Литье металлов

Технология литья под низким давлением

Установка для литья низкого давления это сложный и глубоко автоматизированный производственный комплекс, с самым низким количеством ручных операций.

Комплекс находится в герметичной камере и включает в себя:

• тигель для расплавления шихты;
• опускаемый в тигель металлопровод;
• форму с каналами подачи расплава и системой газоотведения;
• трубопроводы для наддува воздуха или инертного газа;
• автоматика регулирования температуры и давления.

Избыточное низкое давление заставляет жидкий металл подниматься вверх по опущенному в расплав металлопроводу и заполнять собой все полости формы. По окончании заливки остатки металла стекают обратно в тигель и не расходуются впустую на заполнение литниковой системы. После остывания отливки до заданной температуры газы через системы фильтрации выпускают в атмосферу. Нахождение вредных для здоровья людей веществ внутри герметичного объема и их фильтрация улучшают условия труда и общую экологичность производства.

Главными параметрами комплекса, определяющими производительность и производственные возможности, являются:

• рабочий объем герметичной камеры;
• площадь внутреннего сечения металлопровода;
• максимальное давление;

Особенности литья под давлением состоят в том, что по мере расходования расплава уровень его в тигле становится низким, соответственно увеличивается объем камеры и в ней снижается давление

Другой важной особенностью является возможность последовательного затвердевания отливки. Чтобы выдержать заданную скорость подачи расплава, необходима четкая работа систем автоматического поддержания ключевых параметров

Смазки для литья под давлением, кроме создания разделительного слоя и препятствования образованию задиров, должны также способствовать высокому качеству поверхности, обеспечивать низкое количество случаев облоя и нагара и увеличивать ресурс пресс-формы.

Виды формовки

Определяются разновидностью модели и выбранного метода литья.

По простой модели

Модель размещают на доске лицевой стороной вверх. Центруют ее относительно опоки. Покрывают облицовочной смесью, позже послойно добавляют наполнительную, тщательно уплотняя каждый слой. В опоку добавляют землю до заполнения. Сняв верхнюю опоку, вынимают макет и создают литниковую систему. Собирают опоки вместе, закрепляют и сушат.

По разъемной модели

Способ существенно упрощает технологию и повышает точность изготовления формы для литья. На доску помещают часть макета без шипов, устанавливают нижнюю опоку и формуют землю. По окончании конструкцию переворачивают, присоединяют к макету вторую часть, присоединяют верхнюю опоку и проводят ее набивку.

С фальшопокой

При особо сложной геометрии изделия применяю фальшопоку. Она не контактирует с расплавом, а играет роль фигурной подмодельной доски.

Способы формовки

Кусковая

Применяется при художественном литье, особенно скульптурных композиций. Модель обставляют несколькими независимыми опоками, соприкасающимися своими краями. Иногда отливку делят на относительно простые по конфигурации сегменты, макетируют и льют их независимо, после чего соединяют готовые отливки.

Шаблонная

Производится при литье в землю  изделий определенной формы. Различают

• Тела вращения (цилиндрические, конические и эллиптические)
• Прямоугольные или призматические.

Формовка земли осуществляется шаблоном соответствующей конфигурации, приводимым в действие мощным шпинделем для тел вращения или двигающимся по специальным направляющим для призматических форм.

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.

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.

Огнеупоры

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.

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.

Виды литья под давлением

Литье металлов под низким давлением

Литье под низким давлением завоевало заслуженную популярность в цветной металлургии. Большая часть деталей малых, средних и больших серий для многих отраслей промышленности получают этим способом.

Установка для литья под низким давлением

Литье пластмасс под давлением

Литье из пластмасс возникло практически сразу после внедрения метода литья из металлов и стало широко использоваться. 95 % всех деталей, получаемых из пластиков, изготавливаются способом литья. Разработано и широко применяется несколько способов литья из пластмасс:

• Инжекционный. Наиболее употребляемый способ, характеризуется высоким давлением и скоростью впрыскивания материала в форму. Применяется для изделий сложной геометрии, с тонкими или толстыми стенками.
• Интрузивный. Избыточное давление невысоко, первоначальный объем впрыскиваемого материала меньше объема формы. Материал продолжает расширяться в форме и заполняет ее. Применяется для отливок несложной формы и с низкой детализацией поверхности.
• Инжекционно-прессовый. Используется для изделий с большой поверхностью. Давление на расплав, кроме усилия подачи, производится также и за счет смыкания частей формы.

Литье под высоким давлением

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

Литье под высоким давлением

Деталям, полученным литьем под давлением металлов, 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.

Инжекционное литье металлов

Первичные или так называемые «зеленые» отливки подвергают температурному воздействию, вызывая спекание металлического порошка и удаляя связующие вещества. В результате получают конечные, или «коричневые» отливки. 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, что обуславливает ее высокую прочность и низкий износ.

Особенности формирования отливок и их качество

При литье под давлением основные показатели качества отливки – точность размеров, шероховатость поверхности, механические свойства, плотность и герметичность – определяются следующими особенностями ее формирования:

1. Кратковременность заполнения полости пресс-формы расплавом. Скорость поступления расплава в пресс-форму для разных отливок и сплавов колеблется от 0,3 до 140 м/с, продолжительность ее заполнения 0,02 – 0,3 с, а конечное давление на расплав может достигать 500 МПа. Это позволяет, несмотря на высокую скорость охлаждения расплава в форме, изготавливать весьма сложные корпусные отливки с толщиной стенки менее 1 мм из сплавов с низкой и даже близкой к нулю жидкотекучестью (таким свойством обладают, например, сплавы, находящиеся в твердожидком состоянии). Высокая кинетическая энергия движущегося расплава и давление, передаваемое на него в момент окончания заполнения формы, способствуют получению отливок с низкой шероховатостью поверхности.

2. Газонепроницаемость материала пресс-формы. Вентиляция рабочей по-лости происходит посредством специальных вентиляционных каналов. При высоких скоростях поступления расплава в полость пресс-формы воздух, а также газообразные продукты разложения смазочного материала, образующиеся при его взаимодействии с расплавом, не успевают полностью удалиться из пресс-формы за время заполнения ее расплавом. Они препятствуют заполнению пресс-формы и попадают в расплав, приводя к образованию неслитин, неспаев, раковин и газовоздушной пористости в отливках. Газовоздушная пористость приводит к уменьшению плотности отливок, снижению их герметичности и пластических свойств. Воздух, газы, продукты разложения смазочного материала, находящиеся в порах отливки под высоким давлением, затрудняют ее термическую обработку: при нагреве прочность отливки снижается, а давление газов в порах повышается, что вызывает коробление отливки, на ее поверхности появляются пузыри.

Для снижения газовоздушной пористости в отливках используют ряд технологических приемов, а также специальные способы литья под давлением (см. подраздел 4.2).

3. Высокая интенсивность теплового взаимодействия между материалом отливки и пресс-формой, обусловленная ее высокими теплопроводностью и теплоемкостью, малым термическим сопротивлением слоя смазочного материала и продуктов его разложения, значительным давлением расплава и отливки на стенки пресс-формы, улучшающим контакт между ними. Это способствует получению мелкозернистой структуры, особенно в поверхностных слоях отливки, повышению ее прочности и высокой производительности процесса.

4. Передача в момент окончания заполнения металлом пресс-формы давления, развиваемого пресс-поршнем в камере прессования, на расплав в полости формы. Это улучшает питание отливки, способствует уменьшению усадочной пористости, сжатию газовоздушных включений. В результате воз-растают плотность, герметичность и механические свойства отливки. Однако эффективность действия подпрессовки ограничена, так как это давление на расплав в пресс-форме действует только до тех пор, пока питатель не затвердеет.

5. Использование металлической пресс-формы с точными размерами и низкой шероховатостью рабочих поверхностей. Это способствует получению высокоточных отливок по массе, геометрии и размерам. Высокая точность размеров отливок (классы 1 – 4 по ГОСТ 26645—85 (изм. № 1,1998)) позволяет уменьшить припуски на обработку до 0,3 – 0,8 мм, а в некоторых случаях полностью исключить обработку резанием. Остается только зачистка мест удаления питателей, соединительных каналов промывников и облоя. Коэффициент точности отливок по массе (КТМ) при литье под давлением достигает 0,95 – 0,98. Шероховатость поверхности отливок, полученных под давлением, зависит в основном от шероховатости поверхности пресс-формы и технологических режимов литья. Обычно эти отливки имеют шероховатость от R_z = 160 – 80 мкм (сплавы на основе меди) до R_z = 1,00 – 0,32 мкм (цинковые сплавы).

Используемые материалы

«Семёркой древних» называют перечень из железа, меди, олова, свинца, серебра, золота и ртути — с ними человечество знакомо не одну тысячу лет. Драгоценные металлы использовались для изготовления ювелирных изделий, а основным материалом для художественного литья в прошлом были сплавы на основе меди. В новое время к ним добавились чугун и алюминий.

Художники на протяжении всей истории не ограничивали себя ассортиментом материалов для плавки. Например, в XIX веке в Европе и России были популярны изделия из цинка и свинца, а современные скульпторы нередко обращаются к нержавеющей стали. Но классическими материалами для художественного литья даже на сегодняшний день являются бронза и чугун.

https://youtube.com/watch?v=GHBak_el3CU

Бронзовые сплавы

Сплавы меди с некоторыми цветными металлами (свинцом, оловом, алюминием, бериллием) без присутствия цинка и никеля называют бронзой. Медь с большими примесями цинка — это латунь. Последнюю применяют в основном для изготовления кабинетной скульптуры и дорогой мебельной и интерьерной фурнитуры. Главным материалом для художественного литья больших и малых форм оставалась несменной на протяжении веков оловянная бронза. Её преимущества:

• ничтожная усадка;
• высокая текучесть;
• не подверженность пористости при остывании;
• высокая теплопроводность;
• прочность;
• коррозионная стойкость;
• упругость;
• свариваемость.

Литьё из бронзы — одно из старейших искусств. Применение её в разных частях древнего мира было повсеместным: люди готовили в бронзовой посуде, носили бронзовые украшения, пользовались бронзовыми инструментами, застёгивали одежду на бронзовые пуговицы. Эта эпоха известна по удивительно высокому качеству исполнения и небывалой художественной силы скульптурам, сохранившимся до наших дней. С тех времён берёт начало литейная бронзовая традиция, надолго пережившая свой век с одноимённым названием. Безусловно, сплавы совершенствовались на всём протяжении истории, но большая часть технологических процессов художественного литья оставались неизменными.

Серый чугун

Бронза и железо, пожалуй, самые важные материалы в истории человечества. Недаром они дали названия двум эпохам технологической эволюции — бронзовому и железному векам. Поскольку для железного литья требовались более высокие температуры и сложные печи, плавку железа человечество освоило несколько позже бронзы. По некоторым сведениям, чугун лили в Китае ещё 2 тыс. лет назад. Первыми массовыми изделиями из него в Европе и России были стволы пушек и ядра к ним в XV веке.

Эволюция печей и энергоёмкого топлива для них быстро сделала высокие температуры доступными не только для военной промышленности. Художественное применение литейного железа началось приблизительно в 1500 г. с производства плитки для печей, памятников и фонтанов. Мощным толчком для популяризации чугуна в искусстве было бурное развитие металлургических технологий во второй половине девятнадцатого века и последующая за этими событиями индустриализация.

Для приготовления скульптуры используют серый чугун с высоким содержанием фосфора как самый недорогой и приспособленный для литья сплав железа с углеродом. Фосфор улучшает текучесть — это помогает металлу полностью заполнять форму. Свойство фосфора повышать хрупкость железа для художественного литья значения не имеет, как и присущая серому чугуну пористость. Материал обладает ещё одним важным свойством — привлекательностью внешнего вида готового изделия.

Свойства формовочных смесей

Формовочную смесь характеризуют основные свойства:

• Прочность определяет способность формы сохранять свою конфигурацию
• Пластичность — важна для способности формы повторять подробности контура и деталей поверхности модели.
• Газопроницаемость. Крупнозернистые составы легче пропускают газы.
• Огнеупорность. Материал не должен плавиться или спекаться, ухудшая однородность поверхности отливки
• Податливость
• Гомогенность. Однородность смеси гарантирует постоянство ее свойств в пространстве.
• Теплопроводность. Качественный материал имеет низкую теплопроводность. Это не дает примыкающему к форме слою отливки слишком быстро остывать, ухудшая свои свойства
• Долговечность особенно важна для многоразовых форм. Для одноразовых форм долговечность означает число циклов повторного использования земли после измельчения и просеивания.

Свойства формовочных смесей

Для смесей разных назначений на первый план выходят разные свойства. Так, для облицовочных важны пластичность, огнеупорность и теплопроводность, а для наполнительных важнее прочность и газопроницаемость.

Применяемые методы

Традиционные технологии нисколько не утратили актуальности и в наше время. В качестве основных мастера применяют литьё либо в земляные формы, либо по выплавляемым моделям. На XIX век пришёлся накал соперничества этих двух методов. Первый стал массовым в основном у промышленников, уступив лидерство в искусстве более точному и дорогому литью по восковым моделям.

Литьё в землю

Этот метод объединяет литьё в землю, песок или глину. Основная разница между ними заключается в материале формы. Суть технологии состоит в получении отпечатка от шаблона на смеси с дальнейшим изменением её качества (трамбовкой, добавлением связующего вещества) и последующим формированием в ней литниковой системы — каналов, по которым будет поступать и удаляться расплавленный металл.

Достоинства технологии:

• простота;
• низкая себестоимость;
• возможность создавать отливки больших размеров и массы.

По выплавляемым моделям

Этот метод был популярен ещё в Древнем Египте и Китае, использовался в Греции и Риме, не претерпел больших изменений за тысячелетия. Основные эволюции произошли во вспомогательных материалах: воск мастера сменили на синтетические смеси, активно стали применять эластичные резиновые формы и т. п. Классический метод литья по выплавленному воску выглядит так:

1. Создание восковой модели скульптором — точной копии будущей отливки.
2. Изготовление формы — на поверхность воска наносится в несколько этапов пастообразная гипсово-глиняная смесь.
3. Запекание формы в печи. Во время нагрева воск покидает форму, вытекая через заранее предусмотренные каналы.
4. Заливка расплавленного металла в покинутые воском пустоты.
5. Освобождение готовой скульптуры от глиняной формы.
6. Удаление лишнего металла с отливки, шлифование, полировка, художественная химическая обработка.

Сам по себе способ формирования по выплавляемым моделям позволяет создавать чрезвычайно качественные и тонкие изделия из всех видов металлов. Технологические трудности могут возникнуть лишь при изготовлении больших элементов: такие задачи по плечу только мастерам высокой квалификации.

Каким должен быть металл для литья

Важнейшее свойство металла, который предполагается использовать для литья, – его текучесть. Сплав в расплавленном виде должен максимально легко перетекать из одного тигля в другой, заполняя при этом его мельчайшие выемки. Чем выше текучесть, тем тоньше стенки можно сделать у готового изделия. С металлом, который растекается плохо, намного сложнее. В обычных условиях он успевает схватиться значительно раньше, чем заполнит все промежутки формы. Именно с этой сложностью промышленники сталкиваются, когда выполняют литье сплавов металлов.

Неудивительно, что именно чугун стал излюбленным материалом литейщиков. А все потому, что у этого сплава превосходная текучесть, из-за чего работать с ним относительно просто. Сталь далеко не столь текуча, а потому для полного заполнения формы (чтобы не было каверн и пустот) приходится прибегать к самым разным ухищрениям.

В простейшем случае, когда требуется домашнее литье металла, сырье расплавляют и маленькими порциям выливают в воду: так, в частности, можно изготовить грузила для рыбалки. Но данный метод сравнительно широко используется даже в оружейной промышленности! С вершины специальной башни, по очертаниям напоминающую градирню, также дозировано начинает выливаться расплавленный металл. Высота сооружения такова, что до земли долетает идеально сформованная капелька, уже остывшая. Именно так производится в промышленных объемах дробь.

Преимущества и недостатки метода

Любой технологический процесс имеет как сильные, так и слабые стороны. Преимущества литья под давлением:

1. Изменение свойств отливки. Увеличиваются параметры прочности, твердости материала.
2. Возможность использовать формы для литья несколько раз подряд.
3. Улучшается качество поверхности изделия.
4. Высокая точность соблюдения установленных размеров отливок.
5. Возможность создания тонкостенных изделий (менее 1 мм).
6. Нет дополнительных процессов сборки, разборки, выбивки готовых деталей из форм.
7. Современное оборудование позволяет регулировать скорость поступления расплавленного металла.

Недостатки процесса:

1. Конструкции для заливки быстро изнашиваются, если часто работать с высокими температурами.
2. Крайне сложно изготавливать изделия с отверстиями, выемками, полостями.
3. При охлаждении изделия получают внутреннее напряжение.
4. Нельзя создавать крупногабаритные заготовки, поскольку оборудование ограничено по мощности.

Размер и масса отливок

Преимущества и недостатки центробежного литья

С помощью центробежного литья получить отливку, имеющую геометрически правильную свободную поверхность, можно только в том случае, если частота вращения является строго определенной (она определяется таким показателем, как гравитационный коэффициент). Если частота вращения отливки оказывается недостаточной, то вследствие усадки, как при вертикальном, так и при горизонтальном положении оси неизбежно возникают искажения.

Таким образом, можно констатировать, что одним из преимуществ центробежного литья является то, что оно позволяет существенно улучшить показатель заполняемости формы расплавом, поскольку на него действует повышенное давление, возникающее под воздействием центробежных сил. Кроме того, в отливках образуется меньше раковин, пор, разнообразных включений, существенно возрастает их плотность.

Необходимо также отметить, что достоинством этого метода литья является также уменьшение расхода металла и повышение такого показателя, как выход годного, по причине отсутствия литниковой системы. Помимо этого, при центробежном литье деталей и заготовок, имеющих форму труб и втулок, не нужно нести затраты на технологические стержни.

Что касается недостатков, то они у центробежного литья тоже есть. К таковым относится трудность изготовления отливок из тех сплавов, что склонны к ликвации; неточность размеров полости отливок, имеющих свободные поверхности; повышенная загрязненность поверхностей отливок ликватами и неметаллическими включениями (из-за этого приходится существенно повышать припуски на их механическую обработку).

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

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.

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:

Особенности технологии производства фасонных отливок из алюминиевых сплавов

• 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.

Машина для литья отливок