Статьи о радиотехнике, технологиях, чертежах, 3D-моделировании

Публикации для людей, интересующихся наукой и техникой

Литьё

Сущность литейного производства состоит в получении отливок – литых металлических изделий – путем заливки расплавленного сплава в литейную форму.

Первые литые изделия получали еще в III–II тысячелетиях до н. э., сначала из бронзы, позже – из чугуна. Значительное развитие литьё из чугуна получило примерно с ХIII–ХIV вв. Стальные отливки начали получать в XIХ в., а литые детали из алюминиевых и магниевых сплавов – всего несколько десятилетий назад.

Нет ни одной отрасли машиностроения и приборостроения, где не применяли бы литые детали. В машиностроении масса литых деталей составляет около 50 % массы машин и механизмов, в станкостроении – около 80%. Это объясняется рядом преимуществ литейного производства по сравнению с другими способами получения заготовок или готовых изделий. Литьём получают детали как простой, так и очень сложной формы, с фасонными внутренними полостями, которые нельзя или очень трудно получить фрезерными или токарными операциями. Во многих случаях это наиболее простой и дешёвый способ получения изделий. Масса отливок колеблется от нескольких граммов до нескольких сот тонн.

Некоторые специальные способы литья позволяют получать отливки с высокой точностью размеров и чистотой поверхности, что сокращает или исключает совсем их последующую механическую обработку. Кроме «традиционных» литейных сплавов – чугуна, стали, бронзы, – литьём все чаще изготавливают изделия из нержавеющих и жаропрочных сталей, магнитных и других сплавов с особыми физическими свойствами.

Плавильные агрегаты

В литейном производстве для каждого металла требуется своя плавильная печь и технология плавки. Плавка чугуна в литейных цехах производится в основном в вагранках (до 90% чугунных отливок), а также в индукционных печах.

Вагранка – это шахтная печь высотой 3–10 м с внутренним диаметром 700–2500 мм (рис. 1). Шахта вагранки опирается на колонны 2, расположенные на фундаменте 1. В нижней части имеется откидная крышка 3. Печь выложена из шамотного кирпича 7, снаружи покрытого металлическим кожухом 8.

Схема устройства вагранки

Рис.1. Схема устройства вагранки

Шихтовые материалы загружаются сверху с помощью бадьи 13 через загрузочное окно 10. Чугунные плиты 9 в верхней части шахты предотвращают разрушение футеровки металлическими компонентами шихты. Воздушное дутьё для горения кокса подают через фурмы 5 с помощью вентилятора 6. Расплавленный чугун стекает в горн, на под 4 и далее, через лётку вагранки 14, – в копильник 15. Жидкий чугун через лётку 17 сливается в ковш 18. Шлак по мере необходимости выпускают через шлаковую лётку 16. Печные газы удаляются в трубу 12 с искрогасителем 11. Иногда для выплавки чугуна применяется дуплекс-процесс: плавят чугун в вагранке, а доводку и рафинирование состава производят в дуговой или индукционной печи. При этом получается чугун высокого качества, а расход электроэнергии снижается.

Плавка стали в литейных цехах производится, в основном, в электродуговых и индукционных печах – таких же, какие применяются для выплавки стали в металлургическом производстве. Эти печи отличаются большой производительностью, в них можно выплавлять любые стали высокого качества. Индукционные печи диапазона ёмкостей.

Плавка меди и её сплавов производится в электрических печах с косвенной дугой и в индукционных печах с железным сердечником.

В электрических печах с косвенной дугой дуга горит между двумя электродами из графитизированной массы, а шихта нагревается за счет излучаемой дугой теплоты. Индукционная печь с железным сердечником показана на рис. 2.

Индукционная печь с железным сердечником

Рис. 2. Индукционная печь с железным сердечником

Сердечник 1 с первичной обмоткой защищён огнеупорной футеровкой 2. Жидкий металл, предварительно залитый в канал (кольцевой зазор) 3, создаёт короткозамкнутый вторичный виток, в нем индуктируется ток большой силы, нагревающий металл до высокой температуры. Происходит быстрый нагрев и плавление загружаемой сверху шихты. В качестве шихты для выплавки бронз и латуней используют чистую медь, лом бронзы и латуни, отходы литейного производства. В качестве флюсов для защиты металла от окисления при плавке применяют: для бронз – соду, криолит, для латуней – песок SiO2, Na2O и др.

Плавка алюминия и его сплавов производится в электрических печах сопротивления с нагревателями из нихрома. В качестве шихты используют чушковый первичный алюминий, металлолом, отходы литейного производства. Для легирования используют алюминиево-кремниевую лигатуру. Плавку ведут под слоем флюсов, состоящих из NaCl, KCl, СaF2 и других компонентов.

Литейные свойства сплавов

Основными литейными свойствами сплавов являются жидко текучесть, усадка, склонность к ликвации и поглощению газов.

Жидко текучесть – способность расплава свободно течь в литейной форме, заполняя все её полости и точно воспроизводя все её контуры. Жидко текучесть зависит от химического состава сплава, его температуры при заливке, а также от материала формы и других факторов. Жидко текучесть выше у сплавов, затвердевающих с образованием эвтектики.

Усадка – свойство металлов и сплавов уменьшать свой объём при затвердевании и охлаждении; при этом происходит и соответствующее уменьшение линейных размеров отливки. В результате объёмной усадки в теле отливки могут образоваться усадочные раковины и пористость. Для предупреждения этих дефектов необходимо предусмотреть рациональную литниковую систему и прибыли. Усадку необходимо учитывать при расчете размеров модели и стержня. При наличии препятствий для усадки, а также в результате неодновременной и неравномерной усадки массивных и тонких сечений в отливках возникают напряжения, возможно коробление и образование трещин.

Величина усадки зависит от химического состава сплава, температуры его заливки и других факторов. Небольшую линейную усадку имеет серый чугун (0,8–1,2%), некоторые литейные алюминиевые сплавы (0,9–1,3%). У стали линейная усадка достигает 1,8–2,2%. Объёмная усадка примерно в три раза больше линейной.

Ликвация – химическая неоднородность затвердевшего сплава. На процесс развития ликвации оказывают влияние химический состав сплава, скорость охлаждения.

Склонность к поглощению газов. В расплавленном сплаве всегда находятся в растворённом состоянии газы – водород, азот и др. При затвердевании и последующем охлаждении растворимость газов уменьшается, и в результате их выделения в теле отливки могут образоваться газовые раковины и поры.

Растворимость газов зависит от химического состава сплава, его температуры и других факторов. Для уменьшения газонасыщенности сплавов применяют плавку в вакууме или в среде инертных газов, а также дегазацию вакуумированием в специальных камерах и другие меры.

Литьё в песчаные формы

Все существующие способы литья разделяются на две группы: литьё в песчаные формы и специальные способы литья.

Наибольшая доля отливок получается литьём в песчаные (песчано- глинистые, земляные) формы – более 60%.

Литьё в песчаные формы называется еще литьём в разовые формы, так как литейная форма служит для отливки только одной детали, после чего разрушается.

На рис. 3 приведена литейная форма для получения втулки 1.

Форма состоит из двух полу форм, полученных набивкой (уплотнением) формовочной смеси в металлические рамки – опоки 5 и 6. Для изготовления верхней и нижней полу форм используют разъёмную модель 2. Отверстие в отливке получают с помощью стержня 4, отдельно изготовленного из стержневой смеси. При сборке формы стержень устанавливают в углубления (гнёзда), образованные в форме стержневыми знаками 3 модели.

Наиболее совершенным способом изготовления литейных моделей считается технология «быстрого прототипирования». Суть способа: на основе созданной конструктором трёхмерной математической модели или чертежа выполняется послойный синтез (выращивание) литейной модели. За проектированием и конструированием любых чертежей вы можете обратиться сюда.

На специальных установках создаются газифицируемые модели из пенополистирола или выплавляемые из парафино-стеариновых модельных смесей. Для этого используется металлорежущий инструмент – фрезы или боры, – а также квантовые генераторы – лазеры.

Металл заливают через литниковую систему 7. Воздух и выделяющиеся газы удаляются через выпор 8. Готовую отливку 9 извлекают из формы, отрезают литники, очищают поверхность от остатков формовочных материалов и направляют на механическую обработку.

Схема технологического процесса литья в песчано-глинистые формы

Рис. 3. Схема технологического процесса литья в песчано-глинистые формы

Литниковые системы служат для заливки металла в форму. Основными элементами литниковой системы являются литниковая чаша, стояк, шлакоуловитель, питатели, выпоры (рис. 4).

Элементы литниковой системы

Рис. 4. Элементы литниковой системы:

1 – литниковая чаша; 2 – стояк; 3 – шлакоуловитель;

4 – питатели; 5, 6 – чаша и стояк выпоров;

7 – фильтр из стеклоткани

Литниковые системы, в зависимости от формы, размеров отливки и свойств литейного сплава, имеют различное устройство (рис. 5).

Верхняя литниковая система – самая простая, применяется для мелких деталей небольшой высоты.

Сифонная (нижняя) литниковая система обеспечивает спокойное заполнение формы расплавом, применяется для средних и толстостенных отливок значительной высоты.

Ярусная литниковая система обеспечивает последовательное питание отливки снизу-вверх, применяется для крупных отливок. Вертикально-щелевая литниковая система – разновидность ярусной, предназначена, главным образом, для цветных сплавов.

Свойства формовочных смесей

Для получения отливок высокого качества формовочные и стержневые смеси, из которых делают разовые литейные формы, должны обладать определёнными технологическими свойствами.

Прочность – способность смеси обеспечивать сохранность формы, без разрушения выдерживать давление заливаемого металла.

Типы литниковых систем

Рис. 5. Типы литниковых систем:

а – верхняя; б – сифонная; в – ярусная; г – вертикально-щелевая; 1 – чаша; 2 – стояк;

3 – шлакоуловитель; 4 – питатель; 5 – выпор; 6 – отливка

Пластичность – способность формовочной смеси воспринимать очертания модели.

Термическая устойчивость, или непригораемость – способность смеси выдерживать высокую температуру заливаемого сплава без химического с ним взаимодействия или оплавления смеси.

Газопроницаемость – способность пропускать газы через стенки формы вследствие пористости. Это одно из важнейших свойств формовочных смесей. В расплавленном металле всегда содержатся растворённые газы, выделяющиеся при его охлаждении. Большое количество газов выделяется также из самих формовочных материалов при их нагреве. При недостаточной газопроницаемости в теле отливки могут образовываться газовые раковины, поры.

Песчано-глинистые смеси состоят из наполнителя, связующего и различных добавок. Наполнителем является песок и бывшие в употреблении смеси. Связующее – глина (до 10–15 %). Для улучшения свойств формовочной смеси вводят специальные добавки. Так, для чугунного литья в качестве противопригарного компонента вводится каменноугольная пыль. В смесях для стального литья в качестве противопригарной добавки используют пылевидный кварц.

При заливке металла стержни находятся в более тяжёлых условиях, испытывая значительное термическое и механическое воздействие расплавленного металла. Поэтому к стержневым смесям предъявляют более высокие требования по прочности. С этой целью в стержневые смеси добавляют в качестве связующих растворы растительных масел и канифоли в уайт-спирите, силикатные клеи и другие материалы.

Приготовление песчано-глинистых смесей включает несколько операций: сушка песка и глины (при температуре 200–250 ℃), получение угольного и кварцевого порошка, перемешивание компонентов и увлажнение. Для выполнения этих операций требуются специальные сушильные печи и смесители.

Ручная формовка

Ручная формовка – основной способ изготовления форм в литейном производстве, связана с тяжёлой и трудоёмкой работой. Наиболее распространённый способ ручной формовки в двух опоках показан на рис. 3. Применяется в производстве мелких и средних отливок в единичном и мелкосерийном производстве.

Машинная формовка

Машинная формовка применяется в массовом и крупносерийном производстве. Машинная формовка во много раз увеличивает производительность труда.

По характеру уплотнения смеси различают несколько способов машинной формовки.

Уплотнение прессованием показано на рис. 6.

Схема машинной формовки прессованием

Рис. 6. Схема машинной формовки прессованием

Сжатый воздух подается в рабочую полость цилиндра 1, при этом прессовый поршень 2 и стол 3 с прикрепленной к нему модельной плитой 4 поднимаются (рис. 6, а). Колодка 7, закрепленная на траверсе 8, входит внутрь наполнительной рамки 6 (рис. 6, б) и уплотняет формовочную смесь в опоке 5 (рис. 6, в). Плотность формовочной смеси уменьшается по мере удаления от прессовой колодки из-за трения смеси о стенки опоки. Поэтому прессование используют для уплотнения смеси в опоках высотой не более 200–250 мм. Уплотнение встряхиванием (рис. 7) производится на специальных встряхивающих машинах и позволяет уплотнять высокие, сложной конфигурации формы.

Схема машинной формовки встряхиванием

Рис. 7. Схема машинной формовки встряхиванием

Сжатый воздух подается в нижнюю часть цилиндра 1 (рис. 7, а), при этом встряхивающий поршень 2 поднимается и перекрывает впускное отверстие 10, а нижняя его кромка открывает выхлопные окна 7 (рис. 7, б). Воздух выходит в атмосферу, давление под поршнем снижается, и стол 3 с укреплённой на нем модельной плитой 4 падает, ударяясь о торец цилиндра 8 (рис. 7, в). Скорость стола и модельной плиты падает до нуля, а формовочная смесь в опоке 5 и наполнительной рамке 6 продолжает двигаться вниз по инерции и поэтому уплотняется. Когда канал 9 встряхивающего поршня окажется против отверстия 10, сжатый воздух снова войдёт в полость цилиндра. Это повлечёт новый подъём стола и новый удар его о торец и т. д. Встряхивающий стол совершает 120–200 ударов в минуту. При этом способе слои формовочной смеси имеют наибольшую плотность у модельной плиты. Встряхиванием уплотняют формы высотой до 800 мм. Для уплотнения верхних слоёв формы встряхивание совмещают с прессованием.

Схема уплотнения форм пескомётом

Рис. 8. Схема уплотнения форм пескомётом

Для уплотнения смеси, при получении крупных отливок, применяются пескомёты (рис. 8). Рабочий орган пескомёта – метательная головка – выбрасывает порции формовочной смеси на рабочую поверхность модельной плиты. В стальном кожухе 1 метательной головки вращается закреплённый на валу электродвигателя ротор 4 с ковшом 5. Формовочная смесь подаётся в головку непрерывно ленточным конвейером 3 через окно в задней стенке кожуха. При вращении ротора с частотой 1000–1200 об/мин формовочная смесь собирается в пакеты 5 и центробежной силой выбрасывается через выходное отверстие в опоку 6. Попадая на модель 7 и модельную плиту 8, смесь за счёт кинетической энергии равномерно уплотняется по высоте опоки. Метательная головка может перемещаться над опокой, управление работой пескомёта автоматизировано.

Пескомёт – высокопроизводительная машина, его применяют для уплотнения крупных литейных форм.

Преимуществом литья в земляные формы является универсальность способа. Этим способом получают отливки любой конфигурации, из любых металлов и любой массы. Формовочные материалы распространённые и дешёвые.

Недостатки способа: шероховатая поверхность отливки, большой припуск на механическую обработку, большой расход металла на литники, очень низкие санитарно-гигиенические условия труда.

Применяется способ от индивидуального до массового производства во всех отраслях промышленности.

Специальные способы литья

В современном литейном производстве все более широкое применение получают специальные способы литья. Эти способы позволяют получать отливки повышенной точности и с чистой поверхностью, часто не требующие механической обработки, чего нельзя добиться при литье в песчаные формы. Кроме того, некоторые из специальных способов литья обеспечивают значительно более высокую культуру труда, лучшие санитарно-гигиенические условия и более высокий уровень механизации и автоматизации, чем литьё в песчаные формы.

Литьё в оболочковые формы

Отливки получают в тонкостенных формах-оболочках толщиной 6–15 мм, изготовленных из высокопрочных песчано-смоляных смесей.

Смесь состоит из кварцевого песка и 6–7% синтетической смолы в виде порошка. Фенолформальдегидная смола при 70 ℃ размягчается, а при температуре свыше 120 ℃ плавится, превращаясь в клейкую массу. При температуре 200–300 ℃ смола становится твёрдой и при повторном нагреве не расплавляется. При 450 ℃ смола выгорает. На этих свойствах смолы основана технология изготовления оболочковой литейной формы (рис. 9).

Формовочную смесь 3 засыпают в бункер 2 (рис. 9, а) и накрывают нагретой металлической плитой 1 с укреплёнными на ней моделями отливок. При повороте бункера на 180⸰ (рис. 9, б) частицы смолы начинают плавиться под действием тепла нагретых моделей. Образуется оболочка 4. Толщина этой оболочки зависит от температуры под модельной плиты и времени её выдержки под засыпкой.

Последовательность изготовления оболочковой формы

Рис. 9. Последовательность изготовления оболочковой формы

Через 25 секунд толщина оболочки достигает 6–8 мм, после чего бункер возвращают в исходное положение. Плита при этом оказывается вверху, избыток смеси, состоящей из песка и оставшейся не оплавленной смолы, осыпается на дно бункера (рис. 9, в). Модельную плиту вместе с оболочкой снимают с бункера и помещают в электропечь или газовую печь для полного затвердевания оболочки. Через 4 минуты плиту вынимают из печи, укладывают на стол специального съёмочного механизма и с помощью толкателей, проходящих через отверстия в плите и упирающихся в оболочку, отделяют оболочку от плиты и поднимают её. С толкателей оболочка снимается и направляется на сборку. Две половины оболочки склеивают и соединяют скобой. Полученную оболочковую форму заливают сплавом в вертикальном или горизонтальном положении через литниковую систему. Оболочковая форма из песчано-смоляной смеси после заливки металлом легко разрушается, освобождая отливку.

Для крупных отливок, из-за опасности прорыва металла во время заливки, оболочковые формы помещают в опоку и засыпают чугунной дробью. В промышленности внедрены многопозиционные карусельные автоматы для изготовления оболочковых форм.

Преимущества. Литьё отличается высокой чистотой поверхности и точностью размеров. Хорошая газопроницаемость формы обеспечивает отсутствие газовых пор. Легко удаляются отливки из формы, так как при выгорании смолы создается тонкая газовая рубашка, которая защищает поверхность отливки от пригара смеси. Форма легко разрушается. Расход формовочной смеси в 5–10 раз меньше, чем при литье в земляные формы.

Недостатком способа является дороговизна и дефицит синтетической смолы, а также ограничение размера и массы отливок.

Применяется способ для отливки чугунных коленчатых валов автомобилей, чугунных ребристых цилиндров для тяжёлых мотоциклов, литого режущего инструмента и других отливок.

Литьё по выплавляемым моделям

Этим способом изготовляли литые скульптуры. В машиностроении его начали применять в 40-х годах ХХ века. На рис. 10 приведена схема технологического процесса изготовления литейной формы по методу выплавляемых моделей.

Пресс-форму (рис. 10, б) для получения выплавляемых моделей отливки (рис. 10, а) изготавливают металлической или пластмассовой. Легкоплавкую смесь (50% парафина и 50% стеарина) расплавляют в электрической печи (рис. 10, в) и заливают в пресс-форму (рис. 10, г). Часто, во избежание образования усадочных раковин, смесь при перемешивании нагревают до пастообразного состояния и запрессовывают в пресс-форму.

Изготовление литейной формы методом выплавляемых моделей

Рис. 10. Изготовление литейной формы методом выплавляемых моделей

После затвердевания легкоплавкую модель (рис. 10, д) вынимают из пресс-формы, собирают модели в блоки с общей литниковой системой (рис. 10, е) и погружают блок в огнеупорную суспензию, состоящую из 30% гидролизованного раствора этилсиликата и 70% кварцевой муки. Затем блок моделей посыпают сухим песком и сушат на воздухе. Повторяя эти операции несколько раз, получают форму толщиной 5–8 мм (рис. 10, ж).

Модель выплавляется из формы с помощью горячего воздуха, пара при 120–150 ℃ или горячей воды. Для крупных отливок облицованную и просушенную форму с литниковой системой помещают в металлическую опоку, засыпают песком и уплотняют или засыпают металлической дробью.

Готовую форму прокаливают при температуре 850–900 ℃, при которой остатки легкоплавкого состава выгорают. Форма при этом превращается в прочную керамическую оболочку. Форму заливают расплавом. При необходимости расплав подают в форму под действием центробежных сил. После затвердевания металла блоки отливок выбивают из опок. Керамическую корку отбивают. Для удаления керамической корки из отверстий и внутренних каналов отливки выщелачивают при 120 ℃ в ванне с щелочным раствором, затем промывают их в горячей воде. После контроля отливок отрезают литники и зачищают их остатки.

В промышленности применяют следующие способы получения точных отливок: литьём по выжигаемым, растворяемым, размораживаемым и по газифицируемым моделям. Все это – разновидности способа литья по моделям, удаляемым из готовой литейной формы без её разборки (разъёма). Наиболее перспективным из них является способ с применением моделей из пенопласта (пенополистирола). Особенность литья по пенопластовым моделям – применение неразъёмных форм, из которых модель не извлекается, а газифицируется за счет теплоты расплавленного металла. Таким способом получают отливки массой от 0,2 кг до нескольких тонн из стали, чугуна, медных и алюминиевых сплавов в единичном и серийном производстве.

Пенополистирол, из которого изготовляют модели, имеет малую плотность, разлагается при 300–350 ℃, выделяя пары стирола, легко обрабатывается даже простым ножом и разогретой проволокой.

В единичном производстве пенопластовые модели изготовляют механической обработкой вручную или на станках.

Преимущества. Отсутствие у формы разъёма обеспечивает повышенную точность. Важным преимуществом способа является возможность получения отливок самой сложной конфигурации практически из любых сплавов. Высокая точность и чистота отливки позволяет исключить механическую обработку.

Недостатком способа является длительный технологический процесс и высокая стоимость отливки.

Применяется способ в массовом и серийном производстве. Способ незаменим при изготовлении отливок из труднообрабатываемых сплавов, лопаток реактивных двигателей, челноков швейных машин и т. п.

Литьё в металлические формы

Металлические формы (кокили) изготавливают из чугуна, стали и других сплавов. В кокилях получают 45% всех алюминиевых и магниевых отливок, 11% чугунных отливок, 6% стальных отливок.

Конструкции кокилей очень разнообразны, они могут быть неразъёмными и разъёмными, но чаще всего кокиль изготавливают из двух половин. Плоскость разъёма может быть вертикальной и горизонтальной. Внутренняя, рабочая часть кокиля соответствует внешней конфигурации отливки. После затвердевания металла кокиль раскрывают и из него вынимают отливку.

Чтобы уменьшить скорость охлаждения отливок, избежать образования закалённого слоя и повысить стойкость кокиля, на его внутреннюю поверхность наносят теплоизоляционные, противопригарные покрытия. Их приготовляют из огнеупорных материалов (кварцевой муки, молотого шамота, графита, мела, талька) и связующего материала (жидкого стекла, сульфитного щелока и др.). После нанесения покрытия кокиль подвергается подсушке и прокалке.

Последовательность операций изготовления отливок в кокилях

Рис. 11. Последовательность операций изготовления отливок в кокилях

В зависимости от толщины и свойств применяемых покрытий кокили подразделяются на кокили с тонкослойным покрытием толщиной до 0,5 мм (для цветных металлов) и кокили футерованные с толщиной покрытия до 10 мм (для крупных отливок из чугуна и стали).

Технологический процесс изготовления отливки в кокиле показан на рис. 11. Кокиль с вертикальным разъёмом состоит из поддона 1, двух симметричных полу форм 2 и 3 и металлического стержня 4. Кокиль предварительно нагревают до температуры 150–180 ℃, покрывают рабочую поверхность из пульверизатора 5 слоем защитного покрытия толщиной 0,3–0,8 мм (рис. 11, а). С помощью манипулятора устанавливают песчаный стержень 6 (рис. 11, б) для получения расширяющейся полости в отливке. Половины 2 и 3 кокиля соединяют, скрепляют и заливают расплав (рис. 11, в). После затвердевания отливки 7 (рис. 11, г) и охлаждения её до температуры выбивки кокиль раскрывают (рис. 11, д) и протягивают вниз металлический стержень 4. Отливка 7 удаляется из кокиля (рис. 11, е). Полости в отливках оформляют песчаными, оболочковыми или металлическими стержнями. Песчаные стержни используют для получения отливок из чугуна, стали и цветных сплавов, а металлические – для получения отливок из алюминия и магния.

Для литья в кокиль применяют одно- и многопозиционные автоматические кокильные машины.

Кокиль – форма многократного использования. В нем можно получать до 300 стальных отливок, несколько тысяч отливок из алюминиевых сплавов.

Преимущества. Кокиль обеспечивает получение отливок с высоким качеством металла, повышенной точностью и чистотой поверхности. При этом способе улучшаются санитарно-гигиенические условия труда, есть возможность полной автоматизации процесса.

К недостаткам способа относятся высокая стоимость кокиля и трудоёмкость его изготовления. Можно отливать детали только относительно простой конфигурации. При литье в металлические формы из-за быстрого охлаждения уменьшается жидко текучесть расплава. Возможно возникновение газовой пористости из-за отсутствия газопроницаемости формы.

Литьё в металлические формы применяется и как самостоятельный способ, и в других способах литья (литьё под давлением, центробежное литьё).

Кокили применяют, в основном, для получения отливок из цветных металлов и сплавов, реже – из стали и чугуна.

Литьё под давлением

Литьё под давлением – наиболее производительный способ изготовления отливок из цветных металлов с высокой точностью и чистотой поверхности. Расплавленный металл заполняет стальную пресс-форму под давлением поршня до 300 МПа, быстро затвердевает и образует отливку.

Наибольшее распространение получили машины с холодной и горячей камерой прессования.

Машина с холодной камерой прессования показана на рис. 12. Дозу расплавленного металла заливают в горизонтальную камеру прессования 1 и подают поршнем 2 в пресс-форму, состоящую из двух полу форм: подвижной 3 и неподвижной 4. Для образования полости в отливке применяют металлический стержень 5. После затвердевания отливки пресс-форма раскрывается, и отливка удаляется при помощи толкателей 6.

Машина с холодной камерой прессования

Рис. 12. Машина с холодной камерой прессования

Давление поршня на жидкий металл составляет от 40 до 200 МПа, масса отливок – до 45 кг.

Поршневые машины с горячей камерой прессования (рис. 13) развивают давление на металл 10–30 МПа. Особенность их устройства состоит в том, что камеру прессования 1 располагают в обогреваемом тигле с жидким металлом. При верхнем положении плунжера через отверстия 2 сплав заполняет камеру. При движении плунжера 3 вниз он перекрывает эти отверстия, сплав под давлением заполняет полость пресс-формы 4. После затвердевания отливки плунжер возвращается в исходное положение, остатки металла из канала сливаются в камеру прессования. Отливка удаляется из пресс- формы толкателями.

Машина с горячей камерой прессования

Рис. 13. Машина с горячей камерой прессования

Такие машины применяют для литья из свинцово- сурьмянистых, цинковых, магниевых и алюминиевых сплавов с невысокой температурой плавления, не взаимодействующих с материалами тигля и камеры прессования.

Благодаря малому охлаждению сплава при заполнении пресс-формы на таких машинах можно производить очень мелкие детали – массой до нескольких граммов. Обычно масса отливок не превышает 25–30 кг. Машины имеют очень высокую производительность – до 3000 и более отливок в час при работе в автоматическом режиме.

Особенности формирования отливок. При литье под давлением расплав заполняет пресс-форму с очень большой скоростью (за доли секунды). При этом происходит быстрое закупоривание вентиляционных каналов пресс-формы, и из её полости не полностью удаляются воздух и газы, образующиеся при испарении и сгорании смазки. В затвердевшей отливке выявляется газовая пористость.

Преимущества. Это самый высокопроизводительный способ литья (до 3000 и более отливок в час). Дает высокую точность и чистоту поверхности отливки. Высокая степень автоматизации процесса позволяет встраивать участок для литья под давлением в автоматические линии.

Недостатками способа являются высокая стоимость оборудования и пресс-форм, ограниченная масса отливок, газоусадочная пористость отливок. Применяется способ в массовом производстве для отливки корпусов электродвигателей из силумина, блоков цилиндров двигателей внутреннего сгорания, а также для литья из других цветных сплавов.

Центробежное литьё

При этом способе отливки получают свободной заливкой во вращающиеся формы. Отливки формируются под действием центробежных сил. Центробежные силы отбрасывают заливаемый металл к стенкам формы, где он затвердевает, образуя пустотелую отливку.

Центробежным литьём в промышленности получают чугунные и стальные трубы, кольца и другие отливки типа тел вращения.

При этом способе литья исключается применение стержней для образования полостей в цилиндрических отливках. Отливки отличаются большой плотностью и высокими механическими свойствами. Центробежным литьём можно получать тонкостенные отливки из сплавов с низкой жидкотекучестью.

К недостаткам центробежного литья относится трудность получения качественных отливок из сплавов, склонных к ликвации, и невозможность выполнения отверстий точных размеров. Размеры отверстий отливок, изготавливаемых этим способом, зависят от количества металла, залитого в форму.

Формы приводят во вращение специальными центробежными машинами. В зависимости от положения в пространстве оси вращения формы, различают машины с горизонтальной и вертикальной осью вращения.

На машинах с горизонтальной осью вращения отливки получают со стенками равномерной толщины по длине и в поперечном сечении. На них отливают короткие и длинные трубообразные отливки.

Центробежная машина с горизонтальной осью вращения

Рис. 14. Центробежная машина с горизонтальной осью вращения

На рис. 14 изображена схема машины с горизонтальной осью вращения форм для изготовления труб. Металл из ковша 4 заливают в форму 2 через жёлоб. 3. Попадая на внутреннюю стенку вращающейся формы 2, жидкий металл образует вокруг нее полую цилиндрическую отливку 5, которую после затвердевания извлекают из формы.

В машинах с вертикальной осью вращения (рис. 15) металл из ковша 1 заливают в форму 2, укреплённую на шпинделе 3, который вращается от электродвигателя.

Металл центробежной силой прижимается к боковой цилиндрической стенке, образуя возле неё жидкий кольцевой слой 4. Форма вращается до полного затвердевания металла, после чего её останавливают и извлекают отливку.

Центробежная машина с вертикальной осью вращения

Рис.15. Центробежная маши на с вертикальной осью вращения

При вертикальной оси вращения формы отливки имеют параболическую внутреннюю поверхность. Толщина верхней части отливки меньше, чем нижней части, так как при вращении формы часть металла стекает вниз под действием гравитационных сил. Этим методом литья получают отливки небольшой высоты.

Преимуществом способа является возможность получения пустотелых отливок без применения стержней, получение плотной и мелкозернистой структуры.

Недостаток способа – высокая стоимость оборудования.

Применяется способ для отливки труб, колец, гильз из стали, чугуна и других сплавов.

Дефекты отливок

Причин возникновения брака в литейном производстве очень много: некачественные формовочные материалы, плохое качество шихты, неудачная конструкция самой детали или литниковой системы, нарушения технологии при формовке, заливке форм и охлаждении отливок.

Дефекты отливок приведены на рис. 16.

I группа – несоответствия по геометрии: недолив 1, вылом 2, перекос 3, разностенность 4;

II группа – дефекты поверхности: пригар 1, нарост 2, ужимина 3, залив 4;

III группа – несплошности в теле отливки: усадочные раковины 1, газовые раковины 2, пористость 3;

IV группа – включения: металлические 1, неметаллические 2, королек 3.

Рассмотрим, что представляют собой некоторые виды дефектов.

Газовые раковины (рис. 16, III, 2) – полости в теле отливок, созданные воздухом или газами, выделяющимися из жидкого металла при его затвердевании. Причинами их образования являются низкая газопроницаемость и повышенная влажность формовочной смеси, недостаточная дегазация металла перед заливкой.

Схема основных видов литейных дефектов

Рис. 16. Схема основных видов литейных дефектов

Усадочные раковины (рис. 16, III, 1) – открытые или закрытые полости, которые обычно образуются в утолщённых местах отливки. Причинами образования усадочных раковин являются неправильный подвод металла в форму, а также заливка форм излишне перегретым металлом, неправильная конструкция отливки, допускающая скопление больших объёмов металла в отдельных её частях. Схема образования усадочной раковины показана на рис. 17. Сначала около стенок литейной формы образуется корка 1 твёрдого металла. Так как усадка расплава при переходе из жидкого состояния в твёрдое превышает усадку корки, то уровень металла в незатвердевшей части отливки понижается до линии, а–а. В следующий момент времени на корке 1 нарастает новый твёрдый слой 2, а уровень жидкости понижается далее – до линии б–б. Так продолжается до тех пор, пока не закончится процесс затвердевания. Снижение уровня расплава при затвердевании приводит к образованию сосредоточенной усадочной раковины 3. Этот дефект характерен для отливок из чистых металлов, сплавов эвтектического состава и сплавов с узким интервалом кристаллизации.

Схема образования усадочной раковины

Рис. 17. Схема образования усадочной раковины

Песчаные раковины (рис. 16, IV, 2) – чаще всего открытые, различной формы пустоты в теле отливки, частично или целиком заполненные формовочной смесью. Причинами образования песчаных раковин являются разрушение отдельных частей формы, смыв формовочной смеси расплавом при неправильном его подводе.

Холодные трещины – сквозные и несквозные разрывы в стенках отливки, небольшой ширины и значительной длины. Они образуются при низких температурах и имеют не окисленную поверхность. Причиной появления холодных трещин является усадка сплава, приводящая к большим внутренним напряжениям. Для предупреждения их образования необходимо обеспечивать равномерное охлаждение отливок во всех сечениях, проводить отжиг отливок.

Горячие трещины – разрывы в стенках отливки, имеющие значительную ширину и небольшую протяженность. Они образуются при высокой температуре и имеют тёмную окисленную поверхность. Трещины могут возникать в случае недостаточной податливости стержней и отдельных частей формы, ранней выбивки отливки из формы.

Заливы (рис. 16, II, 4) – тонкие, различные по величине и форме, не предусмотренные чертежом выступы на отливке, образующиеся по плоскости разъёма формы из-за наличия излишнего зазора между полу формами.

Пригар (рис. 16, II, 1) – трудно отделимый от поверхности отливки слой из металла, его оксидов и частичек формовочной смеси. Это результат взаимодействия прогретого материала формы с расплавом. Для устранения пригара снижают температуру заливки металла, на рабочую поверхность формы наносят противопригарные покрытия.

Недолив (рис. 16, I, 1) – неполное заполнение формы расплавом, что наблюдается при недостаточной его жидко текучести, при скоплении газов, препятствующих заполнению формы, при недостаточных размерах питателей литниковой системы.

Перекос (рис. 16, I, 3) – несоответствие конфигурации отливки чертежу из-за смещения одной части отливки относительно другой. Перекос, как правило, является следствием неправильного центрирования опок при чрезмерном износе штырей.

Разностенность (рис. 16, I, 4) – разная толщина стенок отливки, причиной которой является неправильная установка или смещение стержней при заливке формы из-за непрочного их крепления в форме.

Коробление – искажение размеров и конфигурации отливки под влиянием внутренних напряжений, возникающих при неравномерном охлаждении отдельных её частей. Для предупреждения короблений в отливках необходимо увеличивать податливость формы и создавать рациональную конструкцию отливки.

Отходы литейного производства

Литейное производство характеризуется наличием токсичных воздушных выбросов, сточных вод и твёрдых отходов. Острой проблемой в литейном производстве считается неудовлетворительное состояние воздушной среды. Наибольшее количество пыли выделяется оборудованием для выбивки форм и стержней. Для очистки выбросов от пыли применяют циклоны разных типов и скрубберы. Эффективность очистки в этих аппаратах находится в пределах 20–95%.

Применение в литейном производстве синтетических связующих особенно остро ставит проблему очистки воздушных выбросов от токсичных веществ: фенола, формальдегида, оксидов углерода, бензола и др. Для обезвреживания органических паров литейного производства применяют различные способы: термическое сжигание, каталитическое дожигание, адсорбцию активированным углём, окисление озоном, биоочистку и другие способы.

Источником сточных вод в литейных цехах служат, главным образом, установки очистки литья, мокрой очистки воздуха, регенерации отработанных формовочных смесей. Огромное экономическое значение для народного хозяйства имеет утилизация сточных вод и шлама. Количество сточных вод можно значительно снизить путем применения оборотного водоснабжения. Твердые отходы литейного производства, поступающего в отвалы, представляют собой, в основном, отработанные литейные пески. Незначительную часть (менее 10%) составляют металлические отходы, керамика, бракованные стержни и формы, огнеупоры, бумажный и древесный мусор.

Основным направлением уменьшения количества твёрдых отходов в отвалы следует считать регенерацию отработанных литейных песков, что обеспечивает снижение расхода свежих песков, а также связующих и катализаторов. Разработанные технологические процессы регенерации позволяют получать песок с хорошим качеством и высоким выходом целевого продукта. При отсутствии регенерации отработанные формовочные смеси, а также шлаки используются в других отраслях промышленности: отработанные пески – в дорожном строительстве в качестве балластного материала для выравнивания рельефа и устройства насыпей; отработанные песчано-смоляные смеси – для изготовления асфальтобетона; мелкая фракция отработанных формовочных смесей – для производства стройматериалов: цемента, кирпича, облицовочных плиток; отработанные жидко стекольные смеси – для строительных цементных растворов и бетона; шлак литейного производства – для дорожного строительства в качестве щебня; мелкая фракция шлака – в качестве удобрения.

Захоронение твёрдых отходов литейного производства целесообразно проводить в овраги, отработанные карьеры и шахты.