Лиття

Casting.jpg

Лиття - технологічний процес виготовлення заготовок (рідше - готових деталей), що полягає в заповненні попередньо виготовленої ливарної форми рідким матеріалом ( металом, сплавом, пластмасою і т. п.) з подальшим його затвердінням.

Литтям називають також продукцію ливарного виробництва, художні вироби та вироби народних промислів, отримані за допомогою лиття.


1. Види лиття

Відомо безліч різновидів лиття:

  • в піщані форми (ручне або машинне формовка);
  • в багаторазові (цементні, графітові, азбестові форми);
  • в оболонкові форми;
  • по виплавлюваних моделях;
  • по заморожувати ртутним моделям;
  • відцентрове лиття;
  • в кокіль;
  • лиття під тиском;
  • за газифікованими (випалюємо) моделями;
  • вакуумне лиття;
  • електрошлакове лиття;
  • лиття з утепленням.

Так як різновиду лиття розрізняються одночасно по багатьом різнорідним ознаками, то можливі й комбіновані варіанти, наприклад, електрошлакове лиття в кокіль.


1.1. Лиття в піщані форми

Лиття в піщані форми - дешевий, самий грубий, але наймасовіший (до 75-80% по масі одержуваних у світі виливків) вид литва. Спочатку виготовляється ливарна модель (раніше - дерев'яна, в даний час часто використовуються пластикові моделі, отримані методами швидкого прототипування), яка копіює майбутню деталь. Модель засипається піском або формувальної сумішшю (зазвичай пісок і сполучна), що заповнює простір між нею і двома відкритими ящиками (опоками). Отвору в деталі утворюються за допомогою розміщених у формі ливарних піщаних стрижнів, які копіюють форму майбутнього отвору. Насипана в опоки суміш ущільнюється струшуванням, пресуванням або ж твердне в термічному шафі (сушильній печі). Утворилися порожнини заливаються розплавом металу через спеціальні отвори - літники. Після остигання форму розбивають і виймають виливок. Після чого відокремлюють литниковую систему (зазвичай це обрубка), видаляють облой і проводять термообробку.

Новим напрямком технології лиття в піщані форми є застосування вакууміруемих форм з сухого піску без сполучного. Для отримання виливки даним методом можуть застосовуватися різні формувальні матеріали, наприклад піщано-глиниста суміш або пісок в суміші зі смолою і т. д. Для формування форми використовують опоку (металевий короб без дна і кришки). Опока має дві напівформи, тобто складається з двох коробів. Площина зіткнення двох напівформ - поверхня роз'єму. У напівформу засипають формувальну суміш і утрамбовують її. На поверхні роз'єму роблять відбиток промоделі (промодель відповідає формі виливки). Також виконують другу напівформу. З'єднують дві напівформи по поверхні роз'єму і виробляють заливку металу.


1.2. Лиття в кокіль

Лиття металів у кокіль - більш якісний спосіб. Виготовляється кокиль - разборная форма (чаще всего металлическая), в которую производится литьё. После застывания и охлаждения, кокиль раскрывается и из него извлекается изделие. Затем кокиль можно повторно использовать для отливки такой же детали. В отличие от других способов литья в металлические формы (литьё под давлением, центробежное литьё и др.), при литье в кокиль заполнение формы жидким сплавом и его затвердевание происходят без какого-либо внешнего воздействия на жидкий металл, а лишь под действием силы тяжести.

Основные операции и процессы: очистка кокиля от старой облицовки, прогрев его до 200-300С, покрытие рабочей полости новым слоем облицовки, простановка стержней, закрывание частей кокиля, заливка металла, охлаждение и удаление полученной отливки. Процесс кристаллизации сплава при литье в кокиль ускоряется, что способствует получению отливок с плотным и мелкозернистым строением, а следовательно, с хорошей герметичностью и высокими физико-механическими свойствами. Однако отливки из чугуна из-за образующихся на поверхности карбидов требуют последующего отжига. При многократном использовании кокиль коробится и размеры отливок в направлениях, перпендикулярных плоскости разъёма, увеличиваются.

У кокілях отримують виливки з чавуну, сталі, алюмінієвих, магнієвих та ін сплавів. Особливо ефективним є застосування кокильного лиття при виготовленні виливків з алюмінієвих і магнієвих сплавів. Ці сплави мають відносно невисоку температуру плавлення, тому один кокіль можна використовувати до 10000 разів (з проставлянням металевих стрижнів). До 45% всіх виливків з цих сплавів отримують в кокілях. При лиття в кокіль розширюється діапазон швидкостей охолодження сплавів і освіти різних структур. Сталь має відносно високу температуру плавлення, стійкість кокілів при отриманні сталевих виливків різко знижується, більшість поверхонь утворюють стрижні, тому метод кокильного лиття для сталі знаходить менше застосування, ніж для кольорових сплавів. Даний метод широко застосовується при серійному і великосерійному виробництві.


1.3. Лиття під тиском

ЛПД займає одне з провідних місць в ливарному виробництві. Виробництво виливків з алюмінієвих сплавів в різних країнах становить 30-50% загального випуску (за масою) продукції ЛПД. Наступну за кількістю і різноманітністю номенклатури групу виливків представляють виливки з цинкових сплавів. Магнієві сплави для лиття під тиском застосовують рідше, що пояснюється їх схильністю до утворення гарячих тріщин і більш складними технологічними умовами виготовлення виливків. Отримання виливків з мідних сплавів обмежена низькою стійкістю прес-форм.

Номенклатура що випускаються вітчизняною промисловістю виливків дуже різноманітна. Цим способом виготовляють литі заготовки самої різної конфігурації масою від декількох грамів до декількох десятків кілограмів. Виділяються наступні позитивні сторони процесу ЛПД:

  • Висока продуктивність і автоматизація виробництва, поряд з низькою трудомісткістю на виготовлення однієї виливки, робить процес ЛПД найбільш оптимальним в умовах масового і великосерійного виробництв.
  • Мінімальні припуски на мехобробці або не потребують оной, мінімальна шорсткість необроблюваних поверхонь і точність розмірів, що дозволяє домагатися допусків до 0,075 мм на сторону.
  • Чіткість одержуваного рельєфу, що дозволяє одержувати виливки з мінімальною товщиною стінки до 0,6 мм, а також литі різьбові профілі.
  • Чистота поверхні на необроблюваних поверхнях, дозволяє надати виливку товарний естетичний вигляд.

Також виділяють наступні негативний вплив особливостей ЛПД, що призводять до втрати герметичності виливків і неможливості їх подальшої термообробки:

  • Повітряна пористість, причиною утворення якої є повітря і гази від вигоряючої мастила, захоплені потоком металу при заповненні форми. Що викликано неоптимальними режимами заповнення, а також низькою газопроникністю форми.
  • Усадочні пороки, які проявляються через високу теплопровідності форм поряд з утрудненим умовами харчування в процесі затвердіння.
  • Неметалічні і газові включення, що з'являються через нетщательно очищення сплаву в роздавальної печі, а також виділяються з твердого розчину.

Задавшись метою отримання виливки заданої конфігурації, необхідно чітко визначити її призначення: чи будуть до неї пред'являтися високі вимоги по міцності, герметичності або ж її використання обмежиться декоративної областю. Від правильного поєднання технологічних режимів ЛПД, залежить якість виробів, а також витрати на їх виробництво. Дотримання умов технологічності литих деталей, має на увазі таке їхнє конструктивне оформлення, яке, не знижуючи основних вимог до конструкції, сприяє отриманню заданих фізико-механічних властивостей, розмірної точності і шорсткості поверхні при мінімальній трудомісткості виготовлення і обмеженому використанні дефіцитних матеріалів. Завжди необхідно враховувати, що якість виливків, одержуваних ЛПД, залежить від великого числа змінних технологічних факторів, зв'язок між якими встановити надзвичайно складно через швидкість заповнення форми.

Основні параметри, що впливають на процес заповнення та формування виливки, наступні:

  • тиск на метал під час заповнення і підпресування;
  • швидкість пресування;
  • конструкція литниково-вентиляційної системи;
  • температура заливається сплаву і форми;
  • режими змащування і вакуумування.

Поєднанням і варіюванням цих основних параметрів, домагаються зниження негативних впливів особливостей процесу ЛПД. Історично виділяються наступні традиційні конструкторсько-технологічні рішення по зниженню браку:

  • регулювання температури заливається сплаву і форми;
  • підвищення тиск на метал під час заповнення і підпресування;
  • рафінування та очищення сплаву;
  • вакуумування;
  • конструювання литниково-вентиляційної системи;

Також, існує низка нетрадиційних рішень, спрямованих на усунення негативного вплив особливостей ЛПД:

  • заповнення форми і камери активними газами;
  • використання подвійного ходу замикаючого механізму;
  • використання подвійного поршня особливої ​​конструкції;
  • установка замінюваною діафрагми;
  • проточка для відводу повітря в камері пресування;

1.4. Лиття по виплавлюваних моделях

Ще один спосіб лиття металів - по виплавлюваної моделі - застосовується у випадках виготовлення деталей високої точності (наприклад лопатки турбін і т. п.) З легкоплавкого матеріалу: парафін, стеарин і ін, (у простому випадку - з воску) виготовляється точна модель виробу і литниковая система. Найбільш широке застосування знайшов модельний склад П50С50 складається з 50% стеарину та 50% парафіну, для великогабаритних виробів застосовуються сольові склади менш схильні до жолоблення. Потім модель занурюється в рідку суспензію на основі сполучного і вогнетривкого наповнювача. В якості сполучного застосовують гідролізований етилсилікати марок ЕТС 32 і ЕТС 40, гідроліз ведуть в розчині кислоти, води та розчинника (спирт, ацетон). В даний час в ЛВМ знайшли застосування кремнезолі не потребують гідролізі в цехових умовах і є екологічно безпечними. В якості вогнетривкого наповнювача застосовують: електрокорунд, дістенсіліманіт, кварц і т. д. На модельний блок (модель і ЛПС) наносять суспензію і виробляють обсипання, так наносять від 6 до 10 шарів. З кожним наступним шаром фракція зерна обсипання змінюються для формування щільної поверхні оболонкової форми. Сушіння кожного шару займає не менше півгодини, для прискорення процесу використовують спеціальні сушильні шафи, в які закачується аміачний газ. З сформувалася оболонки виплавляють модельний склад: у воді, в модельному складі, випалюванням, парою високого тиску. Після сушіння і витоплення блок прожарюють при температурі приблизно 1000 С для видалення з оболонкової форми речовин здатних до газоутворення. Після чого оболонки поступають на заливку. Перед заливанням блоки нагрівають в печах до 1000 С. Нагріте блок встановлюють в піч і розігрітий метал заливають в оболонку. Залитий блок охолоджують в термостаті або на повітрі. Коли блок повністю охолоне його відправляють на вибивання. Ударами молота по ливникової чаші проводиться відбиття кераміки, далі відрізка ЛПС.Такім чином отримуємо виливок.

Переваги цього способу: можливість виготовлення деталей із сплавів, що не піддаються механічній обробці; отримання виливків з точністю розмірів до 11 - 13 квалітету і шорсткістю поверхні Ra 2,5-1,25 мкм, що в ряді випадків усуває обробку різанням; можливість отримання вузлів машин , які при звичайних способах лиття довелося б збирати з окремих деталей. Лиття по виплавлюваних моделях використовують в умовах одиничного (досвідченого), серійного і масового виробництва.

У силу великої витрати металу і дорожнечі процесу ЛВМ застосовують тільки для відповідальних деталей.

Процес лиття по виплавлюваних моделях базується на наступному основному принципі:

Копія або модель кінцевого виробу виготовляються з легкоплавкого матеріалу.

Ця модель оточується керамічною масою, яка твердне і утворює форму.

При подальшому нагріванні (прокалке) форми модель виливка розплавляється і віддаляється.

Потім в решту на місці вилученого воску порожнину заливається метал, який точно відтворює вихідну модель виливка.


1.5. Лиття по газифікованих моделях

Лиття по газифікованих моделях (ЛГМ) з пінопласту за якістю фасонних виливків, економічності, екологічності і високої культури виробництва найбільш вигідно. Світова практика свідчить про постійне зростання виробництва виливків цим способом, яке в 2007 році перевищило 1,5 млн т / рік, особливо популярна вона в США і Китаї (в одній КНР працює більше 1,5 тис. таких ділянок), де все більше ллють виливків без обмежень за формою і розмірами. У піщаній формі модель з пінопласту при заливці заміщається розплавленим металом, так виходить високоточна виливок. Найчастіше форма з сухого піску вакуумируют на рівні 50 кПа, але також застосовують формовку в наливні і легкоуплотняемие піщані суміші зі сполучною. Область застосування - виливки масою 0,1-2000 кг і більше, тенденція розширення застосування в серійному і масовому виробництві виливків з габаритними розмірами 40-1000 мм, зокрема, в двигунобудування для лиття блоків і головок блоків циліндрів і ін

На 1 тонну придатного литва витрачається 4 види модельно-формувальних (неметалевих) матеріалів:

  • кварцового піску - 50 кг,
  • протипригарних покриття - 25 кг,
  • пінополістиролу - 6 кг,
  • плівки поліетиленової - 10 кв.м.

Відсутність традиційних форм і стрижнів виключає застосування формувальних і стрижневих сумішей, формовка складається з засипки моделі піском з повторним його використанням на 95-97%.


1.6. Відцентрове лиття

Відцентровий метод лиття (відцентрове лиття) використовується при одержанні виливків, що мають форму тіл обертання. Подібні виливки відливаються з чавуну, сталі, бронзи і алюмінію. При цьому розплав заливають у металеву форму, що обертається зі швидкістю 3000 об / хв.

Під дією відцентрової сили розплав розподіляється по внутрішній поверхні форми і, крісталлізуясь, утворює виливок. Відцентровим способом можна отримати двошарові заготовки, що досягається почергової заливкою у форму різних сплавів. Кристалізація розплаву в металевій формі під дією відцентрової сили забезпечує отримання щільних виливків.

При цьому, як правило, у виливках не буває газових раковин і шлакових включень. Особливими перевагами відцентрового лиття є отримання внутрішніх порожнин без застосування стрижнів і велика економія сплаву з причини відсутності ливникової системи. Вихід придатних виливків підвищується до 95%.

Широким попитом користуються виливки втулок, гільз та інших заготовок, що мають форму тіла обертання, вироблені за допомогою методу відцентрового лиття.


Відцентрове лиття - це спосіб отримання виливків у металевих формах. При відцентровому литті розплавлений метал, піддаючись дії відцентрових сил, відкидається до стінок форми і твердне. Таким чином виходить відливання. Цей спосіб лиття широко використовується в промисловості, особливо для отримання порожнистих виливків (з вільною поверхнею).

Технологія відцентрового лиття забезпечує цілий ряд переваг, часто недосяжних при інших способах, наприклад:

  • Висока зносостійкість.
  • Висока щільність металу.
  • Відсутність раковин.
  • У продукції відцентрового лиття відсутні неметалеві включення і шлак.

Відцентровим литтям отримують литі заготовки, що мають форму тіл обертання:

  • втулки;
  • вінці черв'ячних коліс;
  • барабани для папероробних машин;
  • ротори електродвигунів.

Найбільше застосування відцентрове лиття знаходить при виготовленні втулок з мідних сплавів, переважно олов'яних бронз.

У порівнянні з литтям у нерухомі форми відцентрове лиття має ряд переваг: підвищуються заповнюваність форм, щільність і механічні властивості виливків, вихід придатного. Однак для його організації необхідно спеціальне устаткування; недоліки, властиві цьому способу лиття: неточність розмірів вільних поверхонь виливків, підвищена схильність до ліквації компонентів сплаву, підвищені вимоги до міцності ливарних форм.


1.7. Лиття в оболонкові форми

Лиття в оболонкові форми - спосіб отримання фасонних виливків з металевих сплавів у формах, що складаються з суміші піщаних зерен (зазвичай кварцових) і синтетичного порошку (зазвичай фенолоформальдегідної смоли і пульвер-бакеліту). Переважно застосування плакованих піщаних зерен (покритих шаром синтетичної смоли).

Оболонкову форму одержують одним із двох методів. Суміш насипають на металеву модель, нагріту до 300 C, витримують протягом декількох десятків секунд до утворення тонкого зміцненого шару, надлишок суміші видаляють. При використанні плакованої суміші її вдувають в зазор між нагрітої моделлю і зовнішньої контурної плитою. В обох випадках необхідно доупрочненіе оболонки в печі (при температурі до 600-700 C) на моделі. Отримані оболонкові напівформи скріплюють, і в них заливають рідкий сплав. Щоб уникнути деформації форм під дією заливається сплаву перед заливанням їх поміщають в металевий кожух, а простір між його стінками і формою заповнюють металевої дробом, наявність якої впливає також на температурний режим охолоджується відливання.

Цим способом виготовляють різні виливки масою до 25 кг. Перевагами способу є значні підвищення продуктивності в порівнянні з виготовленням відливок литтям в піщані форми, керування тепловим режимом охолодження виливки і можливість механізувати процес.


Література