Трохи про лиття

Види литва

Відомо безліч різновидів литва:

у піщані форми (ручне або машинне формування);
у багаторазові (цементні, графітові, азбестові форми);
в оболонкові форми;
за моделями, що виплавляються;
за ртутними моделями, що заморожуються;
відцентрове лиття;
у кокіль;
лиття під тиском;
за газифікованими (випалювальними) моделями;
вакуумне лиття;
електрошлакове лиття;
лиття з утепленням.

Так як різновиди лиття розрізняються одночасно за багатьма різнорідними ознаками, то можливі комбіновані варіанти, наприклад, електрошлакове лиття в кокіль.

Литво в піщані форми

Лиття в піщані форми — дешевий, найгрубіший, але наймасовіший (до 75-80% по масі одержуваних у світі виливків) вид лиття. Спочатку виготовляється ливарна модель (раніше дерев’яна, нині часто використовуються пластикові моделі, отримані методами швидкого прототипування), що копіює майбутню деталь. Модель засипається піском або формувальною сумішшю (зазвичай пісок і сполучна), що заповнює простір між нею та двома відкритими ящиками (опоками). Отвори деталі утворюються за допомогою розміщених у формі ливарних піщаних стрижнів, що копіюють форму майбутнього отвору. Насипана в опоки суміш ущільнюється струшуванням, пресуванням або твердне в термічній шафі (сушильної печі). Порожнини, що утворилися, заливаються розплавом металу через спеціальні отвори — литники. Після остигання форму розбивають і витягують виливок. Після чого відокремлюють літникову систему (зазвичай це обрубування), видаляють облій і проводять термообробку.

Новим напрямком технології лиття в піщані форми є застосування вакуумованих форм із сухого піску без сполучного. Для отримання виливки даним методом можуть застосовуватись різні формувальні матеріали, наприклад піщано-глиниста суміш або пісок у суміші зі смолою і т. д. Для формування форми використовують опоку (металевий короб без дна та кришки). Опока має дві напівформи, тобто складається із двох коробів. Площина дотику 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 та виробляють заливку металу.

Литво в кокіль

Лиття металів у кокіль — якісніший спосіб. Виготовляється кокіль — розбірна форма (найчастіше металева), в яку проводиться лиття. Після застигання та охолодження кокіль розкривається і з нього витягається виріб. Потім кокіль можна повторно використовувати для виливки такої ж деталі. На відміну від інших способів лиття в металеві форми (лиття під тиском, відцентрове лиття та ін), при лиття в кокіль заповнення форми рідким сплавом та його затвердіння відбуваються без будь-якого зовнішнього впливу на рідкий метал, а лише під дією сили тяжіння.

Основні операції та процеси: очищення кокіля від старого облицювання, прогрівання його до 200-300 ° С, покриття робочої порожнини новим шаром облицювання, проставляння стрижнів, закривання частин кокіля, заливка металу, охолодження та видалення отриманого виливка. Процес кристалізації сплаву при лиття в кокіль прискорюється, що сприяє отриманню виливків із щільною і дрібнозернистою будовою, а отже, з гарною герметичністю та високими фізико-механічними властивостями. Однак виливки з чавуну через карбіди, що утворюються на поверхні, вимагають подальшого відпалу. При багаторазовому використанні кокіль коробиться і розміри виливків у напрямках, перпендикулярних до площини роз’єму, збільшуються.

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

Литво під тиском

ЛПТ займає одне з провідних місць у ливарному виробництві. Виробництво виливків із алюмінієвих сплавів у різних країнах становить 30-50% загального випуску (за масою) продукції ЛПТ. Наступну за кількістю та 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 та складнішими технологічними умовами виготовлення виливків. Одержання виливків із мідних сплавів обмежено низькою стійкістю прес-форм.

Номенклатура виливків, що випускаються вітчизняною промисловістю, дуже різноманітна. Цим способом виготовляють литі заготовки різної конфігурації масою від кількох грамів до кількох десятків кілограмів. Виділяються такі позитивні сторони процесу ЛПТ:

Висока продуктивність та автоматизація виробництва, поряд з низькою трудомісткістю на виготовлення одного виливка, робить процес ЛПТ найбільш оптимальним в умовах масового та великосерійного виробництв.

Мінімальні припуски на мехобробку або не вимагають її, мінімальна шорсткість необроблюваних поверхонь і точність розмірів, що дозволяє домагатися допусків до ±0,075 мм на бік.

Чіткість рельєфу, що отримується, що дозволяє отримувати виливки з мінімальною товщиною стінки до 0,6 мм, а також литі різьбові профілі.

Чистота поверхні на необроблюваних поверхнях дозволяє надати виливку товарного естетичного вигляду.

Також виділяють такі негативний вплив особливостей ЛПТ, що призводять до втрати герметичності виливків та неможливості їхньої подальшої термообробки:

Повітряна пористість, причиною утворення якої є повітря і гази від мастила, що вигорає, захоплені потоком металу при заповненні форми. Що спричинено неоптимальними режимами заповнення, а також низькою газопроникністю форми.

Усадочні вади, що виявляються через високу теплопровідність форм поряд із утрудненими умовами живлення в процесі затвердіння.

Неметалічні та газові включення, що з’являються через недбайливе очищення сплаву в роздавальній 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 щодо міцності, герметичності або її використання обмежиться декоративною областю. Від правильного поєднання технологічних режимів ЛПД залежить якість виробів, а також витрати на їх виробництво. Дотримання умов технологічності литих деталей передбачає таке їх конструктивне оформлення, яке, не знижуючи основних вимог до конструкції, сприяє отриманню заданих фізико-механічних властивостей, розмірної точності і шорсткості поверхні при мінімальній трудомісткості виготовлення та обмеженому використанні дефіцитних матеріалів. Завжди необхідно враховувати, що якість виливків, які отримують ЛПД, залежить від великої кількості змінних технологічних факторів, зв’язок між якими встановити надзвичайно складно через швидкість заповнення форми.

Основні параметри, що впливають на процес заповнення та формування виливка, такі:

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

Поєднанням та варіюванням цих основних параметрів, домагаються зниження негативних впливів особливостей процесу ЛПТ. Історично виділяються такі традиційні конструкторсько-технологічні рішення щодо зниження шлюбу:

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

Також існує ряд нетрадиційних рішень, спрямованих на усунення негативного впливу особливостей ЛПТ:

  • заповнення форми та камери активними газами;
  • використання подвійного ходу замикаючого механізму;
  • використання подвійного поршня особливої ​​конструкції;
  • встановлення замінної діафрагми;
  • проточування для відведення повітря в камері пресування

Литво по виплавлюваних моделях

Ще один спосіб лиття металів — за виплавлюваною моделлю — застосовується у випадках виготовлення деталей високої точності (наприклад лопатки турбін і т. п.). Найбільш широке застосування знайшов модельний склад П50С50, що складається з 50% стеарину і 50% парафіну, для великогабаритних виробів застосовуються сольові склади менш схильні до жолоблення. Потім модель занурюється в рідку суспензію на основі сполучного та вогнетривкого наповнювача. В якості сполучного застосовують гідролізований етилсилікат марок ЕТС 32 та ЕТС 40, гідроліз ведуть у розчині кислоти, води та розчинника (спирт, ацетон). В даний час в ЛВМ знайшли застосування кремнезолі, що не потребують гідролізу в цехових умовах і є екологічно безпечними. Як вогнетривкий наповнювач застосовують: електрокорунд, дистенсилиманіт, кварц і т. д. На модельний блок (модель і ЛПС) наносять суспензію і обсипають, так наносять від 6 до 10 шарів. З кожним наступним шаром фракція обсипання зерна 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 оболонки, що сформувалася, виплавляють модельний склад: у воді, у модельному складі, випалюванням, парою високого тиску. Після сушіння та витоплення блок прожарюють при температурі приблизно 1000 °З видалення з оболонкової форми речовин здатних до газоутворення. Після цього оболонки надходять на заливку. Перед заливкою блоки нагрівають у печах до 1000 °С. Нагрітий блок встановлюють у піч та розігрітий метал заливають в оболонку. Залитий блок охолоджують у термостаті чи повітрі. Коли блок повністю охолоне його відправляють на вибивання. Ударами молота по литниковій чаші проводиться відбиття кераміки, далі відрізка ЛПС. Таким 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 у ряді випадків усуває обробку різанням; можливість отримання вузлів машин, які за звичайних способах лиття довелося б збирати з окремих деталей. Лиття за виплавлюваними моделями використовують в умовах одиничного (дослідного), серійного та масового виробництва.

З огляду на велику витрату металу і дорожнечі процесу ЛВМ застосовують лише відповідальних деталей.

Процес лиття за моделями, що виплавляються, базується на наступному основному принципі:

  • копія або модель кінцевого виробу виготовляються із легкоплавкого матеріалу;
  • ця модель оточується керамічною масою, яка твердне і утворює форму;
  • при наступному нагріванні (прокалюванні) форми модель виливка розплавляється і видаляється;
  • потім у порожнину, що залишилася на місці віддаленого воску, заливається метал, який точно відтворює вихідну модель виливки.

Литво за газифікованими моделями

Лиття за газифікованими моделями (ЛГМ) з пінопласту за якістю фасонних виливків, економічності, екологічності та високій культурі виробництва найбільш вигідно. Світова практика свідчить про постійне зростання виробництва виливків у такий спосіб, яке у 2007 році перевищило 1,5 млн т/рік, особливо популярна вона у США та Китаї (в одній КНР працює понад 1,5 тис. таких ділянок), де дедалі більше ллють виливок без обмежень за формою та розмірами. У піщаній формі модель з пінопласту при заливці заміщається розплавленим металом, так виходить високоточна виливка. Найчастіше форма із сухого піску вакуумується на рівні 50 кПа, але також застосовують формування в наливні та легкоущільнювані піщані суміші зі сполучною. Область застосування — виливки масою 0,1-2000 кг і більше, тенденція розширення застосування в серійному та масовому виробництві виливків з габаритними розмірами 40-1000 мм, зокрема, в двигунобудуванні для лиття блоків і головок блоків циліндрів та ін.

На 1 тонну придатного лиття витрачається 4 види модельно-формувальних (неметалічних) матеріалів:

  • кварцового піску — 50 кг,
  • протипригарного покриття — 25 кг,
  • пінополістиролу — 6 кг,
  • плівки поліетиленової – 10 кв.м.

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

Відцентрове литво

ідцентровий метод лиття (відцентрове лиття) використовується при отриманні виливків, що мають форму тіл обертання. Подібні виливки відливаються з чавуну, сталі, бронзи та 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, кристалізуючись, утворює виливок. Відцентровим способом можна отримати двошарові заготовки, що досягається по черзі 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 та шлакових включень. Особливими перевагами відцентрового лиття є отримання внутрішніх порожнин без застосування стрижнів і велика економія сплаву через відсутність литникової системи. Вихід придатних виливків підвищується до 95%.

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

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

Технологія відцентрового лиття забезпечує цілу низку переваг, найчастіше недосяжних при інших способах, наприклад:

  • висока зносостійкість;
  • висока густина металу;
  • відсутність раковин.

У продукції відцентрового лиття відсутні неметалеві включення та 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 під час виготовлення втулок з мідних сплавів, переважно олов’яних бронз.

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

Литво в оболонкові форми

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

Оболонкову форму набувають одним із двох методів. Суміш насипають на металеву модель, нагріту до 300 °C, витримують протягом кількох десятків секунд до утворення тонкого зміцненого шару, надлишок суміші видаляють. При використанні плакованої суміші її вдмухують у зазор між нагрітою моделлю та зовнішньою контурною плитою. В обох випадках необхідно дозміцнення 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 заливкою їх поміщають у металевий кожух, а простір між його стінками і формою заповнюють металевим дробом, наявність якої впливає також на температурний режим виливки, що охолоджується.

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