. После застывания заготовки, подвижная часть оборудования отъезжает, а отливку выталкивают механические толкатели. Перед смыканием пресс-формы, контактирующие с расплавленным металлом поверхности, покрывают разделительной смазкой. Специальный состав обеспечивает беспрепятственное отделение отливок после литья, защищает сталь от негативного воздействия высоких температур.

Литье под давлением выполняется в автоматизированном режиме в промышленных установках. Главными узлом этого оборудования выступает камера для прессования, она бывает холодной или горячей. Холодная камера – это горизонтальный цилиндр, с поршнем внутри и воронкой, предназначенной для заливания расплава. После заливки металла, поршень движется внутри цилиндра, нагнетая расплав в пресс-форму. После заполнения формы повышается усилие на поршень для создания достаточной величины давления для кристаллизации металла.

Горячая камера для прессования представляет собой ванну с расплавом, которая расположена в подогреваемом чугунном тигле. Поступательное движение поршня выталкивает расплав из тигля. Металл поднимается по каналу и поступает в пресс-форму. В конструкции канала предусмотрен подогреваемый мундштук. Этот элемент нужен, чтобы жидкий металл не затвердевал внутри.

После застывания детали, остатки расплава из канала сливаются обратно в чугунную ванну. Оборудование этого типа применяется для изделий из сплавов цинка и магния.

Температура нагрева расплава

Нагрев материала для литья под давлением осуществляется исходя из марки сплава и геометрических параметров детали. Если расплав перегрет, при заполнении пресс-формы брызги попадают в отверстия для вентиляции и закупоривают их. Это приводит к ухудшению газоотвода и, как следствие, к возникновению пор в отливке.

Высокая температура жидкого металла приводит к увеличению времени затвердевания изделия, как следствие нужно больше времени на весь технологический процесс. Увеличивается износ оборудования из-за длительного соприкосновения с перегретым расплавом. Возрастает опасность приваривания заливаемого металла к оборудованию, из-за этого может повредиться деталь при выталкивании. Всё это приводит к быстрому износу пресс-формы.

При литье под давлением расплав спрессовывают при минимальной температуре. Цветные металлы нагревают всего на 10–300ºС выше температуры, при которой сплав полностью твердеет. При небольших толщинах элементов отливки сплав нужно нагревать сильнее. Для литья больших изделий простой конфигурации сплав нагревают чуть выше температуры плавления.

Для деталей, к которым предъявляются высокие требования по прочности, металл заливают в твердо жидком состоянии. За счет этого обеспечиваются следующие преимущества:
- предотвратить появление усадочных дефектов в отливке;
- снизить тепловое воздействие на оборудование;
- снизить время охлаждения изделия;
- уменьшить опасность приваривания пресс-формы и отливки.
Металл с включениями твёрдой фазы можно прессовать только в установках, с холодной камерой. При использовании оборудования с горячей камерой есть риск застывания расплава в подводящем канале.

Пример литья под давлением деталей из алюминия – процент твёрдых частиц в расплаве, когда пресс-форма беспрепятственно заполняется, а качество отливки остаётся на высоком уровне, составляет от 40 до 60%.

Скорость подачи расплава в пресс-форму

Поршень спрессовывает металл в пресс-форму с определённой скоростью. Значение выбирается в зависимости от характеристик сплава и геометрических параметров отливки. Если изделие простое с толстыми стенками высокая скорость прессования не нужна. Если деталь имеет сложную геометрию и тонкие элементы скорость запрессовки должна быть высокой. Это требуется, чтобы расплав успел заполнить все узкие полости до затвердевания.

Слишком большая скорость подачи расплавленного материала становится причиной следующего явления: струя разделятся на мелкие капли, образуя смесь расплава и воздуха. Если количество каналов для отвода газов недостаточно или они забиты металлом, пузырьки воздуха останутся в отливке. Это приведёт к образованию пор в металле, чтобы исключить такие дефекты пресс-форму помещают в вакуум.

От скорости движения расплава зависит качество отливок и долговечность оборудования. Если скорость литья под давлением слишком высокая, то защитную смазку с соприкасающихся с жидким металлом поверхностей может смыть. Из-за этого отливка приварится к пресс-форме, и при выталкивании ее может повредить или сломать.

Слишком медленная подача, снизит качество детали. Металл будет застывать прямо во время заполнения формы до того, как усилие будет увеличено. Скорость поступления расплава в пресс-форму при литье под давлением обычно выбирается в диапазоне от 10 до 50 м/с. Небольшую скорость используют для литья деталей из стали, медных сплавов, высокая скорость требуется для сплавов олова и цинка.

Давление на расплав при застывании

В момент, когда расплав полностью заполняет пресс-форму, усилие на поршень многократно увеличивается. Воздействие давлением не прекращается до тех пор, пока металл полностью не затвердеет. В результате возрастает плотность и механические характеристики отливки, в ней не образуются усадочные дефекты. При повышении усилия сжатия уменьшается количество бракованных изделий, растёт чистота поверхности металла, повышается качество отливок.

Чем выше требования к прочности детали, тем больше должно быть усилие прессования. Алюминиевые сплавы прессуют давлением от 40 до 200 МПа. Для сплавов на основе магния используют от 40 до 180 МПа. Цинковые сплавы повергают давлению от 10 до 50 МПа. Для обеспечения высокого качества при увеличении толщины стенки нужно повышать давление при кристаллизации.

Температура подогрева пресс-формы

Перед подачей жидкого сплава литейное оборудование нужно нагреть до определённой температуры, которая подбирается для каждого сплава в зависимости от толщины стенок изделия. Температура предварительного подогрева пресс-формы:
- для литья цинка до 120–1600 ºС;
- магния 200–2400 ºС;
- алюминия 180–2500 ºС;
- стали 200–2800 ºС;
- латуни 280–3200 ºС.
Если отливка тонкостенная – пресс-форму нагревают до температуры ближе к большим значениям указанных выше интервалов. Для толстостенных деталей – ближе к нижнему значению. Это нужно чтобы в тонкостенных отливках расплав не затвердел в процессе заполнения формы. В технологии заливки больших деталей напротив необходимо увеличить скорость застывания.

Преимущества и недостатки литья под давлением

Отливки, выполненные на установках для литья под давлением – это детали, с низкой шероховатостью, высокой точностью исполнения, которым не нужна механическая обработка или она минимальна. После литься детали поступают на отрезные прессы, где с них удаляются литники и промывники.

Состоящий из небольшого количества операций процесс может быть полностью автоматизирован. Из-за простоты операций, быстрого затвердевания металла и автоматического извлечения изделий этот процесс является высокопроизводительным.

Недостаток технологии – это сложность и высокая стоимость технологической оснастки. Экономически не рационально использовать литье под давлением в средне серийном и мелкосерийном производстве. Способ не подходит для литья тугоплавких металлов, которые плавятся при температуре выше, чем сталь.

Эту технологию не применяют для изготовления больших отливок, так как преимущества метода пропадают из-за неравномерного затвердевания, а из-за высокой цены габаритного высокоточного оборудования использование этого способа экономически нецелесообразно.

Применение

Литье под давлением изготавливают тонкостенные детали со сложной геометрией. Этой технологией делают изделия из меди, алюминия, цинка, магниевых сплавов, сталей и пластика. Эта технология позволяет выполнять геометрически сложные отливки с толщиной элементов до 1 мм.

Литье под давлением применяют в следующих отраслях промышленности:
- приборостроение;
- автомобилестроение;
- самолётостроение;
- станкостроение;
- изготовление элементов смесителей.
- производство бытовой техники;
Литье под давлением широко используют для производства изделий из полиэтилена, полипропилена и других синтетических материалов. Из-за большой стоимости применяемой оснастки эта технология экономически обоснована только в массовом или крупносерийном производстве.

Сегодня ни одно машиностроительное предприятие, массово изготавливающее детали бытовой техники, приборы, двигатели внутреннего сгорания и другие высокотехнологичные механизмы, не может обойтись без установок для литья под давлением.

Читайте также: